岩石抗钻能力界定新方法——五参数法

李忠慧 方满宗 杨恺 楼一珊 游云武 耿瑞杰

1. 长江大学石油工程学院 · 油气钻井技术国家工程实验室防漏堵漏技术研究室；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术湛江分公司；3. 中国石油集团渤海钻探工程技术研究院；4.江汉石油工程公司钻井一公司

岩石抗钻特性是钻头选型和钻井工艺设计的基础，通常需要用大量的参数来表征。传统的岩石抗钻特性评价方法主要是绘制地层力学参数随深度变化的剖面图［1-5］。这种方法仅表示一种或几种参数的变化情况。此外，还有一些新的理论和方法得到应用，如分形理论［6-8］、神经网络法［9-10］、非线性支持向量机理论［11-12］等，但这些方法应用过程比较复杂。因此，提高测井数据在实际钻井过程中的实用性，建立一种综合多种地层参数来表征岩石抗钻特性的方法具有实际意义。

抗钻特性的分析评价离不开岩石力学中的各个重要因素（硬度、可钻性、研磨性、抗压强度等），这些因素对钻头选型会产生重大的影响。本文为了兼顾钻头的攻击性和耐磨性，采用模糊数学的方法，分析了钻头切削齿结构和冠部形状对地层的作用，通过室内实验得到了单点岩心的单轴抗压强度、泊松比、地层密度和纵波波速，用测井资料和岩心强度实验数据，建立了测井资料预测岩石抗钻特性参数计算模型，利用回归分析法，将钻头可钻性级值、岩石的硬度、单轴抗压强度、内摩擦角和研磨性联系起来，绘制并应用五参数雷达图对X油田渔洋组层段进行钻头选型。

1 岩石力学多参数关系

1.1 室内实验

为建立岩石抗钻特性参数间的关系，对取自X油田的地层岩心进行室内实验，包括岩石力学及地层可钻性、硬度、研磨性实验，部分结果见表1。

表1 X油田岩石力学参数实验结果Table 1 Experimental result of rock mechanical parameters of X Oil field

1.2 基于测井解释的岩石力学参数模型

声波时差是对地层岩石中孔隙度、密度、岩性等的综合反映，应用实验结果与岩石的声波时差进行拟合回归分析［13-16］，得到岩石可钻性级值、硬度、单轴抗压强度、内摩擦角和研磨性与声波时差之间的相关关系，结果见图1～图3。

（1）PDC钻头可钻性级值计算模型：

图1 声波时差与PDC钻头岩石可钻性级值关系Fig. 1 Relationship between interval transit time and rock drillability grade of PDC bit

（2）岩石硬度计算模型：

图2 声波时差与岩石硬度关系Fig. 2 Relationship between interval transit time and rock hardness

（3）单轴抗压强度计算模型：

图3 声波时差与内摩擦角关系Fig. 3 Relationship between interval transit time and internal friction angle

（4）内摩擦角计算模型：

（5）地层研磨性级值计算模型：

式中，Kd为岩石可钻性级值；Δt为声波时差，μs/ft；Py为岩石硬度值，MPa；σc为岩石的单轴抗压强度，MPa；μd为动态泊松比；Vci为泥质含量；ρ为地层密度，g/cm3；vp为纵波速度，km/s；φ为岩石内摩擦角，°；Kc为岩石研磨性级值。

2 岩石力学多参数相关性图谱

岩石的物理性质、力学性质及孔隙特征均对岩石抗钻特性参数有影响。研究表明，岩石力学的多种参数之间存在一定的相关性，如内摩擦角与岩石硬度之间具有一定的相关性；内摩擦角和无侧限抗压强度又共同决定了钻头的切削齿大小；内摩擦角与研磨性也具有一定的关系，这种关系是建立在与声波时差相关的基础上得到的。根据不同声波时差与地层岩石硬度、内摩擦角、单轴抗压强度、研磨性及岩石可钻性级值之间的关系，应用归一化处理方法，建立五维空间坐标图［17］，即五参数影响下的地层抗钻特性雷达图，结果见图4。

图4 地层抗钻特性参数雷达图Fig. 4 Radar map of drilling resistance parameter

为了建立地层特性与PDC钻头IADC编码之间的对应关系，需要从地层多个岩石力学参数中找出对PDC钻头各位字码选择起主导作用的影响因素。PDC钻头的IADC编码主要由4位字码组成，第1位字母表示钻头的本体结构，后3位为数字字码，受不同地层因素影响。第2位字码表示地层的软硬程度；第3位字码表示切削齿结构，内摩擦角和抗压强度影响切削齿大小选择；第4位字码表示钻头的冠部形状，冠部形状选型主要受到地层岩石的研磨性影响。

参考岩石可钻性测定及分级方法［18-19］的标准，利用硬度确定IADC编码第2位字码，综合考虑每种情况下切削齿齿高对应的IADC编码，可以确定内摩擦角和抗压强度与IADC编码第3位字码的对应，将地层研磨性分为由低、中、高、极高4个级别，得到了岩石内摩擦角、地层研磨性分级与IADC编码第4位字码对应，建立5个参数影响下的PDC钻头IADC编码选表如表2所示，将这些对应的数据绘制到雷达图中，如图4中彩色线条所示。

表2 PDC钻头IADC编码选择表Table 2 Selection list of IADC code of PDC bit

3 钻头选型结果及应用效果分析

雷达图的使用方法如下：根据岩石抗钻特性参数计算模型，计算出岩石硬度、单轴抗压强度、可钻性级值、研磨性级值，内摩擦角等五参数，在岩石抗钻特性参数雷达图上标出这5个参数的点，若落在某一区域内的点占优，则采用这一区域所对应的PDC钻头IADC编码。图中，每2层轮廓线包围的部分可对应选出适合该地层的PDC钻头IADC编码，为PDC钻头优选提供可靠依据。

选择X油田SH6-P18井渔洋组（3 545～3 936 m）层段，通过测井资料及实验资料得到地层参数数据，记录间隔为1 m。将得到的岩石硬度、单轴抗压强度、PDC钻头研磨性级值、研磨性等级、岩石内摩擦角等数据绘入雷达图中，得到了YY组层段地层抗钻特性参数散点图，见图5。从图中可以直观看出大量频数的点落在IADC编码为644的范围内，其次为543、554范围；因此，推荐YY组层段选用IADC编码为543、644范围内的PDC钻头。具体选型结果见表3，可以看出，应用岩石抗钻特性参数雷达图选出的钻头，实际钻井过程中进尺、机械钻速、纯钻时间均有大幅度提高，与前期钻头相比，平均进尺提高188%，平均机械钻速提高7%，平均纯钻时间提高160%，说明应用该方法进行钻头优选能够指导现场施工，主要原因是该方法兼顾了钻头的攻击性和耐磨性。

4 结论

表3 X油田 YY组层段（3 545～3 936 m）雷达图进行钻头选型结果Table 3 Bit type selection for YY Formation (3 545～3 936 m)of X Oil field based on radar map

（1）综合考虑岩石物理性质、力学性质及孔隙特征对岩石抗钻特性参数的影响，以岩石硬度、单轴抗压强度、PDC钻头研磨性级值、研磨性等级、岩石内摩擦角为表征，建立了五参数雷达图进行钻头优选，该方法兼顾了钻头的攻击性和耐磨性，能够指导现场施工。

（2）岩石抗钻特性参数雷达图中，每2层轮廓线包围的部分可对应选出适合该地层的PDC钻头IADC编码，为PDC钻头优选提供可靠依据。

（3）岩石抗钻特性参数雷达图提供了一种地层抗钻特性描述和钻头优选的新方法，这种方法具有综合性和直观性。但要对地层进行更准确的评价，还要把泥质含量、岩性等一些特征参数作为补充来提高准确性。