引用本文
胡宗敏, 张立刚, 罗光东, 王曲, 邓圣甲, 冯伟. 基于元素录井的深层火成岩抗钻特性评价[J]. 录井工程, 2023,34(1): 24-28.
HU Zongmin, ZHANG Ligang, LUO Guangdong, WANG Qu, DENG Shengjia, FENG Wei. Evaluation of anti-drilling properties of deep igneous rocks based on element logging[J]. Mud Logging Engineering, 2023,34(1): 24-28.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2023.01.004  
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基于元素录井的深层火成岩抗钻特性评价
胡宗敏①, 张立刚②, 罗光东③, 王曲①, 邓圣甲①, 冯伟①
①中国石油大庆钻探工程公司录井一公司
②东北石油大学
③中国石油大庆钻探工程公司致密气项目经理部

作者简介：胡宗敏 高级工程师,1980年生,2005年毕业于西南石油学院测控技术与仪器仪表专业,现在中国石油大庆钻探工程公司录井一公司从事地质研究工作。通信地址：163411 黑龙江省大庆市让胡路区乘风西路大庆钻探工程公司录井一公司地质研究中心。电话：（0459）5684579。E-mail:huzongmin@petrochina.com.cn

收稿日期: 2023-02-10
摘要

岩石抗钻特性表征参数是钻头选型和钻井参数优选的重要依据,建立抗钻特性的随钻表征和预测方法尤为重要。利用岩石抗钻特性实验和X射线荧光实验,测试了松辽盆地北部深层火成岩可钻性级值、硬度、塑性系数和元素含量,统计了各抗钻特性参数与元素含量之间的关系,揭示并归纳了各元素对抗钻特性参数的影响规律：随着Si、K、Na元素含量增加,岩石的可钻性和硬度增大,塑性系数减小;随着Al、Fe、Mg元素含量增加,岩石的可钻性和硬度减小,塑性系数增大。基于实验结果,运用多元回归分析方法,构建了基于元素含量的岩石抗钻特性参数计算模型。该研究成果能够在实际应用中实时评价地层的抗钻特性。

关键词: 火成岩; 岩石抗钻特性; X射线荧光元素录井; 可钻性级值; 硬度; 塑性系数; 元素含量
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Evaluation of anti-drilling properties of deep igneous rocks based on element logging
HU Zongmin①, ZHANG Ligang②, LUO Guangdong③, WANG Qu①, DENG Shengjia①, FENG Wei①
①No.1 Mud Logging Company of CNPC Daqing Drilling & Exploration Engineering Corporation, Daqing, Heilongjiang 163411, China
②Northeast Petroleum University, Daqing, Heilongjiang 163318, China
③Tight Gas Project Management Department of CNPC Daqing Drilling & Exploration Engineering Corporation, Daqing, Heilongjiang 163318, China
Abstract

The characterization parameters of rock anti-drilling properties are an important basis for the selection of drill bits and the optimization of drilling parameters. It is particularly important to establish a method for characterization and prediction of anti-drilling properties while drilling. In this paper, the drillability, hardness, plasticity coefficient and element content of deep igneous rocks in the northern Songliao Basin are tested by rock anti-drilling characteristic experiment and XRF experiment, and the relationship between each anti-drilling characteristic parameter and element content is calculated. The influence of each element on anti-drilling parameters is revealed. With the increase of Si, K, Na element content, the drillability and hardness of the rock increase, and the plasticity coefficient decreases; with the increase of Al, Fe, Mg element content, the drillability and hardness decrease, and the plasticity coefficient increases. Based on the experimental results and the multiple regression analysis, a calculation model of rock anti-drilling parameters based on element content is constructed. According to the research results, the formation anti-drilling properties can be evaluated real-timely in practical application.

Keyword: ingeous rock; rock anti-drilling property; XRF element logging; drillability; hardness; plasticity coefficient; element content
0 引言

松辽盆地火成岩气藏埋藏深, 岩性复杂, 岩石坚硬, 钻速低、复杂事故多、钻井周期长。为了安全高效、快速优质地钻好深井, 必须厘清区域地层抗钻特性, 才能明确制约提速的主要矛盾和制定相应的提速方法[1, 2, 3, 4]。岩石抗钻特性表征参数主要有可钻性、硬度和塑性系数, 上述参数能够衡量岩石在井底抵抗钻头破碎的能力, 是钻头选型和优选钻井参数的重要参考[5, 6]。测量抗钻特性的直接方法是通过专用仪器对采集的岩心进行实际测试, 但存在费时、费力, 尤其是采集岩心困难等问题, 一般无法对某个地区的岩石可钻性剖面进行全面的测定描述[7, 8, 9]。相对岩心测试而言, 录井和测井资料的获取要容易的多, 并且具有连续性, 能够反映测量井段的岩石特性, 具有很强的可操作性[10, 11]。本文以松辽盆地火成岩为研究对象, 开展了岩石抗钻特性实验和元素含量分析实验, 建立了抗钻特性参数与机械比能、元素含量的关系模型, 为基于元素录井的抗钻特性参数随钻解释奠定了基础。

1 岩石抗钻特性影响因素分析

岩石抗钻特性虽受岩性特征、地质构造、沉积环境等多种因素的影响, 但致使岩石抗钻特性参数发生变化的主要原因在于岩石的矿物成分和结构, 这两个因素决定了岩石的抗钻能力。地层主要由岩石构成, 岩石又由不同的矿物组成, 而每种矿物的成分则由相对固定的化学元素组成。例如, Si元素在石英石中比较富集, K元素主要存在于正长石和白云母中, Na元素主要存在于辉石类、角闪石类和长石类矿物中, 不同的矿物可以通过元素含量的相应变化反映出来, 因而通过元素含量可评价岩石的抗钻特性。

笔者以松辽盆地北部深层火成岩为研究对象, 开展元素含量评价岩石抗钻特性的可行性研究。该区域勘探目的层主要是白垩系下统和侏罗系上统火石岭组及基底, 火成岩分布广泛, 含有大段中酸性火山喷发岩、流纹岩、砂砾岩、凝灰岩、玄武岩、角砾岩以及安山岩等, 上述火成岩地层具有高硬度、强研磨性、高可钻性等特征。该区域火成岩由多种矿物成分构成, 但主要造岩矿物为石英、长石、云母、角闪石、辉石和橄榄石等, 而这些矿物又主要由Si、K、Na、Al、Fe、Mg、Ca等元素组合而成, 因而可以借助这些元素含量关系, 分析松辽盆地北部深层火成岩地层的抗钻特性参数。

2 岩石抗钻特性和X射线荧光实验

本次实验主要目的是全面评价松辽盆地北部深层岩石的抗钻特性参数和元素特征, 并探索二者之间的关系。

2.1 实验样品与设备

分析样品主要取自XS 22、YS 1和SS 3井的营城组火成岩共计16个岩心样品, 并且均为全尺寸岩心。实验设备采用山东中石大石仪科技有限公司生产的岩石可钻性测定仪和全自动岩石硬度测定仪, 及布鲁克台式X射线荧光分析仪, 测定岩石的微牙轮钻头可钻性级值、硬度、塑性系数和主要元素含量。

2.2 实验结果

实验分析结果表明, 区域深层火成岩岩石可钻性级值分布在5.07~8.93, 硬度分布在1 234.45~3 384.16 MPa, 塑性系数分布在1.0~1.9, 可钻性级值相对较高, 硬度较大, 属于中硬-硬等级, 塑性系数较低, 表现出明显的脆性。岩石抗钻特性实验结果如图1所示。

图1 岩石抗钻特性实验结果

对上述16块岩心样品应用布鲁克台式X射线荧光分析仪进行元素含量分析可知（图2）, 在这些区域深层火成岩样品中主要含有Si、Al、Fe、K、Na、Mg等元素, 其中Si、Al和Fe元素含量较高, Si元素含量分布在43.42%~72.12%, Al元素含量分布在10.93%~17.00%, Fe元素含量分布在2.04%~4.89%。

图2 元素含量分布

3 岩石抗钻特性与元素的敏感性关系分析
3.1 Si、K、Na元素与岩石抗钻特性参数关系

岩石是由各种造岩矿物组成的, 石英、正长石、斜长石、云母、角闪石、辉石和橄榄石等作为火成岩的主要成分, 影响着岩石的抗钻特性参数变化, 决定了岩石的抗钻能力。矿物又由各种元素构成, 元素含量的差异也能反映岩石抗钻特性的变化。依据岩石抗钻特性和元素实验结果, 分析了岩石可钻性对各元素含量的敏感性, 其中Si、K、Na元素含量与岩石抗钻特性参数的敏感性关系如图3所示。

图3 Si、K、Na元素含量与岩石抗钻特性参数的敏感性关系

深层火成岩样品中, Si元素主要反映了石英含量, K元素主要存在于正长石和白云母中, Na元素主要存在于辉石类、角闪石类和长石类矿物中。随着Si元素含量的增加, 岩石可钻性和硬度有增高趋势, 塑性系数有降低趋势; 随着K、Na元素含量的增高, 岩石可钻性和硬度增高, 塑性系数显著降低, 脆性增强。

3.2 Al、Fe、Mg元素与岩石抗钻特性参数关系

在深层火成岩样品中, 呈现出随着Al、Fe、Mg元素含量增加, 岩石可钻性和硬度减小, 塑性系数增大的特点（图4）。因此, Al、Fe、Mg元素为典型的塑性元素。

图4 Al、Fe、Mg元素含量与岩石抗钻特性参数的敏感性关系

3.3 岩石抗钻特性参数预测模型构建

依据实验结果, 选取主要元素Si、K、Na、Mg、Al、Fe的元素含量与岩石抗钻特性参数进行多元回归分析, 构建了基于元素含量的岩石可钻性、硬度和塑性系数的预测模型：

Kd=0.102VSi+0.464VK+0.795VNa-0.3302VAl-0.127VFe-0.109VMg （1）

Yd=12.814VSi+161.904VK+321.353VNa-50.92VAl-26.703VFe-23.761VMg （2）

S=4.691-0.0418VSi-0.0978VK-0.0193VNa+0.0563VAl+0.0864VFe+0.0837VMg （3）

式中：Kd为可钻性级值, 无因次; Yd为岩石硬度值, MPa; S为塑性系数, 无因次; VSi、VK、VNa、VAl、VFe、VMg分别为Si、K、Na、Al、Fe、Mg元素的含量, %; 相关性系数r2分别为0.996、0.974和0.826。

4 应用效果

为了验证抗钻特性参数预测模型在松辽盆地北部深层火成岩地层中的应用效果, 收集了该区域4块不同深度岩心, 并将其抗钻特性参数的实测值与模型预测值进行对比, 结果见表1。

表1 火成岩地层抗钻特性参数预测模型验证结果

岩石样品可钻性级值、硬度和塑性系数的实测值和预测值的相对误差分别分布在2.20%~5.73%、1.84%~6.35%、4.08%~10.53%, 预测精度可以满足现场需求。

利用该模型, 基于DSX 9井元素录井资料, 对该井3 555~3 615 m井段抗钻特性参数剖面进行了预测, 如图5所示。该井段元素录井显示以Si元素为主, 含量57.43%以上, 岩石可钻性级值主要分布区间为5.66~7.44, 硬度主要分布区间为1 728.54~2 016.20 MPa, 塑性系数主要分布区间为1.20~2.11, 钻时主要分布区间为28.43~59.99 min/m。抗钻特性参数剖面与钻时曲线有较好的一致性, 可钻性级值和硬度值高的层段钻时较大, 说明应用元素录井可以预测抗钻特性参数剖面。

图5 DSX 9井营城组元素含量及抗钻特性参数相应变化

5 结论与建议

（1）松辽盆地区域火成岩主要含有Si、Al、Fe、K、Na、Mg等元素, 可钻性级值分布在5.07~8.93之间, 硬度分布在1 234.45~3 384.16 MPa之间, 塑性系数分布在1.0~1.9之间。

（2）随着Si、K、Na元素含量的增加, 岩石的可钻性和硬度增大, 塑性系数减小; 随着Al、Fe、Mg元素含量的增加, 岩石的可钻性和硬度减小, 塑性系数增大。

（3）构建了基于元素含量的岩石可钻性、硬度和塑性系数的预测模型, 实现了基于元素录井的抗钻特性参数剖面预测。该方法具有区域局限性, 实际应用中应考虑区域地质背景和岩性差异, 建立相应的预测模型。

(编辑 李特)

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