岩屑掉块深度归位方法研究及其在CT 1井的应用

段胜强 段宏臻 黄 振 王 军 付 新 李会光

（①中国石油集团测井有限公司青海分公司；②中国石油天然气股份有限公司青海油田公司勘探开发研究院）

0 引言

随着各油田区块勘探程度的加深，深井、超深井的开发逐渐成为主流，大斜度井、水平井、平台井等复杂井型逐渐成为主要的勘探方式[1]，岩屑返出难度增大、岩屑掉块数量增加，给起下钻带来困难甚至导致卡钻。目前，钻井工艺多使用“螺杆+PDC”钻进，导致返出地表的岩屑颗粒越来越碎，现场施工人员一般通过岩屑掉块的颜色、形状以及颗粒大小和数量，凭借经验判断岩屑掉块归属问题，由于不同人员现场经验不同，导致判别结果差别大，影响到钻井施工安全和施工方案制定的时效性。

在钻录井施工现场出现的岩屑掉块，其粒径比正常岩屑大几倍甚至几十倍，基本等同于井壁或者地层取心，地质工程师可根据岩屑掉块信息观察，识别地层信息、井壁的稳定性以及地层岩性信息，为现场制定钻井施工措施提供依据[2-4]。然而由于井底返出岩屑掉块也预示着井下存在井壁失稳情况，如不加以重视，随着井深增加、掉块量增多和地层应力释放程度增强，返出的岩屑掉块会越来越多，加上井底存在未返出的岩屑掉块，势必会造成遇阻、卡钻风险。本文利用合理的岩屑掉块深度归位方法，对岩屑掉块进行正确归位，解决岩屑掉块的来源、归属问题，为完善钻井施工方案、保障钻井顺利施工、缩短施工工期提供了数据支撑。

1 岩屑掉块深度归位方法

钻井施工过程中，井底不可避免返出岩屑掉块，在地质工程一体化理念的指引下[5]，通过岩性对比归位法、起下钻遇阻迟到时间法、元素数据曼哈顿距离法、邻井对比法和定量荧光图谱对比法5 种方法对岩屑掉块进行正确归位来还原地层剖面，优化钻井施工方案，进而规避由于井壁失稳、坍塌导致的恶性工程复杂事故。

1.1 岩性对比归位法

从井底返出的正常岩屑或岩屑掉块是井下地层信息的直接反映。正常岩屑按照深度的增加可以逐渐复原地层剖面；岩屑掉块则是指从裸眼井段内上返至井口的岩屑，是评价井壁稳定性的指标。如果未能及时制止岩屑掉块的产生，随着其数量增多，将引起卡钻或者井壁失稳坍塌，造成前期钻进成果功亏一篑[5]。

地质工程师按照岩屑返出的深度数据，复原地层剖面，当无井深标记的岩屑掉块随着钻井液上返至井口时，根据岩屑掉块的颜色、形状、颗粒大小以及岩性可以初步判定岩屑掉块的位置，如果将岩屑掉块的岩性与上述地层进行对比分析，则能够更确切地判断掉块在裸眼井段的位置，进而避免在此位置进行划眼或者循环等工序。

图1所示岩屑掉块是在划眼期间返出的，因此掉块的归位深度小于钻头所在的位置，掉块岩性与归位地层深度的岩性一致才能确认该掉块的位置。图示掉块岩性为棕褐色泥岩、泥质粉砂岩，参考这些掉块颜色去上述地层寻找类似岩性，并初步归位于对应井深。

图1 掉块岩性归位井段（2 500～2 520 m）

从复原地层岩性剖面来看，裸眼井段主要为棕褐色砂泥岩，其中存在少量灰色砂泥岩，而掉块岩性主要以棕褐色泥质粉砂岩为主，纵观复原地层岩性剖面，在井段2 500～2 520 m 岩性以泥质粉砂岩、粉砂岩为主，岩性粒径较粗，砂岩连续厚度大于上下井段，并且砂岩地层又夹少量泥岩，故推断此掉块归位于井段2500～2520 m。

图2掉块为钻头位置2366 m附近划眼时返出，从掉块岩性上看，基本属于棕褐色、灰色砂泥岩，而棕褐色和灰色代表两种不同的沉积环境，在互层沉积时或多或少存在一定的不整合接触，再次钻进至此类地层势必会造成不同程度的应力释放，导致出现掉块。在上述裸眼地层岩性剖面中，井段2 250～2 330 m 基本是以棕褐色、灰色砂泥岩互层为主，预示着在该井段由于氧化还原环境的变化，导致地层岩性呈棕褐色、灰色互层，而岩屑掉块也基本属于棕褐色、灰色岩性，所以掉块归位于2 250～2 330 m，应避免在该井段进行划眼、循环等工序。

图2 掉块岩性归位井段（2250～2330 m）

1.2 起下钻遇阻迟到时间法

在起下钻过程中，遇到悬重吨位变化较小的遇阻或遇卡点时，采用上下活动钻具往往返出较少量的岩屑掉块；但是在遇到悬重吨位变化较大的遇阻或者遇卡点时，需多次上下活动钻具才能通过，再次开泵循环时往往会出现较多量的、颗粒较大的岩屑掉块。在实际划眼过程中，划眼的钻头多次在同一个位置上下活动钻具，开泵循环后掉块也在一个迟到时间后随之返出，此时录取的掉块基本归属于划眼位置。

图3 左图为下钻至井深2 374 m 遇阻开泵划眼录井曲线，划眼持续时间为170 min，结合井内钻具组合、泵冲排量计算该井深迟到时间为98 min，按照遇阻井段以及迟到时间，在开泵后约98 min录取的岩屑掉块即是遇阻点（2374 m）附近井壁脱落下来的掉块。图3右图岩屑掉块是在井段2371～2380 m录取的，经核实与岩性剖面推断出来的该剖面的岩性相一致，因此根据迟到时间来归位岩屑掉块层位的方法可行。

图3 掉块岩性归位划眼井段（2371～2380 m）

1.3 元素数据曼哈顿距离法

地壳中岩石所含元素的数量和种类是固定的，但不同岩石中元素的比例却不尽相同，利用元素分析仪对掉块岩屑中元素的种类和数量进行分析，结合各个元素的占比就能较好地拟合出该岩屑的种类，甚至确定出该岩屑的名称。在实际施工过程中，这种方法可以用来确认岩屑颗粒较小、岩屑较为罕见以及特殊的标志层，进而指导现场施工。

利用岩屑元素种类的多样性，结合数学算法，对整个裸眼井段的岩屑和岩屑掉块进行元素分析，形成元素数据库，利用元素数据库分析结果对岩屑掉块与整个裸眼井段进行比对，能够更准确地判定岩屑掉块的位置。

曼哈顿距离是表征岩屑掉块元素分析值与裸眼井段元素数据库中相同元素之间距离的绝对值，掉块元素值与裸眼井段元素数据库中相同元素的距离值的绝对值累加之和即为曼哈顿距离，当曼哈顿距离最小时，判定裸眼井段与岩屑掉块层位距离最为相近。其公式如下[1]：

式中：dkj为第k个掉块元素值与第j个全井样品元素值之间的曼哈顿距离，m。

当dkj最小时，第k个掉块元素值与第j个全井样品元素值最为相近，此时可将第k个掉块归位于第j个全井样品的解释结果，表明裸眼井段与岩屑掉块层位一致。

在实际钻进过程中，出现岩屑掉块时往往持续几米甚至十几米。CT 1井在实际钻进至井深3898 m时钻时高于上下井段，悬重变化较大，有遇阻现象，在此处井深经过一个岩屑迟到时间录取3块返出的岩屑掉块进行元素分析，将分析结果与裸眼井段元素数据进行比对，结果如表1 所示。由于计算出的曼哈顿距离值较小，不便于比较，先求取曼哈顿距离之和平方根再进行比较，取3 块岩屑掉块曼哈顿距离之和平方根最小者对应的深度为掉块归位深度，计算出归位深度与实际钻进过程中遇阻井段基本吻合。

表1 CT 1井掉块根据元素数据利用曼哈顿距离法计算归位深度

1.4 邻井对比法

在构造相对较稳定的区域，地层应力的集中或释放也位于某个固定的区域，正钻井和已钻井会在同样的构造位置出现类似的岩屑掉块，施工现场可以利用此方法提前预判可能出现井壁失稳的井段。钻进过程中，由于工程复杂引起原井眼不能继续施工，现场采取侧钻钻进，侧钻钻进至相同层位时所出现的地质现象与原井眼基本一致，不管是施工原因还是地层应力释放原因，原井眼和侧钻井眼钻进时基本都会出现掉块。但在侧钻时采取一定的措施保护井壁，侧钻井段掉块也会随之减少。

实际施工过程中，原井眼出现掉块的层位或者井深，在侧钻时同样也会出现掉块（图4），侧钻施工中吸取原井眼的经验教训，采取一定的措施稳定井壁，可减少侧钻钻进过程中出现的掉块数量；不同的施工状态会影响岩屑掉块返出数量，从原井眼、侧井眼复原地层剖面来看可以推断出可能出现岩屑掉块的位置，及时采取一定的措施避免发生卡钻等工程复杂事故。

图4 原井眼和侧钻井眼同层位掉块

1.5 定量荧光图谱对比法

随着定量荧光分析技术的迭代更新，定量荧光分析技术已经成为综合录井不可或缺的一项技术手段。该技术以岩屑为分析对象，对已知深度和未知深度的岩屑掉块均可分析其属性。钻进过程中的掉块比划眼作业中出现的掉块更容易归位，并且归位深度与正常返出岩屑的深度较接近。在已经明确已钻井段岩屑定量荧光图谱特征的情况下，对未知深度的岩屑掉块进行定量荧光分析后得出图谱，将其图谱与整个裸眼井段的定量荧光图谱进行对比（图5），根据图谱的外观形状、颜色深浅、激发波长和发射波长大小、荧光强度、含油浓度、荧光级别、油性指数等特征进行综合分析对比，筛选出与岩屑掉块定量荧光图谱一致的正常岩性图谱，进而进行掉块深度归位，即可确定岩屑掉块的归属位置。

2 岩屑掉块归位深度确定原则

在钻井施工过程中，可采用多种技术手段进行综合分析得出岩屑掉块归位深度，并可以相互验证，使岩屑掉块归位深度更准确，更接近其在井内的实际位置。

本文介绍的5 种掉块深度归位方法，在实际使用中根据表2 的匹配原则来确定岩屑掉块的归位深度。

表2 岩屑掉块深度判定法匹配原则

当5 种计算方法归位深度为同一深度时，则岩屑掉块判定为该深度值；当出现3 种及3 种以上计算方法判定岩屑掉块深度为同一深度时，则认定岩屑掉块深度与之匹配；当出现至少2 种及2 种以上计算方法判定出的岩屑深度不一致时，则认定该分析数据超出正常岩屑分析井段，岩屑掉块不予判定深度。

3 应用效果

3.1 岩屑掉块归位应用

CT 1 井是部署在柴达木盆地咸东地区咸东一号构造上的一口重点探井，钻进过程中出现严重的岩屑掉块，由于井壁失稳，严重影响施工周期，录井技术人员根据文中介绍的5种屑掉块深度归位方法综合分析岩屑掉块信息，将岩屑掉块进行逐一归位，满足3种方法结果相同，按照判定原则对岩屑掉块进行归位深度判定（图6）。现场划眼出现的岩屑掉块归位深度基本位于2 360 m 和2 430 m 附近，并且岩屑掉块岩性为棕红色泥岩、砂质泥岩，在2 624 m 出现灰色稳定地层后，及时向建设方建议中完。由于为建设方决策中完井深和缩短处理复杂时间提供了较好的数据支撑，使钻井施工周期较原来缩短33%。

图6 CT 1井岩屑掉块归位深度判定

3.2 岩屑掉块归位深度与电测数据相互印证

根据上述方法将钻井施工中岩屑掉块归位至相应的井深后，向钻井队、电测队提示相应的风险预告，为施工过程中规避岩屑掉块井段，或在岩屑掉块井段采取合理的措施消除隐患。电测之后的井径数据可以反过来验证电测之前提示岩屑掉块归位井段的正确性。电测之前提示电测小队，录井过程中在井深2440 m 出现掉块，存在井径扩大情况。实际电测结果表明，CT 1 井与邻近的C 8 井在同等构造埋深处均表现出相应的井径扩大特征，通过录井与电测数据之间相互印证后（图7），数据有效可靠，值得推广。

图7 岩屑掉块归位深度与井径数据验证

4 结论与展望

（1）合理利用岩屑掉块信息，发挥其优势，摒弃其劣势，可更好地弥补复原地质剖面、钻井工程施工方案方面的欠缺。在地质工程一体化理念的指引下，录井技术在复原地质剖面、监测钻井工程复杂、降低施工作业风险、辅助缩短施工周期上发挥着不可替代的作用。

（2）录井采集数据较多，可以利用大数据或者数学计算公式综合分析元素数据，做到精确计算，精准应用，借助地质工程师收集、汇总、分析区域邻井资料的能力更好地发挥录井技术优势。

（3）井壁稳定性一直是钻井施工的一项难点，施工前往往难以预测具体井壁失稳井段，而施工中多以经验为主导，综合利用本文提出的岩性对比法等5 种方法能较好地评价岩屑掉块的属性，对其进行深度归位，采取一定的措施保护井壁稳定。

（4）该方法在CT 1 井施工现场成功判别岩屑掉块归位井段，辅助现场施工。后续随着井数的增加，有助于研究柴达木盆地咸东地区咸东一号构造井壁失稳的分布规律，为地质工程一体化提供技术支撑。