水平井PDC鉆頭條件下現(xiàn)場巖性識別方法探討

一、引言
　　隨著油田勘探程度的不斷加深，勘探對象由簡單構(gòu)造變?yōu)閺碗s斷塊構(gòu)造，油田開發(fā)中后期，主要油區(qū)含水量上升，開發(fā)難度大、成本高，加之好多地區(qū)（包括深層地層）巖性致密，儲層薄、夾層多，等等，想有效解決這些難題，最好的辦法應該是鉆水平井或大位移井。
　　PDC鉆頭技術創(chuàng)新所帶來的高鉆速、高時效，有利于降低鉆井總成本、增加經(jīng)濟效益，同時在生產(chǎn)大提速的形勢下，在水平井水平段嘗試使用PDC鉆頭鉆井作業(yè)。
　　由于PDC鉆頭是利用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速的切削原理破碎地層，該鉆頭是一種鑲齒結(jié)構(gòu)，牙齒細小，其產(chǎn)生的巖屑相應也非常細碎，這就為現(xiàn)場巖屑的清洗和巖性識別帶來了一定的難度，如何識別PDC鉆頭條件下的巖屑，并準確的進行巖性定名，已成為現(xiàn)場急待解決的難題。同時受水平井固有的特點和鉆井新工藝的影響，鉆井巖屑變得十分細小，甚至呈粉末狀，加上被鉆頭破碎的巖屑在井底返出井口的過程中，不斷受到鉆頭與井壁、套管壁的碰撞、研磨而多次破碎，巖石變得更加細小，特別是螺桿驅(qū)動的反復研磨使細小的巖屑呈粉末狀懸浮在環(huán)空，這些因素的綜合作用使錄井中的巖屑細小，甚至成粉末狀，進而增加了巖屑描述的難度，直接影響了巖屑描述的準確性，油氣顯示落實和歸位難度增加，鉆時不能準確反映地層巖性和物性，所有這些因素都會在降低錄井資料的采集品質(zhì)、巖性剖面和油氣層符合率的同時，削弱現(xiàn)場錄井對鉆井施工的地質(zhì)導向作用。使巖屑錄井工作根本無法按常規(guī)方法進行。
　　經(jīng)過現(xiàn)場探索，并結(jié)合其他錄井公司在這方面的實踐經(jīng)驗，總結(jié)出一套水平井PDC鉆頭條件下巖性的識別方法。
　　二、PDC鉆頭特點及造屑機理
　　1.PDC鉆頭的主要特點
　　1.1 鉆頭無活動部分
　　鉆進中無掉牙輪顧忌，可實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速安全鉆進。
　　1.2 不同巖性適應性強
　　針對地層情況，PDC鉆頭有不同的設計，如用于軟地層，其鉆頭冠部外型呈長形或錐形；用于硬地層其鉆頭冠部外型呈圓形或拋物線形狀。所以，適應范圍比較廣。
　　1.3 使用時間長
　　采用聚晶金剛石鑲齒，堅硬鋒利，壽命長；一般一支PDC鉆頭入井的工作時間是普通鉆頭的五至八倍，減少了起下鉆時間，降低了鉆工的勞動強度，提高了鉆井時效。
　　1.4 硬度高、破巖能力強
　　金剛石的硬度最高，鉆頭強度大，鉆進速度快，鉆時均勻。
　　1.5 破巖機理以切削和研磨為主
　　PDC鉆頭所鉆的巖屑細小，甚至呈粉末狀，尤其是疏松砂巖則往往呈顆粒狀出現(xiàn)。鉆屑顆粒細小，便于泥漿攜帶保持井底清潔。
　　2.PDC鉆頭造屑機理
　　PDC鉆頭破碎巖石的方式主要是剪切作用。從巖石破碎強度可知，巖石抗剪切強度遠低于巖石的抗壓強度（為抗壓強度的0.09-0.15倍），PDC鉆頭正是利用巖石的這一特征實現(xiàn)其高速鉆進。PDC鉆頭在扭矩力的作用下，復合片刮切巖石時生成的巖屑會沿著金剛石表面上移，直至與復合片脫離，通過巖石在切削齒邊緣處的破碎，鉆頭的切削能量得到高效釋放。
　　三、PDC鉆頭使用對巖屑錄井的影響
　　1.巖屑量少，采樣困難
　　由于PDC鉆頭特殊的工作原理，加之高鉆速、高泵壓、大排量鉆井液的沖刷，巖屑到達地面已成粉末狀，而振動篩篩布還在繼續(xù)使用小于80目的篩布，巖屑在返出經(jīng)過振動篩時，絕大部分巖屑隨鉆井液進入泥漿罐，導致巖屑量少。
　　2.巖屑細碎，巖性識別困難
　　由于巖屑細小，有的甚至為粉末狀，給正確的巖屑描述觀察、挑樣、定名等判定帶來了很大的難度，不能準確判斷地層巖石的礦物成份和結(jié)構(gòu)，難于進行地層分層，嚴重影響巖性剖面符合率。
　　3.巖屑混雜，描述困難
　　由于巖屑混雜，給巖屑描述帶來一定的困難，影響隨鉆地層對比的進行。
　　4.鉆時變化無規(guī)律（如圖1、圖2）
　　在鉆井參數(shù)相對穩(wěn)定的情況下，鉆時的變化主要與巖性有關，因而鉆時資料是巖屑描述工作中定性判斷巖性和進行巖性分層的重要參考資料。在普通直井鉆進中，一定井段的鉆井參數(shù)是相對穩(wěn)定的，因此鉆時能夠比較真實地反映地層的可鉆性，但在水平井的鉆進過程中，鉆具易緊帖井壁，穩(wěn)定器基本與井壁四周接觸，使得部分鉆壓施加在井壁上，傳至鉆頭上的鉆壓減少，鉆時相對明顯升高，同時為滿足造斜、增斜、降斜等定向施工的需要，時常要進行鉆壓、轉(zhuǎn)盤的調(diào)整，鉆時與巖性的對應關系很不明顯，利用鉆時曲線劃分巖性及分層不再準確，使傳統(tǒng)的依據(jù)鉆時輔助分層確定巖屑實物定名的方法難以滿足現(xiàn)場地質(zhì)錄井工作的需要。
　　四、PDC鉆頭巖性識別方法討論
　　PDC鉆頭鉆進過程中，不同層位、性質(zhì)、顏色、巖性的地層，反映在巖屑、氣測等特征上，存在不同程度的差異，應利用這些差異的存在，綜合分析判斷，進行巖性及油氣顯示層的劃分。
　　1.遲到時間的測定和校正
　　現(xiàn)場巖性剖面的建立是地層對比，巖心卡取的基礎。要建立準確的地層剖面，首先應準確測定遲到時間。遲到時間不準會造成錄井巖電差過大，影響錄井質(zhì)量。在綜合錄井中，由于氣測值的錄井和巖屑用了不同的遲到時間，因而，遲到時間的準確測定更為重要，準確的遲到時間可以保證氣測值、鉆時和巖屑的統(tǒng)一，為建立準確的錄井剖面奠定基礎。測準遲到時間必須嚴格按照操作規(guī)程所要求的測定間距執(zhí)行，在非目的層約100m測量一次、目的層約50m測量一次。除了采用常規(guī)的測定方法之外，還要結(jié)合鉆時明顯的標志層、特殊巖性層（如煤層、碳質(zhì)泥巖等）校正遲到時間。從實際錄井來看，在目的層段，只要在50m之內(nèi)測量一次遲到時間，能很好地保證巖屑剖面符合率和氣測全烴測量的準確性。 　　2.確保細小巖屑的撈取質(zhì)量
　　細小巖屑的接樣、撈取、洗樣應嚴格按照巖屑錄井操作規(guī)程進行，接樣盆放置位置要適當，以能連續(xù)接到從震動篩上濾出的新鮮細小真巖屑為宜，要求振動篩的篩布目數(shù)不小于80，并根據(jù)震動篩實際返砂情況，靈活調(diào)整接樣盆的位置。接樣盆接滿后應盡快取樣，巖屑采集、取樣應嚴格按照二分法或四分法均勻采集，確保巖屑樣品的代表性，并取樣后多余的巖屑清理干凈。在洗樣的過程中應采用小水流、輕攪拌，稍微沉淀后倒混水換清水的辦法，從而保證巖屑樣品的數(shù)量和代表性。
　　3.巖屑是地下巖石經(jīng)過鉆頭破碎的產(chǎn)物
　　不同的巖層在其顏色、成分、結(jié)構(gòu)上存在一定的差異，不同型號鉆頭及其鉆進過程中不同機械破碎方式的影響，不能完全改變這種差異的存在?！按蠖螖傞_、宏觀細找、遠觀顏色、近查巖性”這種巖屑描述的基本方法，同樣適用于PDC鉆頭的巖屑描述（如圖3）。
　　4.巖屑描述中應考慮工程情況、結(jié)合氣測進行剖面歸位
　　由于水平井井況復雜，井眼極不規(guī)則，常規(guī)井的巖屑描述規(guī)則不再適用，實踐表明：鉆遇新巖層，其巖屑并不一定在相應的井段中返出；持續(xù)在該巖層中鉆進，其巖屑百分含量在對應的井段內(nèi)不一定明顯增加；該層結(jié)束時，其巖屑百分含量不一定在對應的井深減少。因此在描述巖屑時應參考工程參數(shù)的變化，分析巖屑含量的變化是由于地層變化引起的還是由于工程因素引起的。
　　在鉆井參數(shù)相對穩(wěn)定的井段，鉆時有一定的使用價值。用PDC鉆頭鉆進至粉砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、細砂巖以及中砂巖時，其鉆時明顯高于純泥巖；鉆進至膠結(jié)較致密粗砂級以上砂巖鉆時高于或接近純泥巖，膠結(jié)疏松粗砂級以上砂巖鉆時明顯低于純泥巖且比較明顯。鄂爾多斯盆地不同地層巖性的鉆時一般具有如下規(guī)律（1）鉆進至劉家溝組地層時，由于巖性主要為砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖及細砂巖，鉆時變化較為頻繁，呈現(xiàn)出連續(xù)的小鋸齒狀形態(tài)，鉆時曲線很少出現(xiàn)箱狀等形狀，從整體鉆時基值來看，普遍要比下部石千峰組地層鉆時大，這種鉆時曲線特征與自然伽瑪曲線形態(tài)近似。（2）鉆進至石千峰組～石盒子組中部以上地層時，砂巖粒度大部為中砂級以下，泥巖鉆時低于砂巖（儲層）（砂高泥低），但差別很小。（3）鉆進至石盒子組下部～本溪組地層時，砂巖大多為粗砂巖鉆時低于或接近泥巖，與牙輪鉆頭的鉆時曲線特征相似但變化幅度小。（4）當砂巖物性特別好，電測解釋為氣層或水層的，砂巖鉆時明顯低于泥巖與牙輪鉆頭的鉆時曲線特征完全相反。（5）煤層鉆時和牙輪鉆頭鉆時曲線特征相同，鉆時底于泥巖和砂巖。（5）當PDC鉆頭鉆進至碳酸鹽地層時，鉆時明顯高于碎屑巖地層。如圖4桃7-14-18H井劉家溝底界鉆時曲線圖
　　氣測錄井測量的是鉆井液中油氣相對量，其值取決于單位時間地層滲入鉆井液中的油氣量，從而間接地反映地層巖性。根據(jù)氣測曲線與巖性有較好的對應關系進行剖面歸位。
　　通過近兩年的錄井實踐，氣測錄井在巖性識別特別是砂巖識別方面具有明顯優(yōu)勢。尤其是對石盒子組下部地層以下，只要存在儲層，就一定會出現(xiàn)氣測異常。當鉆至石盒子組中下部地層后，出現(xiàn)明顯氣測異常時，通常預示著鉆至地層較疏松的砂巖儲集層或煤層。將色譜資料與驗證過的巖性資料對比分析，可找出色譜分析值的變化與巖性的對應關系，便能利用氣測色譜分析資料來輔助判別巖性。
　　5.改進傳統(tǒng)的"大段攤開"的觀察描述法，使用雙目放大鏡進行巖性識別
　　由于PDC鉆頭條件下的巖屑非常細小，巖性用肉眼識別十分困難，然而巖性的識別是地質(zhì)描述必不可少的關鍵性參數(shù)，巖性描述的好壞直接關系到對油氣顯示評價的準確度，而且?guī)r屑的物性參數(shù)也是其它評價方法的依據(jù)，因此在現(xiàn)場使用雙目顯微鏡識別PDC鉆頭條件下的巖性。
　　5.1 雙目顯微鏡的選擇
　　雙目顯微鏡是該方法的關鍵設備，顯微鏡的性能直接影響到確定巖屑物性參數(shù)的準確程度。經(jīng)過反復試驗及篩選，現(xiàn)場使用的顯微鏡能滿足4個使用要求：
　　5.1.1顯微鏡配備10X、20X的目鏡， 1X、2X、4X的物鏡，物鏡最好帶旋轉(zhuǎn)功能，便于切換放大倍數(shù)。
　　5.1.2顯微鏡必須帶外置光源，光源帶聚焦功能。
　　5.1.3顯微鏡的物鏡可調(diào)范圍要大，便于觀察巖心及井壁取心樣品。
　　5.1.4人體工學外型設計，降低觀察者的勞動強度。
　　5.2 雙目顯微鏡下巖屑物性參數(shù)的確定方法
　　在目前現(xiàn)場條件下，巖屑描述的物性參數(shù)主要有顏色、粒度、分選、圓度、孔隙度、膠結(jié)物、含有物、產(chǎn)狀等，在牙輪鉆頭條件下，這些巖屑參數(shù)的識別方法已經(jīng)相當成熟，但在顯微鏡下觀察這些參數(shù)就需要一些輔助手段才能達到精度要求。通過對比顏色卡及粒度、圓度、分選、百分比圖版，在顯微鏡下進行巖屑和圖版的對比觀察，從而確定巖屑的各項物性參數(shù)。
　　5.2.1 顏色
　　現(xiàn)場巖屑顏色的確定使用美國石油學會（API）顏色卡來確定，在顯微鏡下常見的顏色有灰色、淺灰色、深灰色、綠灰色、橄欖綠灰色、褐灰色、綠色、灰綠色、褐色、灰褐色、紅色、黑色、白色、無色、雜色等。
　　5.2.2 粒度
　　顯微鏡下用粒度板與巖屑對比觀察來確定巖石骨架顆粒的粒度。由于巖石骨架顆粒的粒度是巖屑定名的主要依據(jù)，巖石骨架顆粒粒度的確定對巖屑的準確定名起著十分重要的作用。
　　5.2.3 圓度
　　巖石骨架顆粒圓度級別分為尖棱角狀、棱角狀、次棱角狀、次圓狀、圓狀、極圓狀，在顯微鏡下用圖版（圖10）與巖屑對比觀察來確定巖屑骨架的圓度級別。
　　5.2.4 分選
　　巖石骨架顆粒分選級別分為分選極差、分選差、分選中等、分選好、分選極好。在顯微鏡下用圖版（圖10）確定巖屑巖石骨架的分選級別。
　　5.2.5 巖屑百分含量
　　巖屑百分含量使用圖5的百分含量圖版確定。
　　5.2.6 膠結(jié)物及含有物
　　在現(xiàn)場，根據(jù)巖石的硬度及滴酸的反應情況來確定膠結(jié)物類型，通常分為泥質(zhì)膠結(jié)、鈣質(zhì)膠結(jié)、鐵質(zhì)膠結(jié)和硅質(zhì)膠結(jié)。利用顯微鏡能清楚地觀察到各種礦物含有物。
　　巖樣洗出后取約10g洗凈的細小巖樣和約10g原樣分別置于直徑10cm的白瓷碟（其他方便工具均可）內(nèi)，作深度標記后放到雙目鏡下進行仔細觀察對比描述（如圖6）。
　　五、結(jié)束語
　　PDC鉆頭的使用對錄井技術的影響較大，特別是對巖性識別的影響較大，在現(xiàn)場工作中，不能應用單一的識別方法，否則可帶來片面性，導致巖屑錄井定名不準，剖面符合率低。應認真熟悉鉆井地質(zhì)設計，掌握區(qū)域特征，結(jié)合工程氣測資料，對所有錄取的資料進行綜合分析，利用雙目放大鏡，方能更準確的識別巖性。