基于地质力学的可钻性分析方法研究——以塔里木盆地库车山前地区为例

王益民，张辉，陈胜，范坤宇，王志民

中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院（新疆库尔勒841000）

基于地质力学的可钻性分析方法研究
——以塔里木盆地库车山前地区为例

王益民，张辉，陈胜，范坤宇，王志民

中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院（新疆库尔勒841000）

塔里木盆地库车山前区域目前钻探以超深井为主，岩性较为复杂，钻井速度较慢、周期较长、成本较高。钻头参数的合理优化，地层可钻性的深入研究是提高钻速、优化钻井效率的重要环节。从地质力学的角度，在泥浆密度、三压力剖面、岩石物理研究成果的基础上，建立钻头参数与地层有限抗压强度的对应关系，进而形成适合库车山前的可钻性分析方法。得出如下结论：①现有的依靠实验研究法、测井资料法和数理统计法中单一的地层可钻性分析方法不能全面地确定地层的可钻性，因此必须综合应用多种资料，对地层的可钻性进行研究；②库车山前白垩系高研磨性地层通常是低钻速且可钻性差，低研磨性地层钻头磨损较小，可钻性较好，当钻头磨损率达到一定程度则需要考虑替换钻头，同时应兼顾现场实际情况和经济效益等因素，合理选取钻头；③基于地质力学，以钻头选型为导向，结合有限抗压强度和地层研磨性，实现地层可钻性的综合分析，同时利用前期地层的可钻性研究成果来指导相同区块预钻井的钻头选型与更替，从而提高钻井速度，减少钻井周期，该方法在钻井工程中具有很高的利用价值。

地层有限抗压强度；可钻性；地质力学；钻头优选；钻井速度

在钻井施工中，钻进不同的地层会表现出钻进难易程度的明显差异，有效破碎岩石的关键是对岩石的可钻性进行深入研究。可钻性是钻井过程中的一项基本数据，具有重要的应用价值，是钻井生产中地质分层、钻进方法选取、钻头选型、钻速预测和实行额定管理的主要依据。目前，国内外可钻性研究方法主要分为可钻性的实验研究法、测井资料法和数理统计法等，而在实际分析中，每种方法都有其局限性，影响可钻性的因素很多，不仅与地质力学、岩石机械特性有关，还与钻头本身参数密切相关，地层强度、硬度、研磨性、钻头削齿大小、齿数、刀翼数等参数的不同可钻性的结果也不同。此外，反复的计算技术也不适合实际应用，尤其是在库车山前。根据研究表明，库车山前4个构造区带新近系吉迪克组至白垩系纵向地层可钻性变化趋势由小到大依次为：玉东-英买力-羊塔克、秋里塔克、克依构造、库西地区。库西地区从古近系到白垩系，地层可钻性较上部地层变小，与其他3个构造区带地层可钻性变化趋势相异，而其他3个构造区带平均地层可钻性随井深增加而有所增加，再者该区块构造复杂，岩性复杂给钻井带来很大困难［1-3］。

基于地质力学、声学及钻井条件下岩石力学特性变化等对钻头进行优选，分析地层可钻性，这种方法是可钻性研究的理想方法之一。

表1 岩石硬度分类

1 可钻性参数优化方法

地层可钻性指数DBI衡量地层的可钻程度，可钻性指数越大，地层硬度越大、岩石强度随之增大。地层的研磨性主要反映岩石对钻头的磨损能力，在钻速模拟的过程中，钻头磨损率及地层有限抗压强度是关键参数［4-5］。首先，通过钻速模拟模型将钻压、钻头转速、有限抗压强度、钻头尺寸及钻头磨损率结合起来，模拟与实际钻速相吻合的最佳方案；其次，根据实际钻头参数（切齿密度、刀翼数、切齿齿径）与评价岩石机械特性（有限抗压强度、可钻性等）建立关系。从而找出最靠近实际钻速的模型，根据岩石机械特性与钻头参数建立的关系，结合钻头磨损率、地层研磨性辅助选择钻头，配合相关数据，优化钻头剖面形状，优选出适合该区块的钻头，从而达到对地层可钻性表征和研究的目的。

2 可钻性分析方法

2.1 地层有限抗压强度

当井眼形成后，井壁暴露部分为泥浆而非地层，钻头下方的地层不再承受上覆层的压力，岩石抗压强度不再是无限抗压强度UCS，而是受孔隙压力和地层渗透性影响的一个岩石抗压强度，定义为有限抗压强度CCS，泥浆密度的高低对地层有限抗压强度CCS有一定影响。有两种方法可用来评价地层有限抗压强度CCS：一种是Skempton法；另一种是实验法。根据实验结果，有限抗压强度与单轴抗压强度存在如下关系：

式（1）中：CCS为有限抗压强度，MPa；UCS为岩石单轴抗压强度，MPa；Pe为泥浆压力和孔隙压力之差，MPa；a、b在渗透性地层经验值为：a=0.013 3、 b=0.577，在非渗透性地层经验值为：a=0.004 3、b=0.782，钻井过程中钻头使用类型对岩石的有限抗压强度有非常高的依赖性，地层的有限抗压强度评价是钻头选型的基础，也是对地层可钻性分析的一项重要的参数。

为评价地层的有限抗压强度，引入2种模型，采用实验法的ACCS-经验模型和Skempton法的CCS-康普顿模型。图1为塔里木盆地库车山前克深区块X井的白垩系地层有限抗压强度模拟实例图，右边第一道（强度对比）为两种评价有限抗压强度的模型，ACCS-经验模型评价方法主要与地层单轴抗压强度UCS（右边第二道）和压差（Pe，泥浆压力与孔隙压力之差）有关；CCS-康普顿模型评价方法只受孔隙压力及地层渗透性影响。2种结果前者比后者数值偏小，优选过程中，结合岩样实验抗压强度，选出评价有限抗压强度合适的模型。

图1 X井有限抗压强度优化实例

2.2 地层可钻性

传统可钻性分级方法有：压入硬度法和微钻头钻进法。目前，以压入硬度法为参照，对岩石的可钻性级别进行划分，该方法是采用岩石力学性质来划分岩石的可钻性级别，据压入硬度值把岩石分为6类、12级，如表1所示。其中，强度与硬度之间存在如下近似关系（式（2）），即岩石硬度（P）约为强度的7倍以上，试验结果一般在7～20倍之间。

图2为库车山前克深区块X井的白垩系地层可钻性系数评价模型，图2中右边第一道是由压入硬度法划分的12个级别的可钻性指数Drillability（简称DBI）。根据可钻性指数DBI与抗压强度之间的关系说明压入硬度（抗压强度）法比较适合以测井为基础的可钻性关系建立。

图2 X井可钻性系数评价模型实例

2.3 地层岩石的研磨性

地层岩石的研磨性反映岩石对钻头的磨损能力，用切削具切削岩石时，它必然与岩石发生摩擦，在摩擦过程中，岩石磨损切削具的能力称为岩石的研磨性或磨蚀性。研磨性与岩石的矿物（或碎屑）硬度、硬矿物（或碎屑）的含量、表面粗糙程度、岩石结构强度等因素有关［6］。通常用岩石研磨系数来衡量地层岩石的研磨性，同时可以用摩擦磨损法确定研磨性系数，用式（3）表达：

式中：a为研磨性系数；N为接触压力，N；S为接触面积，mm2；P为摩擦面上的接触载荷（压力），N；V为单位摩擦行程的磨损量，cm3/m。

滑动摩擦力计算公式：F=N·U（U为动摩擦系数，仅与材料本身有关，摩擦系数相应于研磨系数）岩石按研磨性分类。常见岩石的单轴抗压强度、压入硬度分布，如表2所示。

研磨性系数可大致分为：①较低研磨性系数：盐岩、石膏、泥岩、板岩等（个位×10-6）；②低研磨性系数：碳酸岩、砂质泥岩等（十位×10-6）；③中研磨性系数：泥质砂岩、砂岩等（百位×10-6）；④高研磨性系数：砂砾岩、砾岩、石英砂岩等（千位×10-6）；⑤更高研磨性系数：花岗岩、角砾岩等（花岗岩2次结果有区别）。

表2 常见岩石强度、压入硬度分布

图3为研磨性系数评价模拟实例图，在塔里木盆地目前可钻性研究中，碎屑岩地层研磨性按3个级别划分（图3a），每个级别泥岩都加权参与；碳酸盐岩地层按2个级别划分（图3b），每个级别泥岩都加权参与。地层的研磨系数是钻头优选不可或缺的一项参数。

图3 研磨性系数评价模型实例

2.4 钻头参数优化

钻头自身参数与钻头的优选密切相关，是在前期地质力学及岩石机械特性基础上的重要部分。通过建立钻头参数与地层强度的关系优选更合适的钻头。通过建立关系图像如图4所示，可拟合出函数关系式：

1）切齿数（密度）：切齿数（Nc）与抗压强度（CCS）存在对数关系：

采用2点刻度即可获得a、b系数。

2）刀翼数：刀翼数（BLAD）与切齿数存在近似关系：

3）切齿齿径：切齿齿径（CUTS）与可钻性（DBI）及强度存在关联特征：

建立切齿数、刀翼数、切齿齿径与地层抗压强度及可钻性之间的关系，通过实例对其进行模拟，对钻头参数进行评价，从而实现其优选。

图4 钻头参数与岩石机械特性关系

2.5 钻速拟合验证

钻速拟合部分采用2种钻速模型，一种是考虑磨损的ROPq模型，另一种是未考虑磨损的ROPp模型。模拟过程中使用预测或实际钻头及钻井参数，进行ROP评价，调整模型参数、拟合实钻结果，从而优选出与实钻情况接近的模型。图5为X井白垩系地层的2种模型拟合情况，在模型参数可靠的情况下，模拟ROPq的效果与实际比较接近。

在图5右边第一道中为实钻钻速与2种模拟钻速对比情况：

第一种考虑钻头磨损的钻速模拟为红色实线，它是由Warren推导出牙轮钻头的钻井过程模型，后来由Hareland进行改进。该模型把钻速（ROP）、钻压、转速、岩石强度和钻头尺寸等关联起来。基本公式为：

图5 X井实钻钻速与模拟钻速拟合对比

第二种模型未考虑钻头磨损的钻速模拟为蓝色虚线，同样是结合钻速、钻压、转速、岩石强度和钻头关联起来。基本公式为：

Wf为磨损函数，无量纲；AB为岩石强度岩性系数，无量纲；DB为钻头直径，in；a、r为钻头系数，无量纲；p为每转的牙轮切割深度，ft；μ为泥浆塑性黏度，mPa·s；RPM为转速；WOB为钻压；ROP为机械钻速；G为钻头牙齿磨损变量。

对比结果中，模型ROPq模拟出的红色线更接近实际钻速，即第一种模拟（Hareland模型）更接近实际钻速（图中黑色虚线）。

2.6 钻头优选

在前部分各种方法、模型参数可靠的情况下，提取钻井“视抗压强度”及进行钻头磨损拟合，建立模型。抗压强度可以验证前期评价结果，钻头磨损、地层研磨性以及地层的可钻性可以辅助钻头选择。因此，结合以上参数模型对其进行综合分析。

图6为X井钻头综合优选模型，右边两道分别为强度对比道和钻头磨损道。在强度对比道中，蓝色的线代表钻井模型中实际的地层有限抗压强度，从对比的结果来看，实验法的ACCS-经验模型更接近实际的地层有限抗压强度。在钻头磨损道中蓝色的线代表研磨性系数，灰绿色的部分无量纲的磨损函数（Wf），磨损函数的值越大研磨性系数越大，说明地层对钻头的磨损越严重。通过与钻速对比道中实际钻速与模拟钻速对比可以得出：高磨损地层往往是钻速低；同样，钻速高的地层钻头磨损较小。当钻头磨损率达到一定程度则需要考虑替换钻头，从而对钻头进行优选。

在图6中，蓝色线代表该井的可钻性指数，结合钻速对比道和钻头磨损道可以看出，该区块白垩系低钻速高磨损的地层，可钻性指数较高，说明地层的可钻性较差；而高钻速低磨损的地层可钻性指数相对较低，即地层的可钻性较好。

图6 X井钻头优选成图

摄影/施兆国

3 结论

1）现有的依靠实验研究法、测井资料法和数理统计法中单一的地层可钻性分析方法不能全面地确定地层的可钻性，因此，必须综合应用多种资料，对地层的可钻性进行研究。

2）库车山前白垩系高磨损地层通常是低钻速且可钻性差，高钻速地层钻头磨损较小，可钻性较好，当钻头磨损率达到一定程度则需要考虑替换钻头，同时，应兼顾现场实际情况和经济效益等因素，合理选取钻头。

3）基于地质力学，以钻头选型为导向，结合有限抗压强度和地层研磨性，实现地层可钻性的综合分析，同时，利用前期地层的可钻性研究成果来指导相同区块预钻井的钻头选型与更替，从而提高钻井速度，减少钻井周期，该方法在钻井工程中具有很高的利用价值。

［1］张厚美，薛佑刚.岩石可钻性表示方法探讨［J］.钻采工艺，1999，22（1）：10-13.

［2］邓理，李黔，高自立.岩石可钻性评价方法研究新进展［J］.钻采工艺，2007，30（6）：27-29.

［3］熊继有，蒲克勇，周健.库车坳陷山前构造超深井岩石可钻性研究［J］.天然气工业，2009，29（11）：59-61.

［4］鲍挺，郑明明，张思渊.岩石可钻性研究方法与发展前景［J］.安徽建筑，2010（4）：73-74.

［5］王祯元，于钢，孔亮.浅谈钻井过程中钻遇岩石研磨性［J］.中国石油和化工标准与质量，2012，32（7）：150.

［6］邢纪国.岩石研磨性试验研究［J］.西部探矿工程，2003，15（3）：25-26.

At present，ultra-deep wells are mainly drilled in Kuche piedmont region of Tarim Basin.The complex lithology in this area causes low drilling speed，long drilling cycle and high drilling cost.The reasonable optimization of bit parameters and the further re⁃search of formation drillability is an important link to improve the drilling speed and optimize the drilling efficiency.The relationship be⁃tween the parameters of bit and the limited compressive strength of the strata was established from the view point of geological mechan⁃ics on the basis of the research results of mud density，three-pressure profile and rock physics，and a formation drillability analysis meth⁃od for Kuche piedmont region is formed.The following conclusions are drawn：（1）the existing drillability research methods of the single stratum based experiment，logging data and mathematical statistics can not fully determine the drillability of formation，and therefore，the study of the formation drillability must integrate a variety of data.（2）Cretaceous high abrasive stratum in the study area usually has low drilling speed and poor drillability，and low abrasive stratum has little bit wear and good drillability.When the drill bit is worn to a certain extent，it is required to be replaced，and the replacing bit should take into account the actual situation of the bit and economic benefit.（3）the analysis of formation drillability should comprehensively consider the limited compressive strength and drillability of for⁃mation based on the selection of bit type.At the same time，the research results of the formation drillability can be used for guiding the selection type and the replacement of the bit used in the same area to improve the drilling speed and reduce the drilling cycle.This meth⁃od has high utilization value in drilling engineering.

limited compressive strength of formation；drillability；geological mechanics；bit selection；drilling speed

尉立岗

2016-06-30

王益民（1989-），男，硕士，现主要从事地质力学研究。