基于测井资料的渤中34-9油田火成岩地层抗钻特性评价

彭超 邓津辉 谭忠健 秦艳艳 袁亚东 姚强

1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司；2.中海石油(中国)有限公司天津分公司；3.中海油服油田技术事业部塘沽作业公司

渤中34-9油田位于渤海南部海域，其构造位于黄河口凹陷中洼南斜坡带。油田新近系、古近系多层系含油，复式成藏。但该区域地质条件复杂，沙河街组和东营组存在多期火山运动，主要含油目的层段内部和上部均有火成岩发育。横向上，火成岩分布范围广且变化大；纵向上，火成岩主要分布于东营组东一段、东二上段和东二下段，分布层段多、厚度大。已钻井资料揭示，研究区火成岩地层主要以玄武岩、凝灰岩、凝灰质砂/泥岩为主，该地层平均机械钻速低、钻头磨损程度大等特点，对钻井作业时效产生严重影响。为充分了解研究区火成岩地层岩石抗钻特性，提高整体作业时效，基于渤中34-9油田已钻井测井资料及岩石力学数据，创建了火成岩地层抗钻特性参数与测井声波时差之间的预测模型，建立了研究区火成岩地层抗钻特性剖面并对其进行了分析评价，为油田火成岩地层钻头优选［1］、钻具组合优选提供重要依据。

1 理论基础

岩石在施加一定载荷的作用下可视为弹性体，依据弹性波动理论，岩石波速与地层岩石力学参数之间存在以下关系［2］。

式中，Ed为弹性模量，MPa； µd为泊松比；vp、vs分别为纵波速度、横波速度，m/s；ρ为地层岩石密度，kg/m3。

纵、横波速与纵、横波时差的转换关系为

通过式(1)和式(2)可知，声波波速与岩石弹性模量、泊松比及密度呈特定的函数关系，而弹性模量、泊松比、密度是描述岩石弹性形变、岩石可钻性的主要参数。研究显示［2-8］，岩石的可钻性、抗压强度、抗剪强度与声波时差存在某种特定的关系，因此，通过声波波速与声波时差之间的转换，并确定火成岩地层声波时差与地层抗钻特性参数之间的关系，便可对油田火成岩地层抗钻特性进行评价。

2 岩石力学参数的求取

2.1 岩石可钻性

根据已钻井资料，选取现场钻遇火成岩地层的平均钻时，并利用可钻性级值公式［2］对火成岩可钻性级值进行计算。

式中，kd为岩石可钻性级值；T为平均钻时，min/m。

2.2 岩石抗压强度

基于测井资料，利用抗压强度公式［2］计算油田火成岩地层岩石抗压强度。

式中，σc为岩石抗压强度，MPa；Vsh为泥质含量，%。

2.3 岩石抗剪强度

通过测井资料，运用抗剪强度公式［2］对火成岩抗剪强度进行计算。

式中，Ss为 岩石抗剪强度，MPa；a为岩石体积压缩系数，MPa−1；K为岩石体积模量，MPa。

综合上述油田火成岩地层岩石抗钻特性参数计算方法，并结合测井资料中获取的火成岩对应深度的声波时差数据，最终实验数据如表1所示。

表1 火成岩地层部分岩石抗钻特性参数实验数据Table 1 Experimental results of part of anti-drilling parameters of the igneous rock interval

3 预测模型建立

根据声波时差与岩石可钻性、抗压强度、抗剪强度等抗钻特性参数的相关性，利用数理统计学方法，以声波时差为自变量，其他抗钻特性参数为因变量，对油田火成岩地层岩石可钻性级值、抗压强度、抗剪强度等抗钻特性参数进行数学回归分析，以相关系数R作为判断标准，建立油田火成岩地层抗钻特性参数预测模型［9-13］。

3.1 岩石可钻性预测模型

油田火成岩地层岩石可钻性级值与测井纵波时差的相关性最好，且两者呈指数函数关系，其拟合曲线如图1所示。

图1 火成岩地层纵波时差与可钻性级值关系Fig.1 P-wave interval transit time vs.rock drillability for the igneous rock

火成岩地层岩石可钻性级值与声波时差的关系模型为

设置显著性水平α=0.05，根据相关检验系数表临界值R0.05=0.63，R≥R0.05，证明回归方程是高度显著的。

3.2 岩石抗压强度预测模型

油田火成岩地层岩石抗压强度与测井纵波时差的相关性最好，且两者呈指数函数关系，其拟合曲线如图2所示。

图2 火成岩地层纵波时差与岩石抗压强度关系Fig.2 P-wave interval transit time vs.rock compressive strength for the igneous rock

火成岩地层岩石抗压强度与声波时差的关系模型为

设置显著性水平α=0.05，根据相关检验系数表临界值R0.05=0.63，R≥R0.05，说明回归方程是高度显著的。

3.3 岩石抗剪强度预测模型

研究表明［14］，测井资料中的横波时差可以较好地反映地层岩石的剪切形变特性，而岩石的抗剪强度则是反映岩石抵抗剪切破坏的能力，因此通过确定测井横波时差与抗剪强度的相关关系，便可建立预测模型对火成岩地层抗剪强度进行评价。

油田火成岩地层岩石抗剪强度与测井横波时差呈指数函数关系，其拟合曲线如图3所示。

图3 火成岩地层横波时差与岩石抗剪强度关系Fig.3 S-wave interval transit time vs.rock shear strength for the igneous rock

得出的火成岩地层岩石抗剪强度与横波时差的关系模型为

设置显著性水平α=0.05，查询相关检验系数表临界值R0.05=0.63，R≥R0.05，因此回归方程是高度显著的。

3.4 抗钻特性预测模型的验证

为检验上述油田火成岩地层抗钻特性预测模型的准确性，在已钻井资料基础上，选取部分火成岩实测抗钻特性参数和预测模型数据进行对比验证，结果如表2所示。

由表2对比结果可看出，火成岩地层岩石可钻性级值、抗压强度、抗剪强度的预测精度高达90%左右，证明创建的抗钻特性预测模型准确性较高，满足工程应用需要。

表2 渤中34-9油田火成岩地层抗钻特性预测模型对比验证结果Table 2 Validation of the anti-drilling property prediction model of the igneous rock in the Bozhong 34-9 oilfield

4 火成岩地层抗钻特性评价及应用

结合已钻井资料和测井资料，通过建立的地层抗钻特性预测模型，对渤中34-9油田B井东营组火成岩地层岩石的可钻性、抗压强度、抗剪强度等进行了数学分析，并建立了火成岩地层抗钻特性剖面(图4)，根据剖面分析可知，岩性组合特征主要为凝灰质泥岩与玄武质泥岩、凝灰质细砂岩、凝灰岩、玄武岩及沉凝灰岩不等厚互层。火成岩地层可钻性级值介于6.12~9.48之间。玄武岩抗压强度90.62~113.00 MPa，抗剪强度 29.71~ 46.13 MPa；玄武质泥岩抗压强度 60.04~89.68 MPa，抗剪强度 22.46~32.34 MPa；凝灰质泥岩抗压强度 32.86~38.49 MPa，抗剪强度13.82~19.80 MPa；凝灰质细砂岩抗压强度36.78~54.42 MPa，抗剪强度 11.10~19.27 MPa；沉凝灰岩抗压强度29.32~40.74 MPa，抗剪强度11.53~15.04 MPa。总体而言，东营组火成岩地层属于中-硬~硬地层，具有岩石抗压强度高、抗剪切能力强、地层可钻性差的特点。

综合上述火成岩地层抗钻特性分析，建议使用对火成岩攻击性较强的5刀翼Ø19 mm齿PDC钻头，该钻头的特点为岩石剪切载荷由“点”向“面”分解，可有效提高钻头切削速度、抗疲劳损伤及抗冲击能力，增加钻头在硬夹层中的寿命，有助于提高机械钻速。同时现场作业可搭配复合型扭力冲击器进行钻进，通过犁切和扭冲高频冲击的方式，有效提高破岩效率。

5刀翼PDC钻头+复合型扭力冲击器的钻具组合在数十口井中成功应用，火成岩地层机械钻速较之前平均提高20%左右，单只钻头进尺超2 800 m，现场钻井提速显著。

5 结论

(1)研究区火成岩地层岩石力学参数与声波数据具有很好的响应关系，由此可回归建立岩石抗钻特性参数预测模型，对比实测数据与预测模型数据，预测精度可达90%，满足研究区工程作业需求。

(2)实钻结果表明，根据研究区火成岩地层抗钻特性预测结果优选钻具组合，可有效提高火成岩地层钻井作业效率，能够为油田实现优快钻井提供有力技术支持。

(3)渤海地区火成岩地层岩性复杂多样，3种预测模型仅在研究区具有较好的适用效果，随着渤海油田勘探开发的深入，以古潜山为主要目的层的深部、超深部地层火成岩分布较广，下步将对火成岩地层抗钻特性预测模型进行迭代升级，加强预测模型的适用性。