利用岩屑元素含量评价岩石可钻性方法研究

李春山, 李 伟， 何亚彬

(1中国石油大学·华东 2新疆克拉玛依市科学技术协会 3西南油气田分公司川中油气矿)

岩石可钻性是指在一定钻头规格、类型及钻井工艺条件下岩石抵抗钻头破碎的能力[1]。岩石可钻性是指导地质分层及钻头选型工作的重要参数，是决定钻进效率的基本因素[2]。目前评价岩石可钻性的方法主要有压入硬度法、微钻头钻进法、钻速方程反推法、利用测井参数预测法和岩屑硬度法[3]。这些评价岩石可钻性的方法，成本较高且不能实时评价岩石可钻性，本文提出了一种新的岩石可钻性评价方法，通过对岩屑进行元素含量分析，利用元素含量评价岩石可钻性，这样，可以实时评价岩石可钻性。

一、影响岩石可钻性的主要因素

影响岩石可钻性的因素虽然有很多，但是真正引起可钻性变化的主要原因还在于岩石的矿物成分和结构，它决定了岩石的抗钻能力[4]。地层主要由岩石构成，每种岩石由不同的矿物组成，每种矿物均由固定的化学元素构成，因此可以通过元素含量评价岩石可钻性。

不同的矿物所含的物质不同，可通过相应的元素反映出来[5]，例如，Si元素主要与石英关系密切，Si主要富集在砂岩、硅质岩等沉积岩中。K、Al元素含量与黏土(高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石、海绿石等)含量密切相关，可通过K、Al等元素判断黏土矿物含量。Ca元素与方解石和白云石密切相关，主要集中在碳酸盐岩石中，白云质岩石中同时富集了Ca和Mg。

二、岩屑元素含量的测定方法

岩屑元素含量的分析方法有多种，本文采用一种既简便又快捷，且适用于现场应用的分析方法——X射线荧光岩屑分析仪对岩屑进行分析，得到岩屑的各种主要元素含量。该仪器可以分析岩屑中Ca、Mg、Si、Fe、Al、K等22种元素的含量。

本文针对四川磨溪地区进行了研究，对该地区7口井进行了岩屑元素分析，分析样品达到3 600余个，获得了相应的元素分析资料。

三、元素含量与岩石可钻性关系分析

由上述分析可知，岩石可钻性与矿物成分密切相关，而矿物成分又与其所含元素有关，因此本文试图通过对元素含量的分析，探索元素含量与岩石可钻性之间的关系。

通过对XRF岩屑元素含量的分析数据进行优选、分析，优选出与岩性密切相关的Ca、Mg、Si、Fe、Al、K 6个主要元素，本文以XX1井为例，将以上6种元素的含量及岩性剖面、可钻性级值绘制成图进行分析，如图1所示，其中可钻性资料利用测井数据处理获得。该井从4 547～4 563 m地层为栖一段，岩性主要为石灰岩，可钻性级值在6.95～7.21之间，Ca元素含量较高，其余五种元素含量均低；4 563～4 574 m地层为梁山组，岩性主要为砂泥岩，可钻性级值在4.78～6.22之间，Ca元素含量降低，Mg元素含量较低，其余四种元素含量均较高；4 574～4 595 m地层为高台组，岩性主要为含砂质白云岩，可钻性级值在6.48～7.62之间，Ca、Mg元素含量大幅上升，其余元素含量均下降；4 595～4 691 m地层为龙王庙组，岩性主要为白云岩，可钻性级值在6.8～8.18之间，Ca、Mg元素含量较高，其余元素含量较低；4 691～4 748 m地层为沧浪铺组，岩性主要为砂泥岩，可钻性级值在5.7～7.88之间，Ca、Mg元素含量大幅下降，Si、Al、K含量上升，Fe元素含量较低。

图1 XX1井元素含量及可钻性级值曲线图

从以上分析可知，元素含量与岩石可钻性存在一定的相关关系，主要表现为：

(1)Si元素在砂泥岩中含量较高，石灰岩、白云岩中含量较低。在砂泥岩剖面中，Si元素含量代表着砂质含量，Si元素含量越高，岩石越难钻，可钻性级值越大，与可钻性级值呈正相关。在碳酸盐岩剖面中，Si元素含量与可钻性级值呈负相关。

(2)K、Al含量代表着泥质含量，其含量在砂泥岩中最高，碳酸盐岩中最低。K、Al含量与可钻性级值呈负相关。

(3)Ca、Mg元素含量之间有较强的相关性，其含量代表着碳酸盐岩含量。因此其含量在碳酸盐岩中较高，在砂泥岩中较低。可钻性级值与Ca、Mg含量成正相关。在碳酸盐岩剖面中，Mg元素含量主要代表白云岩的含量变化，从图中可以看出，Mg元素含量在白云岩段最高，此段可钻性级值也最高，而Mg元素含量在灰岩段有明显降低，因此此段可钻性也略有降低。

(4)Fe元素代表泥质含量。其含量在砂泥岩中最高，碳酸盐岩中最低。Fe元素含量与可钻性级值呈负相关。

四、岩石可钻性预测模型的建立

将影响岩石可钻性的主要元素Si、Mg、Al、K、Ca、Fe进行多元回归分析，利用该地区7口井的数据资料，得到该地区可钻性级值预测方程：

Kd=7.867+0.019Mg-0.067Al-0.016Si+0.138K-0.017Ca-0.007Fe

式中：Kd—钻性极值，无因次；Mg、Al、Si、K、Ca、Fe—分别为岩屑中镁、铝、硅、钾、钙、铁元素含量，%。

该方程的相关系数为0.753 92。利用此方程，得到各井的可钻性级值剖面。图1中“可钻性级值1”为利用本模型计算的岩石可钻性级值，通过与岩石可钻性级值曲线对比可见，二者吻合度极高，说明应用此种方法预测可钻性可行。

本方法使用的是岩屑的元素含量分析数据，样品分析可在现场完成，因此非常及时；测量样品为岩屑，取样方便，而且不需特别加工，成本低、评价速度快；本模型是用磨溪地区数据获得，仅适用该地区；其它地区须用本地区的资料进行分析得到相应的计算模型才能使用。

五、结论

(1)分析表明岩石可钻性与岩屑的元素含量存在相关关系。

(2)通过对磨溪地区7口井的资料分析，得出了该地区的岩石可钻性计算模型。

(3)探索了一种利用岩屑元素含量评价岩石可钻性的新方法。