水平井PDC鉆頭條件下現(xiàn)場巖性識(shí)別方法探討

一、引言
　　隨著油田勘探程度的不斷加深，勘探對(duì)象由簡單構(gòu)造變?yōu)閺?fù)雜斷塊構(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(chǔ)層薄、夾層多，等等，想有效解決這些難題，最好的辦法應(yīng)該是鉆水平井或大位移井。
　　PDC鉆頭技術(shù)創(chuàng)新所帶來的高鉆速、高時(shí)效，有利于降低鉆井總成本、增加經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)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(xì)小，其產(chǎn)生的巖屑相應(yīng)也非常細(xì)碎，這就為現(xiàn)場巖屑的清洗和巖性識(shí)別帶來了一定的難度，如何識(shí)別PDC鉆頭條件下的巖屑，并準(zhǔn)確的進(jìn)行巖性定名，已成為現(xiàn)場急待解決的難題。同時(shí)受水平井固有的特點(diǎn)和鉆井新工藝的影響，鉆井巖屑變得十分細(xì)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(xì)小，特別是螺桿驅(qū)動(dòng)的反復(fù)研磨使細(xì)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(xì)小，甚至成粉末狀，進(jìn)而增加了巖屑描述的難度，直接影響了巖屑描述的準(zhǔn)確性，油氣顯示落實(shí)和歸位難度增加，鉆時(shí)不能準(zhǔn)確反映地層巖性和物性，所有這些因素都會(huì)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(shí)，削弱現(xiàn)場錄井對(duì)鉆井施工的地質(zhì)導(dǎo)向作用。使巖屑錄井工作根本無法按常規(guī)方法進(jìn)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一套水平井PDC鉆頭條件下巖性的識(shí)別方法。
　　二、PDC鉆頭特點(diǎn)及造屑機(jī)理
　　1.PDC鉆頭的主要特點(diǎn)
　　1.1 鉆頭無活動(dòng)部分
　　鉆進(jìn)中無掉牙輪顧忌，可實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速安全鉆進(jìn)。
　　1.2 不同巖性適應(yīng)性強(qiáng)
　　針對(duì)地層情況，PDC鉆頭有不同的設(shè)計(jì)，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(yīng)范圍比較廣。
　　1.3 使用時(shí)間長
　　采用聚晶金剛石鑲齒，堅(jiān)硬鋒利，壽命長；一般一支PDC鉆頭入井的工作時(shí)間是普通鉆頭的五至八倍，減少了起下鉆時(shí)間，降低了鉆工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了鉆井時(shí)效。
　　1.4 硬度高、破巖能力強(qiáng)
　　金剛石的硬度最高，鉆頭強(qiáng)度大，鉆進(jìn)速度快，鉆時(shí)均勻。
　　1.5 破巖機(jī)理以切削和研磨為主
　　PDC鉆頭所鉆的巖屑細(xì)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(xì)小，便于泥漿攜帶保持井底清潔。
　　2.PDC鉆頭造屑機(jī)理
　　PDC鉆頭破碎巖石的方式主要是剪切作用。從巖石破碎強(qiáng)度可知，巖石抗剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)低于巖石的抗壓強(qiáng)度（為抗壓強(qiáng)度的0.09-0.15倍），PDC鉆頭正是利用巖石的這一特征實(shí)現(xiàn)其高速鉆進(jìn)。PDC鉆頭在扭矩力的作用下，復(fù)合片刮切巖石時(shí)生成的巖屑會(huì)沿著金剛石表面上移，直至與復(fù)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(duì)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(dá)地面已成粉末狀，而振動(dòng)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(dòng)篩時(shí)，絕大部分巖屑隨鉆井液進(jìn)入泥漿罐，導(dǎo)致巖屑量少。
　　2.巖屑細(xì)碎，巖性識(shí)別困難
　　由于巖屑細(xì)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(zhǔn)確判斷地層巖石的礦物成份和結(jié)構(gòu)，難于進(jìn)行地層分層，嚴(yán)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(duì)比的進(jìn)行。
　　4.鉆時(shí)變化無規(guī)律（如圖1、圖2）
　　在鉆井參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定的情況下，鉆時(shí)的變化主要與巖性有關(guān)，因而鉆時(shí)資料是巖屑描述工作中定性判斷巖性和進(jìn)行巖性分層的重要參考資料。在普通直井鉆進(jìn)中，一定井段的鉆井參數(shù)是相對(duì)穩(wěn)定的，因此鉆時(shí)能夠比較真實(shí)地反映地層的可鉆性，但在水平井的鉆進(jìn)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(shí)相對(duì)明顯升高，同時(shí)為滿足造斜、增斜、降斜等定向施工的需要，時(shí)常要進(jìn)行鉆壓、轉(zhuǎn)盤的調(diào)整，鉆時(shí)與巖性的對(duì)應(yīng)關(guān)系很不明顯，利用鉆時(shí)曲線劃分巖性及分層不再準(zhǔn)確，使傳統(tǒng)的依據(jù)鉆時(shí)輔助分層確定巖屑實(shí)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(shí)別方法討論
　　PDC鉆頭鉆進(jìn)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(yīng)利用這些差異的存在，綜合分析判斷，進(jìn)行巖性及油氣顯示層的劃分。
　　1.遲到時(shí)間的測定和校正
　　現(xiàn)場巖性剖面的建立是地層對(duì)比，巖心卡取的基礎(chǔ)。要建立準(zhǔn)確的地層剖面，首先應(yīng)準(zhǔn)確測定遲到時(shí)間。遲到時(shí)間不準(zhǔn)會(huì)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(shí)間，因而，遲到時(shí)間的準(zhǔn)確測定更為重要，準(zhǔn)確的遲到時(shí)間可以保證氣測值、鉆時(shí)和巖屑的統(tǒng)一，為建立準(zhǔn)確的錄井剖面奠定基礎(chǔ)。測準(zhǔn)遲到時(shí)間必須嚴(yán)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(shí)明顯的標(biāo)志層、特殊巖性層（如煤層、碳質(zhì)泥巖等）校正遲到時(shí)間。從實(shí)際錄井來看，在目的層段，只要在50m之內(nèi)測量一次遲到時(shí)間，能很好地保證巖屑剖面符合率和氣測全烴測量的準(zhǔn)確性。 　　2.確保細(xì)小巖屑的撈取質(zhì)量
　　細(xì)小巖屑的接樣、撈取、洗樣應(yīng)嚴(yán)格按照巖屑錄井操作規(guī)程進(jìn)行，接樣盆放置位置要適當(dāng)，以能連續(xù)接到從震動(dòng)篩上濾出的新鮮細(xì)小真巖屑為宜，要求振動(dòng)篩的篩布目數(shù)不小于80，并根據(jù)震動(dòng)篩實(shí)際返砂情況，靈活調(diào)整接樣盆的位置。接樣盆接滿后應(yīng)盡快取樣，巖屑采集、取樣應(yīng)嚴(yán)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(yīng)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(hào)鉆頭及其鉆進(jìn)過程中不同機(jī)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(xì)找、遠(yuǎn)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(yīng)考慮工程情況、結(jié)合氣測進(jìn)行剖面歸位
　　由于水平井井況復(fù)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(shí)踐表明：鉆遇新巖層，其巖屑并不一定在相應(yīng)的井段中返出；持續(xù)在該巖層中鉆進(jìn)，其巖屑百分含量在對(duì)應(yīng)的井段內(nèi)不一定明顯增加；該層結(jié)束時(shí)，其巖屑百分含量不一定在對(duì)應(yīng)的井深減少。因此在描述巖屑時(shí)應(yīng)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(duì)穩(wěn)定的井段，鉆時(shí)有一定的使用價(jià)值。用PDC鉆頭鉆進(jìn)至粉砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖以及中砂巖時(shí)，其鉆時(shí)明顯高于純泥巖；鉆進(jìn)至膠結(jié)較致密粗砂級(jí)以上砂巖鉆時(shí)高于或接近純泥巖，膠結(jié)疏松粗砂級(jí)以上砂巖鉆時(shí)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(shí)一般具有如下規(guī)律（1）鉆進(jìn)至劉家溝組地層時(shí)，由于巖性主要為砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖及細(xì)砂巖，鉆時(shí)變化較為頻繁，呈現(xiàn)出連續(xù)的小鋸齒狀形態(tài)，鉆時(shí)曲線很少出現(xiàn)箱狀等形狀，從整體鉆時(shí)基值來看，普遍要比下部石千峰組地層鉆時(shí)大，這種鉆時(shí)曲線特征與自然伽瑪曲線形態(tài)近似。（2）鉆進(jìn)至石千峰組～石盒子組中部以上地層時(shí)，砂巖粒度大部為中砂級(jí)以下，泥巖鉆時(shí)低于砂巖（儲(chǔ)層）（砂高泥低），但差別很小。（3）鉆進(jìn)至石盒子組下部～本溪組地層時(shí)，砂巖大多為粗砂巖鉆時(shí)低于或接近泥巖，與牙輪鉆頭的鉆時(shí)曲線特征相似但變化幅度小。（4）當(dāng)砂巖物性特別好，電測解釋為氣層或水層的，砂巖鉆時(shí)明顯低于泥巖與牙輪鉆頭的鉆時(shí)曲線特征完全相反。（5）煤層鉆時(shí)和牙輪鉆頭鉆時(shí)曲線特征相同，鉆時(shí)底于泥巖和砂巖。（5）當(dāng)PDC鉆頭鉆進(jìn)至碳酸鹽地層時(shí)，鉆時(shí)明顯高于碎屑巖地層。如圖4桃7-14-18H井劉家溝底界鉆時(shí)曲線圖
　　氣測錄井測量的是鉆井液中油氣相對(duì)量，其值取決于單位時(shí)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(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行剖面歸位。
　　通過近兩年的錄井實(shí)踐，氣測錄井在巖性識(shí)別特別是砂巖識(shí)別方面具有明顯優(yōu)勢。尤其是對(duì)石盒子組下部地層以下，只要存在儲(chǔ)層，就一定會(huì)出現(xiàn)氣測異常。當(dāng)鉆至石盒子組中下部地層后，出現(xiàn)明顯氣測異常時(shí)，通常預(yù)示著鉆至地層較疏松的砂巖儲(chǔ)集層或煤層。將色譜資料與驗(yàn)證過的巖性資料對(duì)比分析，可找出色譜分析值的變化與巖性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，便能利用氣測色譜分析資料來輔助判別巖性。
　　5.改進(jìn)傳統(tǒng)的"大段攤開"的觀察描述法，使用雙目放大鏡進(jìn)行巖性識(shí)別
　　由于PDC鉆頭條件下的巖屑非常細(xì)小，巖性用肉眼識(shí)別十分困難，然而巖性的識(shí)別是地質(zhì)描述必不可少的關(guān)鍵性參數(shù)，巖性描述的好壞直接關(guān)系到對(duì)油氣顯示評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度，而且?guī)r屑的物性參數(shù)也是其它評(píng)價(jià)方法的依據(jù)，因此在現(xiàn)場使用雙目顯微鏡識(shí)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(guān)鍵設(shè)備，顯微鏡的性能直接影響到確定巖屑物性參數(shù)的準(zhǔn)確程度。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)及篩選，現(xiàn)場使用的顯微鏡能滿足4個(gè)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(xué)外型設(shè)計(jì)，降低觀察者的勞動(dòng)強(qiáng)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(shí)別方法已經(jīng)相當(dāng)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(dá)到精度要求。通過對(duì)比顏色卡及粒度、圓度、分選、百分比圖版，在顯微鏡下進(jìn)行巖屑和圖版的對(duì)比觀察，從而確定巖屑的各項(xiàng)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(xué)會(huì)（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(duì)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(duì)巖屑的準(zhǔn)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(jí)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(duì)比觀察來確定巖屑骨架的圓度級(jí)別。
　　5.2.4 分選
　　巖石骨架顆粒分選級(jí)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(jí)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(yīng)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(xì)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(biāo)記后放到雙目鏡下進(jìn)行仔細(xì)觀察對(duì)比描述（如圖6）。
　　五、結(jié)束語
　　PDC鉆頭的使用對(duì)錄井技術(shù)的影響較大，特別是對(duì)巖性識(shí)別的影響較大，在現(xiàn)場工作中，不能應(yīng)用單一的識(shí)別方法，否則可帶來片面性，導(dǎo)致巖屑錄井定名不準(zhǔn)，剖面符合率低。應(yīng)認(rèn)真熟悉鉆井地質(zhì)設(shè)計(jì)，掌握區(qū)域特征，結(jié)合工程氣測資料，對(duì)所有錄取的資料進(jìn)行綜合分析，利用雙目放大鏡，方能更準(zhǔn)確的識(shí)別巖性。