平顶山市区北部平顶山砂岩可钻性研究

韩栋材，陈 显，赵铁峰

（河南省有色金属地质矿产局第二地质大队，河南郑州450016）

岩石可钻性是指在一定钻井技术条件下，岩石抵抗工具破碎的能力，它反映了钻头在钻井过程中破碎岩石的难易程度，国内外对岩石可钻性进行分级时，都是把越难钻进的岩石列入越高的级别，也就是说，级别越高，岩石的可钻性越差，岩石可钻性级别的大小与钻进速度的大小是相反的。对于地层岩石可钻性，国内外投入大量试验，取得了丰富的研究成果，求得的方法有室内实验方法、声波时差法、室外实钻法、测井资料预测法等。国内对二叠系石千峰组平顶山砂岩的可钻性研究较少。本文以平顶山市北部平顶山砂岩为研究对象，通过对平顶山北部地区已完钻的229个煤孔钻井资料进行收集整理，特别对石千峰组平顶山砂岩进行统计。利用现场实钻资料、物探测井资料及室内岩样试验，利用通用钻速方程求出地层岩石可钻性级值，用数理统计的方法得出平顶山砂岩地层的岩石可钻性规律并且对其进行分析研究，从而建立本地区的可钻性经验模型，对平顶山北部地区地热井钻井参数优选、钻头选择及钻井设计提供参考，从而为现场工程技术人员指导钻井施工提供依据，对类似地区钻进平顶山砂岩具有一定的指导作用。

1 研究区地层

平顶山砂岩是指晚二叠世石千峰组内的岩石地层，豫西地区广泛分布，是一套板状交错层理十分发育并以粗碎屑长石砂岩和长石石英砂岩为主的地层，沉积环境属于临近滨海的陆缘近海湖沉积。平顶山砂岩为灰白色、浅红色、厚—巨厚层状中、粗粒长石石英砂岩，下部含砾，具大型板状交错层理，硅质胶结，质地坚硬，为煤系上覆地层的良好标志层，平均厚度110m。通过区域收集的229个煤孔柱状资料统计分析，该区域平顶山砂岩埋深0~879.53m，厚度为25~135.6m，平均厚度为110m。该套地层区内普通分布，仅在凤凰岭逆断层附近缺失。

研究区平顶山砂岩岩层以砂岩为主，砂岩的百分比在75%以上，其中石英含量92%~98%，平均96.5%，长石含量3%~6%，岩屑含量2%~5%；碎屑颗粒主要粒径0.25~0.50mm，一般为中—粗粒砂状结构，分选性中等，磨圆度次圆，硅质胶结，裂隙发育、含水量较大，总体质地坚硬、致密，普氏硬度系数9~13，属坚硬致密研磨性弱的岩层。

2 地层岩石可钻性

2.1 地层岩石可钻性级值的确定

相关性概念：相关性分析是指对两个或多个具备相关性的变量元素进行分析，从而衡量两个变量因素的相关密切程度。相关性的元素之间需要存在一定的联系或者概率才可以进行相关性分析。相关性不等于因果性，也不是简单的个性化。因此，研究岩石声波差与岩石力学特征相关性的深入程度影响着最终钻头的工作效率。

国内外大量的研究结果表明，岩石力学特征与岩石声波时差有着密切的关系，岩石声波反映所钻遇地层的岩石强度、硬度和弹性，而岩石的可钻性主要由岩石力学参数决定。根据前人的研究结果[1-2]，岩石抗压强度、硬度和岩石弹性强度有随声波减小而增大的关系。

影响岩石声波时差的地质因素有岩性、地层岩石孔隙度、岩石胶结性质、地层岩石埋藏深度4种，这些因素与岩石可钻性有密切的关系。其基本规律是：岩石孔隙度高、胶结致密、埋藏深度大者声波时差高，反之声波时差低。

大量的现场和室内实验证明，在同一地层时段不同岩性岩石的声波差值不同，与岩石岩性、岩石孔隙度、岩石胶结程度密切相关，其可钻性也不同（见表1）。

表1 相同地层不同岩性的声波时差与岩石可钻性统计表

由此可见，同一地层时段（平顶山砂岩）岩性岩石可钻性级值随声波时差增大而降低。

2.2 声波时差与岩层可钻性

以平顶山北部近三十年的煤孔实钻资料和声波时差测井资料为基础，通过统计分析岩石孔隙度和声波时差之间的关系，得出岩石孔隙度与声波时差具有线性相关（见图1），从而确定岩石孔隙度与岩石声波时差的经验公式，计算相关系数为0.92。

图1 声波时差与孔隙度关系图

本文以平顶山北部近三十年的229个煤孔实钻资料为基础，根据散点图（见图2）中数据的变化趋势，选用了幂函数、指数函数、对数函数等6种曲线拟合声波时差Δt和岩石可钻性级值Kd之间的关系，利用数理统计中最小二乘法原理，以相关系数r的值作为检验标准，建立岩石可钻性级值与声波时差的关系模型。通过分析比较，认为对数函数模型的相关性最好，故选定对数函数模型作为确定岩石可钻性的经验公式，其相关系数0.79。

图2 声波时差与可钻性关系图

式中：Δt——声波时差，μs/m；

Kd——可钻性级值，无量纲。

由此可见，声波时差越小,岩石越致密,岩石胶结程度越高，越难破碎,其可钻性级值越高。声波时差高，地层孔隙度也高，相应地，其可钻性降低。

根据建立的岩石可钻性经验公式，与该区平顶山砂岩的实钻资料对比分析，该段地层钻进进尺效率极低、钻头磨损严重，与平顶山砂岩坚硬致密、可钻性级值高相符。

3 钻头选型

根据现场煤孔钻井资料，在钻进平顶山砂岩地段，多采用金钢石钻进或钢粒钻进，金钢石钻头钻进成本高，钢砂钻进进尺缓慢、工期长，均达不到经济效果。

平顶山北部地热井、设计井深2800m，设计三开。由于井身结构复杂且大尺寸井眼井段较长，在钻进过程中将面临坚硬致密研磨性弱的平顶山砂岩、该段含水量较大，该层可钻性差，机械钻速慢，钻进成本高。为解决高效钻进的问题，对钻头选型要求较高。根据地层岩石可钻性级值初步推荐使用与地层匹配且适用性强的IADC编码为637系列牙轮钻头，钻头选型方案见表2。宽齿钻头主要适应在硬塑的致密砂岩、泥岩地层中使用，选用高钻压低转速的钻井参数，正常钻压0.5~1.1kN/mm,转速60~130r/min。

表2 钻头选型方案表

4 应用效果

该地热井与2020年8月份完井，设计井深2800m，实钻井深2248m，其中平顶山砂岩段共钻进98m，通过与已有类似钻孔比较，在钻进效率、钻头损耗方面有显著提升。选型前后比较见表3。

表3 选型前后钻头消耗对照表

5 结论及建议

（1）利用岩石声波时差与岩石可钻性之间的关系，利用数理统计方法建立平顶山北部平顶山砂岩地层岩石可钻性级值计算经验公式，确定了岩石可钻性规律，地层可钻性级值8~10，属硬—极硬地层。

（2）根据研究区平顶山砂岩的特性，优选HJ637G型牙轮钻头，备选HJ737G型牙轮钻头。

（3）建议开展高效钻具与钻头的匹配性研究，提高平顶山砂岩的钻井效率。

（4）研究其它物探技术资料与岩石物理性能的相关性，也应成为地层可钻性研究的一个拓展思路。

（5）收集地区钻孔资料，特别是钻头耗材的详细资料，并建立数据库，进行可钻性研究，指导地区钻头选型，对材料消耗、节能减排有着重要意义。