南海西部海域难钻地层特征及破碎机制研究

邓金根，朱海燕，谢玉洪，赵靖影，蔚宝华，谭 强，张晓东

（1.中国石油大学 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；2.中海石油(中国)有限公司湛江分公司钻井部，广东 湛江 524057；3.南方石油勘探开发有限责任公司，广州 510240）

1 引 言

南海西部地区北部湾盆地和珠江口盆地部分油田的下第三系地层（厚度600～1200 m）地层岩性为致密的细砂岩，硅质胶结，致密泥页岩，含砾石夹层。2006－2009年，30口井单只钻头平均机械钻速仅为3～4 m/h，单只钻头平均进尺为150 m左右，其中进尺小于50 m的占30%。机械钻速偏低、钻头磨损太快、频繁起下钻造成作业进度滞后是以上两个地区探井钻探遇到的最大困境之一。对此现场采取了调整钻井参数，更换钻具组合，选择新型钻头等手段，但效果并不明显。分析深层次原因，主要是由于对所要钻遇的地层岩性把握不准，对地层岩石特性认知不够，对深层（2500～5000 m）致密砂砾岩、硬泥岩的钻头选型不当。因此，为了降低钻井成本，增加钻井时效，必须摸清该海域难钻地层的岩性特征、分布规律及破岩机制。本文针对南海西部地区难钻地层，开展模拟井下压力条件下的难钻地层破坏强度、硬度、塑性系数、可钻性和研磨性的室内试验研究；利用测井资料和室内试验数据建立难钻地层的抗钻特性参数预测模型，并绘制其岩石力学参数剖面和三维可钻性剖面；完成难钻地层的破岩机制研究，以弄清难钻地层的难钻特征，为钻头的合理选择、钻井参数和方式的优化提供理论指导。

2 难钻地层的岩性

采用 X 射线衍射仪[1]，在管压 40 kV，管流100 mA 时以2.6°～45°范围进行扫描，分析执行标准SY/T 6210－1996[2]。北部湾盆地10口井的矿物组分测定发现：①整体上看，地层含石英 26.8%～48.7%，含黏土矿物35.6%～54%，地层硅质胶结，石英含量较少；②L-1段局部地层菱铁矿含量高，其中Z-1段1-7含菱铁矿高达39.8%，Z-1段1-2含菱铁矿 13.8%，且微含黄铁矿；③L-2段含有少量菱铁矿；④L-3段以石英和黏土矿物为主。珠江口盆地10口井的矿物组分测定发现：①整体上看，地层含石英 31.2%～62.5%，含黏土矿物 18.3%～38.6%，石英含量较高；②Z-1段、Z-2段菱铁矿含量高。

表1 各盆地地层平均岩性Table1 Average lithology of each basin

统计30口井的录井资料，确定北部湾盆地和珠江口盆地的岩性分布（见表1）。北部湾盆地以泥岩为主，软硬夹层显著，含砂砾岩非均质夹层，含少量菱铁矿。将地层岩性与钻井参数进行对比，发现难钻地层为致密泥岩、页岩。L-2段以泥岩为主，夹砂岩和褐灰色泥页岩，偶含砾，但含有菱铁矿。L-3段含11%的砂砾岩，泥岩与中细颗粒砂岩互层，地层均质性较L-2段强。珠江口盆地以砂岩为主，砂砾岩分布广泛，地层非均质性较强。Z-2段和Z-3段岩性为砂泥岩不等厚互层，含有2～7 mm的砾石颗粒6%以上，岩性变化频繁，致密压实。E组以泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、含砾中砂岩和含砾粗砂岩不等厚互层。

3 难钻地层的岩石力学性质试验

3.1 地层强度、硬度和塑性系数试验

北部湾盆地2188～3303 m井段（L组）取岩芯31块，珠江口盆地3341～3986 m井段（Z组）取岩芯23块，分别加工成直径25、38 mm，长径比为1.8～2.0的岩样，部分加工岩样如图1所示。试验设备采用 TAW-1000深水孔隙压力伺服试验系统[3]进行三轴试验，试验结果见表2。图 2给出了在不同围压下泥岩的应力-应变曲线。

由表1及图2可知，L组整体上属于软至中硬地层，L组褐灰色泥岩在围压下具有一定的塑性，且随围压增加，其破坏强度、屈服应力及塑性都有增强（见图 2）。Z组砂岩地层属于中高强度，但在围压下强度增加很快。L组细砂岩强度高、塑性小，呈硬脆性；致密泥岩强度比砂岩强度略低。相同围压下，Z组砂岩破坏强度高于L组。

采用静压入法和YDSY-1岩石硬度仪测定岩芯硬度并求取其塑性系数，结果与强度试验一致（见表3）。北部湾盆地L组岩石具有一定的塑性，其中L-2段褐灰色粉砂质泥岩的塑性较高，塑性系数高达4.5。

3.2 岩芯微钻头可钻性试验

图1 北部湾盆地部分φ25 mm岩样Fig.1 Some φ25 mm cores of the Northern Gulf Basin

表2 三轴强度试验结果Table2 Results of strength experiments

图2 Z-12-2井褐灰色泥岩应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of Z-12-2 well grey mudstone

表3 岩芯硬度及塑性系数Table3 Hardness and plasticity coefficient

图3 室内微可钻性试验方形试样Fig.3 Quadrate rock sample for drillability experiments

表4 岩石可钻性测试结果Table4 Results of drillability experiments

室内微可钻性试验如图3所示，岩石可钻性测试结果见表4。φ38 mm岩芯由于直径太小而无法固定，因此，将岩芯用隔水材料包裹，用水泥固结成100 mm×100 mm的方形试样，再磨平水泥-岩芯样两端（见图3）。根据行业标准SY/T 5426－2000[4]，对岩芯可钻性进行测定（见表4）。在相同试验条件下，砂岩平均可钻性级值在5.7左右，而泥岩平均可钻性级值达到6.7左右，砂岩可钻性比泥岩好。北部湾盆地岩石可钻性比珠江口盆地岩石可钻性差；流二段岩石可钻性中等偏硬，流三段软到中等；珠江口盆地整体偏软，可钻性较好。

3.3 研磨性试验

用改装的岩石可钻性仪设计了基于PDC钻头钻进过程特点的岩石研磨性试验装置。试验采用PDC微钻头作为切削工具。为了保证微钻头始终破碎新鲜岩面并使PDC片处于正常的研磨状态，采用清水冷却钻头和冲洗岩屑[5]。将改装的可钻性仪最高轴压从900 N提高至1200 N，最高转速从55 r/min提高至300 r/min，并对仪器箱体做防水处理，改装简单易行，试验装置通用性好。每次试验时间为30 min，试验结束后测量岩石破碎坑体积，用精度为0.01 mg的天平测量PDC微钻头复合片的磨损失重量（见表5）。北部湾盆地流L组中细砂岩的研磨性高于泥岩。珠江口盆地Z组中砂岩研磨性高，含砾砂岩研磨性较高，泥质粉砂岩研磨性最高。

表5 岩石研磨性试验结果Table5 Results of abrasive property experiments

4 难钻地层抗钻特性剖面的建立

4.1 岩石力学特性参数预测模型

试验只能测得地层特定取芯位置的岩石力学特性，要弄清整个地层的岩石力学特性，必须通过测井资料建立地层岩石力学性质的预测模型，并用岩石力学试验数据标定预测模型中的系数（见表 6）[6－9]。各预测模型中的参数为：Vcl为砂岩的泥质含量；Ed为砂岩的动态杨氏模量（MPa）；ΔT为声波时差；ρ为密度；G为剪切模量；K为体积模量；DT为纵波声波时差；H为硬度；φ为内摩擦角； A1、 A2、b0、b1、b2、b3、B1、D1、F1为经验系数。

表6 岩石力学特性参数预测模型及其精度Table6 Prediction model and prediction accuracy of rock mechanical parameters

4.2 地层抗钻特性剖面的建立

采用岩石力学特性参数预测模型，建立了 30口井难钻地层抗钻特性剖面，以弄清各区域难钻地层的抗钻特性。以Z-12-2井的抗钻特性曲线为例，对其地层抗钻特性进行分析（见图4）。Z-12-2井W-3段、L-1段和L-2段岩石单轴抗压强度平均分别为81.4、69.65、75.87 MPa，最高为262.2 MPa，岩石单轴抗压强度中等偏高。砂岩段的岩石单轴抗压强度大于泥岩段。L-1段上部中硬，下部较软，整体属于中研磨性地层，高研磨性夹层比较多。L-2段中等偏硬，其中泥岩可钻性级值平均值为7.3，砂岩可钻性级值平均值为6.4，泥岩更难钻，整体属于中低研磨性地层，偶有高研磨性夹层。砂岩段硬度略高于泥岩，地层岩石软硬交错较为严重。

总结 30口井发现，北部湾盆地 Z-1段 1-2、Z-1段1-7油田L-1段研磨性和抗压强度较高，抗压强度平均为80～120 MPa，中等偏硬，存在高于150 MPa的硬夹层；L-2段平均抗压强度为 70～90 MPa，中等偏软；L-3段地层岩性非均质性、研磨性较L-2段强，地层抗压强度平均80～120 MPa，中等偏硬，部分井段抗压强度高于150 MPa。

珠江口盆地地层抗压强度为50～120 MPa，中等略偏硬；可钻性级值4～7；塑性系数为2左右；研磨性2～8，研磨性较高；Z-2段含少量菱铁矿；砂岩、砂砾岩硬脆性，研磨性较高，可钻性好，但钻头易发生先期损坏严重。在砂岩中钻速较快，在致密褐灰色泥岩中钻速变慢，因此，钻头的新旧程度对钻速影响较大。

4.3 三维可钻性剖面的建立

根据北部湾盆地和珠江口盆地各典型井的地理方位坐标，地层分层信息和各层段的可钻性资料，绘制北部湾盆地和珠江口盆地的三维可钻性剖面（见图5）。图中蓝色表示可钻性好，红色表示可钻性差。L-1段因含菱铁矿和黄铁矿含量较高，且含有 2～7 mm砂砾，致使地层研磨性和抗压强度较高，可钻性较差，在图中呈红色。L-2段、L-3段因其主要以致密性泥岩为主，地层可钻性较差。Z-1段可钻性较好，Z-2段因含砾石6%而可钻性差，Z-3段因含10%砾石可钻性较差。地层埋藏深度越深，可钻性越差。

图4 Z-12-2井抗钻特性曲线Fig.4 The sections of rock mechanical parameters of the Z-12-2 well

图5 南海西部海域三维可钻性剖面Fig.5 Three dimensional drillability profiles

5 难钻地层的破岩机制研究

本文对难钻地层的破岩机制进行了试验研究[10－12]，研究钻头的钻压和转速对破岩效率的影响，并探讨了PDC钻头在复杂地层中的破碎规律，为合理的钻井方式和钻井参数的选择提供依据。从30口井已用钻头的统计发现，PDC钻头的进尺、钻速、每米钻井成本均优于牙轮钻头，因此，本文主要研究PDC钻头的破岩情况。PDC钻头破岩试验采用可钻性仪器、PDC微钻头。

5.1 钻进参数对PDC钻头破岩效率的影响

钻压对岩石的破碎敏感程度较高，钻压的增加使钻头破岩效果显著增大（见图6）。在硬脆性的细砂岩段提高钻压，机械钻速较明显；在呈塑性的泥岩段提高钻压，机械钻速提高较慢；在泥质粉砂岩内提高钻压，效果最差。PDC钻头钻压应该保持在一个合理的范围内，过大或过小对钻速都不利。钻压过小，牙齿不能吃入岩石，破岩效率低。钻压过大，在钻进软岩过程中，钻头吃入深度大大增加或整体压入岩石，会因扭矩增大而憋死钻头，造成钻具断裂事故；同样，在钻进硬或极硬岩石过程中，钻头易产生严重的纵向憋跳，造成PDC钻头牙齿的先期损坏。

转速的增加会提高 PDC钻头破岩效率（见图7）。转速对砂岩的破碎敏感程度比钻压低，增加转速会加快PDC钻头的磨损；转速对塑性泥岩的破碎敏感程度比钻压高，提高转速可显著提高破岩效率，而增加钻压，牙齿在泥岩内易发生滑动，不易吃入，钻速增加并不明显；转速对泥质粉砂岩的破碎敏感程度低于钻压。

图6 钻压和机械钻速关系曲线Fig.6 WOB - ROP curves of the PDC bit

图7 机械钻速和转速关系曲线Fig.7 RPM - ROP curves of the PDC bit

5.2 PDC钻头在砾石和夹层地层中的破岩机制

从软地层进入硬地层时，冠顶上切削齿钻压、扭矩不断增加，容易被压碎或崩断，引起钻头早期损坏。重新钻入软地层时，冠顶切削齿钻压、扭矩减小，其他部位切削齿钻压、扭矩增加，部分齿发生压碎、崩断等损坏。同时硬地层中的高钻压若不能及时降下来，切削齿在软地层中易过大切入，而扭矩过大，导致掰断。因此，在软硬及砂砾岩夹层中钻进，不易采用较高钻压和转速。地层中分布有不同粒度、形状的砾石，最容易受到损坏的部位是钻头冠部和侧翼，容易发生齿的崩损甚至刀翼折断，层间的岩性变化越大对钻头损坏也越大[13]。南海西部海域难钻地层的砾石直径为2～7 mm，易对切削齿产生较大的冲击和磨损，这与PDC钻头现场使用情况一致。

6 结 论

（1）通过岩性分析、岩石力学试验和PDC钻头破岩机制试验，得到了北部湾盆地和珠江口盆地的岩性分布、岩石力学特性及破碎机制。

（2）北部湾盆地以泥岩为主，夹砂岩；地层可钻性、强度中等，地层研磨性中低至中等，偶有高研磨性夹层，提高钻头的攻击性和提高转速是提速的关键，建议北部湾盆地采用较高的转速和较小的钻压钻进，即可采用高转速的动力钻具复合钻进方式。

（3）珠江口盆地含砾石较多，地层非均质性强，地层研磨性较强，较高转速将会加速钻头的早期破坏，该盆地不适合采用动力钻具提速方式，只能通过提高钻头复合片的耐磨性和攻击性，采用较高的钻压和合理地顶驱转速来提高钻速。

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