毛敏等：裂縫性儲層 PDC 鉆頭隨鉆響應特征實驗研究！

論文引用格式

毛敏,楊毅,張立剛,等. 裂縫性儲層 PDC 鉆頭隨鉆響應特征實驗研究[J]. 鉆采工藝, 2023,46(1):1-7

MAO Min, YANG Yi, ZHANG Ligang, et al. Experimental Research on Response Characteristics of PDC Bit in Fractured Formation While Drilling [J]. Drilling and Production Technology, 2023, 46(1): 1- 7

作者簡介

毛敏(1973-)，高級工程師，主要從事錄井工程技術研究與管理。地址:(300457)天津經濟技術開發區信環西路19號天河科技園1號樓,電話：022-65310705，E-mail:maomin@ cfbgc.com

通信作者: 張立剛(1982- )，教授，博士生導師，主要從事鉆錄井工程和增產改造研究。地址:(163318)黑龍江省大慶市高新技術產業開發區學府街99號，電話:0459-6503336, E-mail:zhangligang@nepu.edu.cn

毛敏¹, 楊毅¹, 張立剛^2,3, 姬建飛¹, 薛東陽², 李浩^2,3, 苗振華², 譚甲興²

1 中法渤海地質服務有限公司

2提高油氣采收率教育部重點實驗室·東北石油大學

3 油氣鉆完井技術國家工程研究中心

摘要：裂縫性儲層的裂縫預測難度大，研究裂縫性地層PDC鉆頭鉆進響應特征對裂縫性儲層隨鉆識別具有重要意義。文章利用水泥石材料制備的無裂縫水泥石試件、填充裂縫水泥石試件和張開裂縫水泥石試件開展了微PDC鉆頭鉆進實驗，監測不同裂縫類型的水泥石試件在鉆進過程中的鉆壓、轉速、扭矩、鉆時等直接參數，通過計算機械比能、機械比能異常因子、機械比能波動因子和扭矩波動因子等衍生參數，揭示了不同裂縫類型的試件在PDC鉆頭鉆進時的響應特征，構建了無縫、填充裂縫、張開裂縫在PDC鉆頭鉆進時的特征圖譜、評價指標體系和分類標準。并在渤中19-6氣田進行了現場應用，與測井解釋符合率達到了82%以上。該項研究成果為裂縫性儲層的隨鉆識別診斷提供了實驗依據。

關鍵詞：裂縫性儲層；微PDC鉆頭；鉆進響應特征；隨鉆識別

0 引言

裂縫性儲層在碎屑巖、碳酸鹽巖和各類潛山地層中廣泛發育，潛藏了大量的油氣資源，是油氣開發的新方向和新領域^[1-2]。其中，裂縫是油氣重要的儲集空間和滲流通道，影響和控制著儲層有效性、單井產量和開發效果^{[3- 4]}。在勘探開發過程中對裂縫信息進行快速解釋、識別和準確評價，對提前完鉆、加深鉆進、中途測試等決策具有重大意義^{[5- 6]}。但由于裂縫受到構造運動、沉積環境及風化剝蝕等多種地質因素的作用，儲層發育特征復雜，裂縫的預測識別存在較大困難和挑戰^{[7- 8]}，而目前常用的地震波傳播理論^[9]、成像測井技術^[10-11]、取心識別技術、基于泥頁巖壓實理論的dc指數法等^[12-13]，以及近期研究的用ct解釋儲層裂縫特征的方法，存在解釋精度低或時效性較差等情況^[14-16]。針對該問題，本文擬利用鉆井工程參數開展隨鉆識別儲層裂縫的研究。通過人造裂縫水泥石試件，開展大量的微 PDC鉆頭鉆進實驗，研究鉆井工程參數在鉆遇不同裂縫時的響應特征，并選取PDC鉆頭在鉆遇裂縫時有明顯特征的工程參數，建立數學評價模型，提出通過隨鉆錄井工程參數識別裂縫性儲層的方法。

1 響應特征實驗

1.1 人造裂縫水泥石試件

實驗通過選用水泥和填充材料制備人造裂縫水泥石試件，如圖1 所示，水泥漿選用四川嘉華的G級水泥+2%降失水劑GWF-1S+1.5%早強劑GWA-1S+44%水；填充裂縫材料選用將表面塑料貼膜剝掉的白芯紙牌；張開裂縫選用1 mm 厚度的鋼片制備。水泥石澆筑巖心的模具尺寸為50 mm×50 mm×50 mm正方體，設計成無縫、填充裂縫和張開裂縫。如表1所示，填充裂縫和張開裂縫又分為1條縫、2條縫、3條縫；1條縫的試件設計為0°傾角、30°傾角、60°傾角、90°傾角；2條縫的試件設計為0°夾角、30°夾角、60°夾角、90°夾角。

表 1 人造裂縫水泥石試件設計參數

毛敏等：裂縫性儲層 PDC 鉆頭隨鉆響應特征實驗研究！

圖1為人造裂縫水泥石試件中裂縫數量、裂縫傾角和裂縫夾角的結構和展布特征。

毛敏等：裂縫性儲層 PDC 鉆頭隨鉆響應特征實驗研究！

圖 1 人造裂縫水泥石試件的裂縫結構和展布示意圖

試件模型在常壓下60℃恒溫水浴中候凝和養護。其中，填充裂縫試件的養護時間為20 h，脫模后轉移到冷卻水浴中繼續養護；張開裂縫試件在養護時間到12 h時，將鋼片拔出，繼續恒溫水浴養護，到達 20 h 后，脫模，冷卻水浴中繼續養護。

1.2 室內實驗

采用全自動微鉆頭鉆進實驗儀進行鉆進實驗，微型PDC鉆頭標準按照石油與天然氣行業標準《石油與天然氣鉆井工程巖石可鉆性測定與分級》(SY/T5426—2016)規定選用，鉆頭外徑32 mm，PDC復合片直徑為13.44 mm，厚度為4.5 mm，后傾角為20°，側傾角為5°。實驗過程中調整儀器的測深、測時和扭矩儀表至零位，然后將裝配好的微PDC鉆頭和試件表面接觸，按照設定的鉆壓和轉速施加載荷并旋轉鉆進，鉆深達到1 mm時開始計時，在鉆深３ｍｍ時停鉆，監測和記錄鉆進過程中的鉆壓、扭矩、深度、鉆時等參數變化。水泥石試件經微PDC鉆頭鉆進實驗后，如圖2所示。其中，鉆壓為1000 N，轉速為55 r/min?！?/section>

毛敏等：裂縫性儲層 PDC 鉆頭隨鉆響應特征實驗研究！

圖 2 部分微鉆實驗后的水泥石試件照片

２隨鉆響應特征衍生參數　

在實驗過程中，所監測的鉆壓、扭矩和鉆時等單一鉆井參數在鉆遇裂縫地層時雖有反應，但不夠明顯，在扭矩波動、機械比能幅值變化和機械比能波動上卻響應較強烈。因此，對扭矩和機械比能參數進行無量綱化處理，構建反映扭矩波動劇烈程度的扭矩波動因子，及反映機械比能幅值變化和波動劇烈程度的機械比能異常因子和機械比能波動因子來識別裂縫性地層。

2.1 扭矩波動因子

將測量點處的扭矩值的標準偏差與測量段扭矩平均值之比稱為“扭矩波動因子”,計算模型為:

毛敏等：裂縫性儲層 PDC 鉆頭隨鉆響應特征實驗研究！

2.2 機械比能

鉆井機械比能為破碎單位體積的巖石所需要的功，計算模型為：

2.3 機械比能異常因子

機械比能異常因子定義為機械比能值與機械比能基值的比值，計算模型為:

P =MSE / MSEJ (5)

式中:P—機械比能異常值，無量綱；MSEJ—機械比能基值，為不發育裂縫的水泥石機械比能值。裂縫不發育地層物性指數分布在1左右，裂縫發育地層物性指數小于1，機械比能異常值越低，裂縫發育程度越好。

2.4 機械比能波動因子

將測量點處的機械比能標準偏差與測量段機械比能平均值之比稱為“扭矩波動因子”，計算模型為:

3 裂縫性儲層隨鉆響應特征分析

根據鉆壓、扭矩、深度、鉆時等測量參數，計算無縫、填充裂縫和張開裂縫試件的扭矩波動因子、機械比能、機械比能異常因子、機械比能波動因子等衍生參數，如表2所示。

表 2 微鉆實驗監測及衍生參數

毛敏等：裂縫性儲層 PDC 鉆頭隨鉆響應特征實驗研究！

3.1 隨鉆衍生參數響應規律

扭矩波動因子在無縫、填充裂縫和張開裂縫試件中的分布狀態如圖3所示。

圖 3 扭矩波動因子分布狀態

實驗計算結果表明無縫、填充裂縫和張開裂縫試件中扭矩波動因子分別為0.08，0.13~0.17和0.20~0.26，隨著裂縫數量增加，填充裂縫和張開裂縫試件的扭矩波動因子均有增大趨勢，裂縫傾角和夾角響應特征不顯著。鉆頭破巖過程中當鉆遇裂縫時，刃前巖石會產生非連續性脆性破碎，扭矩頻繁釋放和積聚，導致扭矩波動頻率和幅值變大，扭矩波動因子變高。

機械比能在無縫、填充裂縫和張開裂縫試件中的分布狀態如圖4所示。

毛敏等：裂縫性儲層 PDC 鉆頭隨鉆響應特征實驗研究！

圖 4 機械比能分布狀態

圖 4 可以看出，張開裂縫試件比填充裂縫試件的機械比能低；隨著裂縫條數增加，機械比能減??；相同裂縫條數條件下，相交裂縫和帶有傾角的裂縫試件比垂直裂縫試件的機械比能值低。裂縫越發育，地層可鉆性越低，機械鉆速越高，破碎單位體積巖石消耗的能量越低，機械比能越小。

機械比能異常因子在無縫、填充裂縫和張開裂縫試件中的分布狀態如圖5所示。

毛敏等：裂縫性儲層 PDC 鉆頭隨鉆響應特征實驗研究！

圖 5 機械比能異常因子分布狀態

從圖5中可以看出，隨著裂縫條數增加，填充裂縫和張開裂縫試件的機械比能異常因子均顯著降低；張開裂縫的機械比能異常因子降低幅度更大。機械比能異常因子反映了裂縫性巖石和基質巖石在破巖能耗上的差異，裂縫越發育，其機械比能比基質巖石降低值越多，機械比能異常因子越低。

機械比能波動因子在無縫、填充裂縫和張開裂縫試件中的分布狀態，如圖6所示。

毛敏等：裂縫性儲層 PDC 鉆頭隨鉆響應特征實驗研究！

圖 6 機械比能波動因子分布狀態

圖6中，無縫、填充裂縫和張開裂縫試件中機械比能波動因子分別為0.21，0.30~0.40和0.35~0.50，無縫試件的機械比能波動因子最小，張開裂縫試件整體高于填充裂縫試件。機械比能波動因子反映了鉆井破巖過程中鉆壓、扭矩和鉆時等的綜合波動和振蕩情況，與地層非均質性有關，非均質性越強，機械比能波動因子越高。

3.2 隨鉆衍生參數特征譜圖和分類標準

不同裂縫類型和參數下的微鉆實驗計算結果發現，無裂縫、填充裂縫和張開裂縫試件在扭矩和機械比能曲線上具有典型特征：無裂縫試件扭矩低、機械比能高，波動幅度最??；張開裂縫試件扭矩高、機械比能低，波動幅度最大；填充裂縫試件介于二者之間。

對實驗計算結果歸納，獲取了實驗用水泥石無裂縫、填充裂縫、張開裂縫等三種類型試件的典型扭矩、機械比能圖譜、扭矩波動因子和機械比能波動因子分布。其中，無裂縫水泥石典型扭矩和機械比能圖譜，如圖7所示。

毛敏等：裂縫性儲層 PDC 鉆頭隨鉆響應特征實驗研究！

圖 7 無裂縫試件扭矩和機械比能圖譜

扭矩和機械比能曲線相對均勻，波動范圍小，扭矩分布在2~3 N·m，機械比能分布在400~500 MPa，其扭矩波動因子小于0.1，機械比能波動因子小于0.25。

充填裂縫水泥石典型扭矩和機械比能圖譜，如圖8所示。

圖 8 填充裂縫試件扭矩和機械比能圖譜

扭矩和機械比能曲線波動均勻，呈鋸齒狀特征，扭矩分布在2~4 N·m，機械比能分布在150~250 MPa，扭矩波動因子介于0.12~0.20，機械比能波動因子介于0.30~0.40。

張開裂縫水泥石典型扭矩和機械比能圖譜，如圖9所示。

毛敏等：裂縫性儲層 PDC 鉆頭隨鉆響應特征實驗研究！

圖 9 張開裂縫試件扭矩和機械比能圖譜

扭矩和機械比能曲線波動幅度大，呈鋸齒狀特征，扭矩分布在3~6 N·m，機械比能分布在 50~150 MPa，扭矩波動因子介于大于0.20，機械比能波動因子介于大于0.40?；诓煌嗍芽p類型和參數下的機械比能異常因子、機械比能波動因子和扭矩波動因子差異，建立了水泥石裂縫分類評價標準，如表3所示。

表 3 裂縫性儲層分類標準

4 現場應用

裂縫性地層PDC鉆頭隨鉆響應特征和評價方法在渤中19-6 氣田進行了應用，主要儲層為太古界潛山及潛山頂部的砂礫巖，儲集空間多樣，以裂縫及沿裂縫形成的溶蝕孔洞為主。以 BX-6 井為例,依據井場工程錄井參數,計算了儲層段的機械比能異常因子、機械比能波動因子和扭矩波動因子,如圖10所示。

毛敏等：裂縫性儲層 PDC 鉆頭隨鉆響應特征實驗研究！

圖10 BX-6 井基于 PDC 鉆頭響應特征的

隨鉆裂縫預測

在井深4045~4050 m、4095~4104 m和4118~4125 m井段，計算扭矩波動因子大于0.20，機械比能波動因子大于0.40，機械比能異常因子小于0.50，對應的測井結果為裂縫發育的Ⅰ類儲層。4060~4070 m、4105~4118 m井段的計算扭矩波動因子為0.14~0.20，機械比能波動因子為0.30~0.40，機械比能異常因子大于0.6，對應的測井結果為裂縫發育的Ⅱ類儲層。本文基于鉆井工程參數隨鉆識別的儲層裂縫與完鉆測井解釋符合率達到了82%以上，在潛山裂縫性儲層的發現和評價中發揮了重要作用，為中途測試、完井等重大作業決策提供了技術支持，為鉆井優化設計和防漏堵漏技術的選擇提供了依據。

5 結論

（1）利用水泥石材料制備的無裂縫、填充裂縫和張開裂縫試件，開展微PDC鉆頭鉆進實驗，獲得不同裂縫類型在鉆進過程中的直接參數和衍生參數響應特征。

（2）單一鉆壓、扭矩和鉆時等指標在裂縫性地層中的響應不顯著，機械比能異常因子、機械比能波動因子和扭矩波動因子能夠更好的指示裂縫發育情況。

（3）建立的水泥石試件裂縫識別特征圖譜、評價指標體系和分類方法，在現場應用中可以對儲層裂縫進行判斷，但分級量值標準需要根據油田儲層情況重新核定。

參考文獻

詳見原文。

基金項目

國家自然科學基金項目“致密儲層井工廠壓裂應力場演化機理及調控方法”(編號:51504067)。

論文原載于《鉆采工藝》2023年第1期。