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

彭超,邓津辉,谭忠健,秦艳艳,袁亚东,姚强. 基于测井资料的渤中34-9油田火成岩地层抗钻特性评价[J]. 石油钻采工艺,2022,44(2):186-190 doi:  10.13639/j.odpt.2022.02.008
引用本文: 彭超,邓津辉,谭忠健,秦艳艳,袁亚东,姚强. 基于测井资料的渤中34-9油田火成岩地层抗钻特性评价[J]. 石油钻采工艺,2022,44(2):186-190 doi:  10.13639/j.odpt.2022.02.008
PENG Chao, DENG Jinhui, TAN Zhongjian, QIN Yanyan, YUAN Yadong, YAO Qiang. Well logging-based anti-drilling property evaluation of igneous rock in Bozhong 34-9 oilfield[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(2): 186-190 doi:  10.13639/j.odpt.2022.02.008
Citation: PENG Chao, DENG Jinhui, TAN Zhongjian, QIN Yanyan, YUAN Yadong, YAO Qiang. Well logging-based anti-drilling property evaluation of igneous rock in Bozhong 34-9 oilfield[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(2): 186-190 doi:  10.13639/j.odpt.2022.02.008

基于测井资料的渤中34-9油田火成岩地层抗钻特性评价

doi: 10.13639/j.odpt.2022.02.008
基金项目: 中海石油(中国)有限公司天津分公司科研项目“渤海典型区块第三系裂缝预测技术及在钻井工程中的应用”(编号:CCL2020TJX0NST1300)
详细信息
    作者简介:

    彭超(1990-),2014年毕业于东华理工大学资源勘查专业,2019年毕业于中国地质大学(北京)石油与天然气工程专业,获硕士学位,现从事石油地质工作,工程师。通讯地址:(300459)天津市滨海新区海川路渤海石油管理局C座806。E-mail:pengchao2@cnooc.com.cn

  • 中图分类号: TE21

Well logging-based anti-drilling property evaluation of igneous rock in Bozhong 34-9 oilfield

  • 摘要: 渤中34-9油田东营组火成岩地层平均机械钻速较低,对钻井作业时效影响较大,为此进行了火成岩地层岩石力学特性研究。基于现场测井资料计算出的岩石力学数据,运用数理统计学方法建立了研究区火成岩地层抗钻特性与测井声波时差间的关系模型,并利用模型对火成岩地层抗钻特性进行分析评价。研究结果表明,综合运用测井资料及岩石数据建立地层抗钻特性参数剖面, 能较好地反映该区火成岩的真实情况,岩石可钻性、抗压强度和抗剪强度的预测精度可达90%左右,在此基础上优选的钻头及钻具组合应用数十口井,火成岩地层机械钻速平均提高20%左右,有效提高了研究区块的提速提效水平。
  • 图  1  火成岩地层纵波时差与可钻性级值关系

    Figure  1.  P-wave interval transit time vs. rock drillability for the igneous rock

    图  2  火成岩地层纵波时差与岩石抗压强度关系

    Figure  2.  P-wave interval transit time vs. rock compressive strength for the igneous rock

    图  3  火成岩地层横波时差与岩石抗剪强度关系

    Figure  3.  S-wave interval transit time vs. rock shear strength for the igneous rock

    图  4  渤中34-9油田B井火成岩地层抗钻特性剖面

    Figure  4.  Anti-drilling parameter profile of the igneous rock interval of Well B, the Bozhong 34-9 oilfield

    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

    岩性可钻性级值抗压强度/
    MPa
    抗剪强度/
    MPa
    纵波时差/
    (μs · m−1)
    横波时差/
    (μs · m−1)
    凝灰岩6.00105.1031.46223.69473.13
    凝灰质泥岩6.3644.6214.20299.18603.74
    玄武质泥岩7.1972.1021.80258.73532.15
    玄武岩7.58121.8541.72195.60409.22
    凝灰质细砂岩5.9431.2710.74329.82669.39
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    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

    岩性可钻性级值抗压强度抗剪强度
    预测实测误差/%预测/MPa实测/MPa误差/%预测/MPa实测/MPa误差/%
    凝灰质泥岩5.505.068.0433.2732.731.6314.3615.437.47
    玄武岩7.127.8510.10121.47114.805.4843.8941.625.17
    玄武质泥岩6.286.533.9964.4063.062.0824.2222.507.11
    凝灰岩6.046.599.1253.3352.641.2920.5520.520.12
    凝灰质细砂岩5.475.846.7532.4332.011.2912.2110.9610.22
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出版历程
  • 修回日期:  2022-01-19
  • 网络出版日期:  2022-09-19
  • 刊出日期:  2022-09-19

基于测井资料的渤中34-9油田火成岩地层抗钻特性评价

doi: 10.13639/j.odpt.2022.02.008
    基金项目:  中海石油(中国)有限公司天津分公司科研项目“渤海典型区块第三系裂缝预测技术及在钻井工程中的应用”(编号:CCL2020TJX0NST1300)
    作者简介:

    彭超(1990-),2014年毕业于东华理工大学资源勘查专业,2019年毕业于中国地质大学(北京)石油与天然气工程专业,获硕士学位,现从事石油地质工作,工程师。通讯地址:(300459)天津市滨海新区海川路渤海石油管理局C座806。E-mail:pengchao2@cnooc.com.cn

  • 中图分类号: TE21

摘要: 渤中34-9油田东营组火成岩地层平均机械钻速较低,对钻井作业时效影响较大,为此进行了火成岩地层岩石力学特性研究。基于现场测井资料计算出的岩石力学数据,运用数理统计学方法建立了研究区火成岩地层抗钻特性与测井声波时差间的关系模型,并利用模型对火成岩地层抗钻特性进行分析评价。研究结果表明,综合运用测井资料及岩石数据建立地层抗钻特性参数剖面, 能较好地反映该区火成岩的真实情况,岩石可钻性、抗压强度和抗剪强度的预测精度可达90%左右,在此基础上优选的钻头及钻具组合应用数十口井,火成岩地层机械钻速平均提高20%左右,有效提高了研究区块的提速提效水平。

English Abstract

彭超,邓津辉,谭忠健,秦艳艳,袁亚东,姚强. 基于测井资料的渤中34-9油田火成岩地层抗钻特性评价[J]. 石油钻采工艺,2022,44(2):186-190 doi:  10.13639/j.odpt.2022.02.008
引用本文: 彭超,邓津辉,谭忠健,秦艳艳,袁亚东,姚强. 基于测井资料的渤中34-9油田火成岩地层抗钻特性评价[J]. 石油钻采工艺,2022,44(2):186-190 doi:  10.13639/j.odpt.2022.02.008
PENG Chao, DENG Jinhui, TAN Zhongjian, QIN Yanyan, YUAN Yadong, YAO Qiang. Well logging-based anti-drilling property evaluation of igneous rock in Bozhong 34-9 oilfield[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(2): 186-190 doi:  10.13639/j.odpt.2022.02.008
Citation: PENG Chao, DENG Jinhui, TAN Zhongjian, QIN Yanyan, YUAN Yadong, YAO Qiang. Well logging-based anti-drilling property evaluation of igneous rock in Bozhong 34-9 oilfield[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(2): 186-190 doi:  10.13639/j.odpt.2022.02.008
  • 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。

    • 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]

      $$ {E}_{\mathrm{d}}=\frac{\rho {{v}_{\mathrm{s}}}^{2}\left (3{v}_{\mathrm{p}}^{2}-4{v}_{\mathrm{s}}^{2}\right)}{{v}_{\mathrm{p}}^{2}-{v}_{\mathrm{s}}^{2}} $$ (1)
      $$ {\mu }_{\mathrm{d}}=\frac{{v}_{\mathrm{p}}^{2}-2{v}_{\mathrm{s}}^{2}}{2\left ({v}_{\mathrm{p}}^{2}-{v}_{\mathrm{s}}^{2}\right)} $$ (2)

      式中,$ {E}_{\mathrm{d}} $为弹性模量,MPa;$ {\mu }_{\mathrm{d}} $为泊松比;$ {v}_{\mathrm{p}}\mathrm{、}{v}_{\mathrm{s}} $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

      $$ {\mathrm{\Delta }t}_{\mathrm{p}}=\frac{1}{{v}_{\mathrm{p}}} \text{,} {\mathrm{\Delta }t}_{\mathrm{s}}=\frac{1}{{v}_{\mathrm{s}}} $$ (3)

      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。

    • 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。

      $$ {k}_{\mathrm{d}}={\mathrm{log}}_{2}T $$ (4)

      式中,kd为岩石可钻性级值;T为平均钻时,min/m。

    • 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。

      $$ {\sigma }_{\mathrm{c}}=0.0045{E}_{\mathrm{d}}\left (1-{V}_{\mathrm{s}\mathrm{h}}\right)+0.008{V}_{\mathrm{s}\mathrm{h}}{E}_{\mathrm{d}} $$ (5)

      式中,$ {\sigma }_{\mathrm{c}} $为岩石抗压强度,MPa;$ {V}_{\mathrm{s}\mathrm{h}} $为泥质含量,%。

    • 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。

      $$ {S}_{\mathrm{s}}=0.25{\sigma }_{\mathrm{c}}/a $$ (6)
      $$ a=1/K $$ (7)
      $$ K=\rho \left({{v}_{\mathrm{p}}}^{2}-\dfrac{4}{3}{{v}_{\mathrm{s}}}^{2}\right) $$ (8)

      式中,$ {S}_{\mathrm{s}} $为岩石抗剪强度,MPa;$ a $为岩石体积压缩系数,MPa−1K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

      岩性可钻性级值抗压强度/
      MPa
      抗剪强度/
      MPa
      纵波时差/
      (μs · m−1)
      横波时差/
      (μs · m−1)
      凝灰岩6.00105.1031.46223.69473.13
      凝灰质泥岩6.3644.6214.20299.18603.74
      玄武质泥岩7.1972.1021.80258.73532.15
      玄武岩7.58121.8541.72195.60409.22
      凝灰质细砂岩5.9431.2710.74329.82669.39
    • 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]

    • 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

      Figure 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

      $$ {k}_{\mathrm{d}}=10.903{\mathrm{e}}^{-0.002{t}_{\mathrm{p}}} \text{,}R=0.96 $$ (9)

      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,RR0.05,证明回归方程是高度显著的。

    • 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

      Figure 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

      $$ {\sigma }_{\mathrm{c}}=1019.7{\mathrm{e}}^{-0.01{t}_{\mathrm{p}}} \text{,}R=0.994 $$ (10)

      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,RR0.05,说明回归方程是高度显著的。

    • 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

      Figure 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

      $$ {S}_{\mathrm{s}}=385.89{\mathrm{e}}^{-0.005{t}_{\mathrm{s}}} \text{,}R=0.997 $$ (11)

      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,RR0.05,因此回归方程是高度显著的。

    • 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。

      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

      岩性可钻性级值抗压强度抗剪强度
      预测实测误差/%预测/MPa实测/MPa误差/%预测/MPa实测/MPa误差/%
      凝灰质泥岩5.505.068.0433.2732.731.6314.3615.437.47
      玄武岩7.127.8510.10121.47114.805.4843.8941.625.17
      玄武质泥岩6.286.533.9964.4063.062.0824.2222.507.11
      凝灰岩6.046.599.1253.3352.641.2920.5520.520.12
      凝灰质细砂岩5.475.846.7532.4332.011.2912.2110.9610.22

      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。

    • 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。

      图  4  渤中34-9油田B井火成岩地层抗钻特性剖面

      Figure 4.  Anti-drilling parameter profile of the igneous rock interval of Well B, the Bozhong 34-9 oilfield

      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。

    • (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。

参考文献 (14)

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