毛敏等：裂缝性储层 PDC 钻头随钻响应特征实验研究！

论文引用格式

毛敏,杨毅,张立刚,等. 裂缝性储层 PDC 钻头随钻响应特征实验研究[J]. 钻采工艺, 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

作者简介

毛敏(1973-)，高级工程师，主要从事录井工程技术研究与管理。地址:(300457)天津经济技术开发区信环西路19号天河科技园1号楼,电话：022-65310705，E-mail:maomin@ cfbgc.com

通信作者: 张立刚(1982- )，教授，博士生导师，主要从事钻录井工程和增产改造研究。地址:(163318)黑龙江省大庆市高新技术产业开发区学府街99号，电话:0459-6503336, E-mail:zhangligang@nepu.edu.cn

毛敏¹, 杨毅¹, 张立刚^2,3, 姬建飞¹, 薛东阳², 李浩^2,3, 苗振华², 谭甲兴²

1 中法渤海地质服务有限公司

2提高油气采收率教育部重点实验室·东北石油大学

3 油气钻完井技术国家工程研究中心

摘要：裂缝性储层的裂缝预测难度大，研究裂缝性地层PDC钻头钻进响应特征对裂缝性储层随钻识别具有重要意义。文章利用水泥石材料制备的无裂缝水泥石试件、填充裂缝水泥石试件和张开裂缝水泥石试件开展了微PDC钻头钻进实验，监测不同裂缝类型的水泥石试件在钻进过程中的钻压、转速、扭矩、钻时等直接参数，通过计算机械比能、机械比能异常因子、机械比能波动因子和扭矩波动因子等衍生参数，揭示了不同裂缝类型的试件在PDC钻头钻进时的响应特征，构建了无缝、填充裂缝、张开裂缝在PDC钻头钻进时的特征图谱、评价指标体系和分类标准。并在渤中19-6气田进行了现场应用，与测井解释符合率达到了82%以上。该项研究成果为裂缝性储层的随钻识别诊断提供了实验依据。

关键词：裂缝性储层；微PDC钻头；钻进响应特征；随钻识别

0 引言

裂缝性储层在碎屑岩、碳酸盐岩和各类潜山地层中广泛发育，潜藏了大量的油气资源，是油气开发的新方向和新领域^[1-2]。其中，裂缝是油气重要的储集空间和渗流通道，影响和控制着储层有效性、单井产量和开发效果^{[3- 4]}。在勘探开发过程中对裂缝信息进行快速解释、识别和准确评价，对提前完钻、加深钻进、中途测试等决策具有重大意义^{[5- 6]}。但由于裂缝受到构造运动、沉积环境及风化剥蚀等多种地质因素的作用，储层发育特征复杂，裂缝的预测识别存在较大困难和挑战^{[7- 8]}，而目前常用的地震波传播理论^[9]、成像测井技术^[10-11]、取心识别技术、基于泥页岩压实理论的dc指数法等^[12-13]，以及近期研究的用ct解释储层裂缝特征的方法，存在解释精度低或时效性较差等情况^[14-16]。针对该问题，本文拟利用钻井工程参数开展随钻识别储层裂缝的研究。通过人造裂缝水泥石试件，开展大量的微 PDC钻头钻进实验，研究钻井工程参数在钻遇不同裂缝时的响应特征，并选取PDC钻头在钻遇裂缝时有明显特征的工程参数，建立数学评价模型，提出通过随钻录井工程参数识别裂缝性储层的方法。

1 响应特征实验

1.1 人造裂缝水泥石试件

实验通过选用水泥和填充材料制备人造裂缝水泥石试件，如图1 所示，水泥浆选用四川嘉华的G级水泥+2%降失水剂GWF-1S+1.5%早强剂GWA-1S+44%水；填充裂缝材料选用将表面塑料贴膜剥掉的白芯纸牌；张开裂缝选用1 mm 厚度的钢片制备。水泥石浇筑岩心的模具尺寸为50 mm×50 mm×50 mm正方体，设计成无缝、填充裂缝和张开裂缝。如表1所示，填充裂缝和张开裂缝又分为1条缝、2条缝、3条缝；1条缝的试件设计为0°倾角、30°倾角、60°倾角、90°倾角；2条缝的试件设计为0°夹角、30°夹角、60°夹角、90°夹角。

表 1 人造裂缝水泥石试件设计参数

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图1为人造裂缝水泥石试件中裂缝数量、裂缝倾角和裂缝夹角的结构和展布特征。

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图 1 人造裂缝水泥石试件的裂缝结构和展布示意图

试件模型在常压下60℃恒温水浴中候凝和养护。其中，填充裂缝试件的养护时间为20 h，脱模后转移到冷却水浴中继续养护；张开裂缝试件在养护时间到12 h时，将钢片拔出，继续恒温水浴养护，到达 20 h 后，脱模，冷却水浴中继续养护。

1.2 室内实验

采用全自动微钻头钻进实验仪进行钻进实验，微型PDC钻头标准按照石油与天然气行业标准《石油与天然气钻井工程岩石可钻性测定与分级》(SY/T5426—2016)规定选用，钻头外径32 mm，PDC复合片直径为13.44 mm，厚度为4.5 mm，后倾角为20°，侧倾角为5°。实验过程中调整仪器的测深、测时和扭矩仪表至零位，然后将装配好的微PDC钻头和试件表面接触，按照设定的钻压和转速施加载荷并旋转钻进，钻深达到1 mm时开始计时，在钻深３ｍｍ时停钻，监测和记录钻进过程中的钻压、扭矩、深度、钻时等参数变化。水泥石试件经微PDC钻头钻进实验后，如图2所示。其中，钻压为1000 N，转速为55 r/min。　

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图 2 部分微钻实验后的水泥石试件照片

２随钻响应特征衍生参数　

在实验过程中，所监测的钻压、扭矩和钻时等单一钻井参数在钻遇裂缝地层时虽有反应，但不够明显，在扭矩波动、机械比能幅值变化和机械比能波动上却响应较强烈。因此，对扭矩和机械比能参数进行无量纲化处理，构建反映扭矩波动剧烈程度的扭矩波动因子，及反映机械比能幅值变化和波动剧烈程度的机械比能异常因子和机械比能波动因子来识别裂缝性地层。

2.1 扭矩波动因子

将测量点处的扭矩值的标准偏差与测量段扭矩平均值之比称为“扭矩波动因子”,计算模型为:

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2.2 机械比能

钻井机械比能为破碎单位体积的岩石所需要的功，计算模型为：

2.3 机械比能异常因子

机械比能异常因子定义为机械比能值与机械比能基值的比值，计算模型为:

P =MSE / MSEJ (5)

式中:P—机械比能异常值，无量纲；MSEJ—机械比能基值，为不发育裂缝的水泥石机械比能值。裂缝不发育地层物性指数分布在1左右，裂缝发育地层物性指数小于1，机械比能异常值越低，裂缝发育程度越好。

2.4 机械比能波动因子

将测量点处的机械比能标准偏差与测量段机械比能平均值之比称为“扭矩波动因子”，计算模型为:

3 裂缝性储层随钻响应特征分析

根据钻压、扭矩、深度、钻时等测量参数，计算无缝、填充裂缝和张开裂缝试件的扭矩波动因子、机械比能、机械比能异常因子、机械比能波动因子等衍生参数，如表2所示。

表 2 微钻实验监测及衍生参数

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3.1 随钻衍生参数响应规律

扭矩波动因子在无缝、填充裂缝和张开裂缝试件中的分布状态如图3所示。

图 3 扭矩波动因子分布状态

实验计算结果表明无缝、填充裂缝和张开裂缝试件中扭矩波动因子分别为0.08，0.13~0.17和0.20~0.26，随着裂缝数量增加，填充裂缝和张开裂缝试件的扭矩波动因子均有增大趋势，裂缝倾角和夹角响应特征不显著。钻头破岩过程中当钻遇裂缝时，刃前岩石会产生非连续性脆性破碎，扭矩频繁释放和积聚，导致扭矩波动频率和幅值变大，扭矩波动因子变高。

机械比能在无缝、填充裂缝和张开裂缝试件中的分布状态如图4所示。

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图 4 机械比能分布状态

图 4 可以看出，张开裂缝试件比填充裂缝试件的机械比能低；随着裂缝条数增加，机械比能减小；相同裂缝条数条件下，相交裂缝和带有倾角的裂缝试件比垂直裂缝试件的机械比能值低。裂缝越发育，地层可钻性越低，机械钻速越高，破碎单位体积岩石消耗的能量越低，机械比能越小。

机械比能异常因子在无缝、填充裂缝和张开裂缝试件中的分布状态如图5所示。

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图 5 机械比能异常因子分布状态

从图5中可以看出，随着裂缝条数增加，填充裂缝和张开裂缝试件的机械比能异常因子均显著降低；张开裂缝的机械比能异常因子降低幅度更大。机械比能异常因子反映了裂缝性岩石和基质岩石在破岩能耗上的差异，裂缝越发育，其机械比能比基质岩石降低值越多，机械比能异常因子越低。

机械比能波动因子在无缝、填充裂缝和张开裂缝试件中的分布状态，如图6所示。

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图 6 机械比能波动因子分布状态

图6中，无缝、填充裂缝和张开裂缝试件中机械比能波动因子分别为0.21，0.30~0.40和0.35~0.50，无缝试件的机械比能波动因子最小，张开裂缝试件整体高于填充裂缝试件。机械比能波动因子反映了钻井破岩过程中钻压、扭矩和钻时等的综合波动和振荡情况，与地层非均质性有关，非均质性越强，机械比能波动因子越高。

3.2 随钻衍生参数特征谱图和分类标准

不同裂缝类型和参数下的微钻实验计算结果发现，无裂缝、填充裂缝和张开裂缝试件在扭矩和机械比能曲线上具有典型特征：无裂缝试件扭矩低、机械比能高，波动幅度最小；张开裂缝试件扭矩高、机械比能低，波动幅度最大；填充裂缝试件介于二者之间。

对实验计算结果归纳，获取了实验用水泥石无裂缝、填充裂缝、张开裂缝等三种类型试件的典型扭矩、机械比能图谱、扭矩波动因子和机械比能波动因子分布。其中，无裂缝水泥石典型扭矩和机械比能图谱，如图7所示。

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图 7 无裂缝试件扭矩和机械比能图谱

扭矩和机械比能曲线相对均匀，波动范围小，扭矩分布在2~3 N·m，机械比能分布在400~500 MPa，其扭矩波动因子小于0.1，机械比能波动因子小于0.25。

充填裂缝水泥石典型扭矩和机械比能图谱，如图8所示。

图 8 填充裂缝试件扭矩和机械比能图谱

扭矩和机械比能曲线波动均匀，呈锯齿状特征，扭矩分布在2~4 N·m，机械比能分布在150~250 MPa，扭矩波动因子介于0.12~0.20，机械比能波动因子介于0.30~0.40。

张开裂缝水泥石典型扭矩和机械比能图谱，如图9所示。

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图 9 张开裂缝试件扭矩和机械比能图谱

扭矩和机械比能曲线波动幅度大，呈锯齿状特征，扭矩分布在3~6 N·m，机械比能分布在 50~150 MPa，扭矩波动因子介于大于0.20，机械比能波动因子介于大于0.40。基于不同水泥石裂缝类型和参数下的机械比能异常因子、机械比能波动因子和扭矩波动因子差异，建立了水泥石裂缝分类评价标准，如表3所示。

表 3 裂缝性储层分类标准

4 现场应用

裂缝性地层PDC钻头随钻响应特征和评价方法在渤中19-6 气田进行了应用，主要储层为太古界潜山及潜山顶部的砂砾岩，储集空间多样，以裂缝及沿裂缝形成的溶蚀孔洞为主。以 BX-6 井为例,依据井场工程录井参数,计算了储层段的机械比能异常因子、机械比能波动因子和扭矩波动因子,如图10所示。

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图10 BX-6 井基于 PDC 钻头响应特征的

随钻裂缝预测

在井深4045~4050 m、4095~4104 m和4118~4125 m井段，计算扭矩波动因子大于0.20，机械比能波动因子大于0.40，机械比能异常因子小于0.50，对应的测井结果为裂缝发育的Ⅰ类储层。4060~4070 m、4105~4118 m井段的计算扭矩波动因子为0.14~0.20，机械比能波动因子为0.30~0.40，机械比能异常因子大于0.6，对应的测井结果为裂缝发育的Ⅱ类储层。本文基于钻井工程参数随钻识别的储层裂缝与完钻测井解释符合率达到了82%以上，在潜山裂缝性储层的发现和评价中发挥了重要作用，为中途测试、完井等重大作业决策提供了技术支持，为钻井优化设计和防漏堵漏技术的选择提供了依据。

5 结论

（1）利用水泥石材料制备的无裂缝、填充裂缝和张开裂缝试件，开展微PDC钻头钻进实验，获得不同裂缝类型在钻进过程中的直接参数和衍生参数响应特征。

（2）单一钻压、扭矩和钻时等指标在裂缝性地层中的响应不显著，机械比能异常因子、机械比能波动因子和扭矩波动因子能够更好的指示裂缝发育情况。

（3）建立的水泥石试件裂缝识别特征图谱、评价指标体系和分类方法，在现场应用中可以对储层裂缝进行判断，但分级量值标准需要根据油田储层情况重新核定。

参考文献

详见原文。

基金项目

国家自然科学基金项目“致密储层井工厂压裂应力场演化机理及调控方法”(编号:51504067)。

论文原载于《钻采工艺》2023年第1期。