用声波法评价地层可钻性各向异性的实验研究

第25卷第1期岩石力学与工程学报Vol.25No.12006年1月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJan.，2006收稿日期：2004–10–18；修回日期：2005–06–23基金项目：国家自然科学基金重点项目(50234030；国家自然科学基金西部专项资助项目(90410006作者简介：潘起峰(1971–，男，1992年毕业于石油大学(华东钻井工程专业，现为博士研究生，主要从事地层可钻性各向异性评价和防斜打快方面的研究工作。E-mail：pan_qf@163.com，pan_qfcn@。用声波法评价地层可钻性各向异性的实验研究潘起峰，高德利(中国石油大学石油天然气工程学院，北京102249摘要：地层可钻性各向异性的评价对井眼轨迹控制具有重要意义。通过室内实验分别测定了岩芯垂直于和平行于地层层面方向的可钻性及声波速度，得到了岩石可钻性各向异性指数和波速各向异性系数，并对结果进行了讨论。用数理统计方法研究分析了牙轮钻头岩石可钻性各向异性指数、牙轮钻头垂直于和平行于地层层面方向岩石可钻性差值和PDC钻头岩石可钻性各向异性指数与纵波波速各向异性系数的相关关系，建立了用纵波波速各向异性系数评价地层可钻性各向异性的模型。利用所建立的模型，采用地震资料或测井资料可以方便地对地层可钻性各向异性进行评价。对河南油田AN2004井进行评价，其结果表明，用该方法评价出的地层可钻性各向异性能正确反映被评价地层的特性。关键词：岩土力学；声波速度；岩石可钻性；各向异性；井斜控制中图分类号：TU45文献标识码：A文章编号：1000–6915(200601–0162–06EXPERIMENTALSTUDYONEVALUATIONOFFORMATIONDRILLABILITYANISOTROPYBYACOUSTICWAVEVELOCITYPANQi-feng，GAODe-li(FacultyofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，ChinaAbstract：Theevaluationofdrillabilityanisotropyoftheformationisveryimportantforwelltrajectorycontrol.ThevelocitiesofultrasonicwaveandrockdrillabilityaremeasuredinperpendicularandparalleldirectionsofthebeddingplaneofcoresampleswhichwerecutfromtheapproachholeofChinesecontinentalscientificdrilling.RockdrillabilityindexandP-wavevelocityanisotropycoefficientarecalculatedfromthetestingdata；andtheresultsarediscussed.CorrelationofdrillabilityanisotropyindexoftherollerconebitandPDCbit，thedifferencebetweendrillabilityoftherollerconebitinperpendicularandhorizontaldirectionsofthebeddingplanewiththeP-wavevelocityanisotropycoefficientarestudiedrespectivelybymeansofmathematicalstatistics.AmathematicalmodelisestablishedforpredictingdrillabilityanisotropyindexbyusingP-wavevelocityanisotropycoefficient.Thus，drillabilityanisotropyofaformationcanbeevaluatedconvenientlyfromseismicorloggingdatabyusingthismodel.ThemethodisusedtoevaluatedrillabilityanisotropyofaformationofWellAN2004inHenanOilfieldinChina.Theresultshowsthattheformationdrillabilityanisotropyindexpredictedbyusingthismethodcanproperlyreflectthedeviationcharacteristicsoftheformationbeingevaluated.Keywords：rockandsoilmechanics；acousticwavevelocity；rockdrillability；anisotropy；holedeviationcontrol1引言在石油钻井中，如何有效地控制井眼轨迹，一直是人们致力研究的课题[1～3]。从20世纪50年代开始，先后出现了多种地层造斜理论，如小型造斜器理论[4]、扩眼作用与钻头偏移理论[5]、优先碎屑地层理论[6]、各向异性塑性理论[7]以及可钻性各向异性第25卷第1期潘起峰等.用声波法评价地层可钻性各向异性的实验研究•163•理论[8]等。其中，可钻性各向异性理论可以定量计算地层力，较好地解释现场的客观现象，因而得到了广泛认同与实际应用。该理论认为由于地层在平行和垂直于层面方向的可钻性不同，因而钻进过程中地层会对钻头作用一地层力，使钻头偏离原来钻进方向，从而发生井斜。应用该理论的关键是地层可钻性各向异性的评价，对如何评价地层的可钻性各向异性，国内外进行了大量研究，分别从实验、实钻资料反演等方面进行了深入探索，取得了不少成果[9～11]；但仍存在不足。用实验方法评价地层可钻性各向异性其结果会受实验条件和钻井实际条件差别的影响，同时也不能建立连续的剖面。反演方法需要和底部钻具组合分析程序一起使用，其结果取决于模型精度和井史资料的可靠性，模型中需要确定的参量也比较多，有的不易求取，这在一定程度上限制了其应用。近年来，人们在利用声波资料评价岩石可钻性方面进行了大量的研究[12～14]，用于地震预报和地震勘探的波速各向异性研究也取得了不少研究成果[15，16]。但是，根据波速各向异性求取地层可钻性各向异性的研究尚未见到报道。本文旨在通过实验建立波速各向异性和可钻性各向异性的关系，以期利用测井或地震资料直接对地层可钻性各向异性进行评价。2地层可钻性各向异性评价方法地层可钻性各向异性程度可用地层可钻性各向异性指数来评价。设各向同性钻头在横观各向同性地层中钻进，若各向同性钻头沿垂直于和平行于地层层面的钻速分别为vV和，hV相应的净作用力分别为vF和hF，则横观各向同性地层的岩石可钻性各向异性指数可定义为⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫===vhrhhhvvv///DDIFVDFVD(1式中：rI为岩石可钻性各向异性指数；vD，hD分别为垂直于和平行于地层层面的钻井效率；vF，hF分别为垂直于和平行于地层层面的钻压。在实验室条件下，如果固定钻深和钻压(即hvHH=，hvFF=，这里vH，hH分别为垂直于和平行于层面的钻深，则岩石可钻性各向异性指数可表示为hvr/TTI=(2式中：vT，hT分别为垂直于和平行于地层层面的钻时。首先，求出地层可钻性各向异性指数后即可以定量计算出地层造斜力和地层变方位力[2]；然后，再结合钻具组合分析程序，可以对井眼轨迹进行控制。3实验研究3.1岩芯本次实验选用大陆科学钻探预先导孔岩芯14块，取样深度为48～1027m。实验用岩芯具体情况如表1所示。表1实验用岩芯[3]Table1Coresfortest[3]岩芯编号取样深度/m岩性9#48黑云母二长片麻岩38#145混合岩化二长片麻岩57#197角闪石化榴辉岩104#305黑云斜长片麻岩143#400黑云斜长片麻岩179#504含石榴石绿帘黑云斜长片麻岩218#607绿帘黑云斜长片麻岩252#698强化理化退变榴辉岩281#775绿帘黑云斜长糜棱片岩288#795黑云斜长片麻岩304#834绿帘黑云斜长糜棱片岩340#925绿帘黑云斜长片麻岩363#998片理化退变质多硅白云母榴辉岩373#1027黑云母二长片麻岩3.2实验设备及方法(1岩石可钻性测定方法岩石可钻性测试在KZX–II型多功能岩石可钻性测定仪上进行。实验时，微钻头加压通过放置固定砝码由液压缸传递来实现，以保证整个实验过程中的钻压恒定；钻深用标度盘设置，钻到设定深度后仪器自动停机；用秒表记录钻时。该装置可以分别测定牙轮钻头和PDC钻头的岩石可钻性，实验时的各项技术指标如下：①微钻头直径：31.75mm。②钻压：牙轮钻头：(890±20N；PDC钻头：•164•岩石力学与工程学报2006年(500±20N。③转速：(55±1r/min。④钻深：牙轮钻头钻深2.6mm，其中预钻深0.2mm，计时钻深2.4mm；PDC钻头钻深4.0mm，其中预钻深1.0mm，计时钻深3.0mm。实验时将岩样两端面切平磨光，两端面的平行度公差值不超过0.2mm。为保证结果的真实可靠，实验过程应及时更换钻头。每个岩样在平行于和垂直于地层层面方向上钻3个孔，分别求出平行于和垂直于地层层面方向上3个测试孔钻时的平均值，作为该岩样的钻时hT和vT。对平行于和垂直于地层层面的钻时分别取以2为底的对数，为其各自的可钻性级值，以dK表示[9]，即TK2dlog=(3式中：T为钻时(s。岩石可钻性各向异性除了用式(2表达外，还可以定义为平行于地层层面的岩石可钻性级值与垂直于地层层面的岩石可钻性级值之差[9]，即v2h2dloglogTTK−=Δ(4由式(2和(4可得dKΔ和rI的关系为r2dlogIK−=Δ(5(2岩芯声波实验方法实验所用的方法是超声波脉冲穿透法，分别测量岩样平行于和垂直于地层层面的纵波速度，超声波系统测试原理如图1所示。换能器频率为0.5MHz，用黄油和蜂蜜作为耦合剂。脉冲发生器可产生幅度为1～300V的电脉冲，其宽度及重复频率均可调控。测试时由信号发生器激发一个脉冲电信号，触发超声波发射换能器，使之产生一定幅度的超声波脉冲，声波在岩石中传播后，由接收换能器接收信号，进入数字存储示波器，即可实时测量超声波脉冲通过岩样的时间及信号幅度。图1超声波系统测试原理Fig.1Principleofultrasonicwavetestsystem测试时使发射和接收换能器尽可能地正对着，以减少人为操作带来的误差。为保证测试结果的精度，每次实验前均用标准铝棒对仪器进行标定，每个测点均进行3次测量，取其平均值作为最后测量结果，则声波速度V可由下式计算：00010×−=ttlV(6式中：l为岩样长度(mm，t为声波的传播时间(μs，0t为系统的固定延时(μs。定义岩石的波速各向异性系数为垂直于层面的波速(avV与平行于层面的波速(ahV之比，即ahavv/VVI=(7式中：vI为波速各向异性系数。4实验结果分析地层岩石可钻性具有各向异性的特征，无论是微牙轮钻头还是微PDC钻头，垂直于地层层面的可钻性级值和平行于地层层面的可钻性级值均不同(各向异性指数不为1。对于微牙轮钻头，除编号为143#和288#的岩芯可钻性各向异性指数分别为1.03和3.86外，其余为0.23～0.94；对于PDC钻头，除编号为9#，143#，179#和288#的岩芯可钻性各向异性指数分别为1.16，1.34，1.01和4.72外，其余为0.24～0.92(见图2，3。一般情况下，垂直于地层层面的可钻性级值小于平行于地层层面的可钻性级值，即垂直于地层层面方向比平行于地层层面方向容易钻进，这和前人实验结果是一致的[17，18]。地层岩石可钻性各向异性主要是由于其组成的矿物成分、颗粒大小、胶结情况、生成条件、孔隙度、强度和层理结构等不同引起的。图2牙轮钻头和PDC钻头可钻性各向异性指数Fig.2DrillabilityanisotropyindexoftherollerconebitandPDCbit超声波仪计算机打印机岩样FSPDC钻头牙轮钻头Ir井深/m第25卷第1期潘起峰等.用声波法评价地层可钻性各向异性的实验研究•165•图3牙轮钻头和PDC钻头可钻性差值Fig.3DifferencebetweendrillabilityoftherollerconebitandPDCbitinperpendicularandhorizontaldirectionsofbeddingofthesample岩石纵波速度也具有各向异性的特征。对本次测试的岩样，除编号为363#和373#这2块岩样的纵波速度各向异性系数vPI分别为0.77和0.76外，其余岩样纵波速度各向异性系数vPI为0.85～0.98，表现出较弱的各向异性，而且垂直于地层层面的纵波速度小于平行于地层层面的纵波速度，如图4所示。图4纵波速度各向异性系数Fig.4P-waveanisotropycoefficient由于岩块中存有众多不同尺度的裂隙，弹性波通过裂隙时，一方面是裂隙引起了波动能量的消耗，致使波衰减较快；另一方面，波动能量产生了弥散现象。当弹性波沿地层层面方向传播时，裂隙起导波作用；而当弹性波沿垂直于地层层面方向传播时，裂隙起隔波作用。因此，沿地层层面传播的波速大于沿垂直于地层层面传播的波速[17]。对同一块岩样，其牙轮钻头岩石可钻性各向异性和PDC钻头岩石可钻性各向异性不同，如图2，3所示。这主要是因为牙轮钻头和PDC钻头的切削机制不同造成的，即PDC钻头是刮削破岩，而牙轮钻头是冲击挤压破岩。岩性相同的岩石其可钻性各向异性指数不一定相同，其纵波速度各向异性系数vPI也不一定相同。如编号为104#，143#和288#的黑云斜长片麻岩，其微牙轮钻头岩石可钻性各向异性指数分别为0.82，1.03和3.86，微PDC钻头岩石可钻性各向异性指数分别为0.92，1.34和4.72，纵波速度各向异性系数vPI分别为0.95，0.89和0.94。这说明影响岩石可钻性和波速各向异性的因素除了岩性以外，还有岩石结构，如其内部的孔隙、微裂缝、颗粒大小以及其分布等。岩石可钻性各向异性与其声波波速各向异性具有某种内在的联系。随着井深的增加，总体上牙轮钻头和PDC钻头岩石可钻性各向异性指数rI有减小的趋势(见图2，dKΔ有增大的趋势(见图3，纵波波速各向异性系数vPI随着井深的增加，也有减小的趋势(见图4，这表明岩石可钻性各向异性指数和波速各向异性系数之间具有某种内在的联系。为此，分别用指数函数、对数函数、多项式、指数函数加对数函数和线性函数等多种模型对实验数据进行回归分析，综合考虑各模型的拟合效果和外推效果，最后选定指数模型作为可钻性各向异性指数rI和纵波波速各向异性系数vPI的关系模型，回归分析结果见表2。表2中，rRBI为牙轮钻头岩石可钻性各向异性指数，dRBKΔ为牙轮钻头岩石可钻性差值，rPDCI为PDC钻头岩石可钻性各向异性指数。回归分析散点图见图5～7。回归时已剔除了明显表2可钻性各向异性指数和纵波速度各向异性系数回归分析结果Table2RegressionanalysisresultsfordrillabilityanisotropyindexandP-waveanisotropycoefficientsab函数关系回归值标准差a的统计量t值a为0的概率回归值标准差b的统计量t值b为0的概率相关系数RF值a，b同为0的概率IrRB=ea+bIvP－3.4180.840－4.06790.002263.4010.9143.7210.003970.79316.920.0021ΔKdRB=ea+bIvP8.1291.8934.29500.00157－9.9932.361－4.2320.001740.83222.410.0008IrPDC=ea+bIvP－4.2861.491－2.87500.020684.3661.6612.6280.030260.7108.090.0217井深/mPDC钻头牙轮钻头ΔKd井深/mIvP•166•岩石力学与工程学报2006年图5IrRB与IvP回归分析散点图Fig.5RegressionanalysisofIrRBandIvP图6ΔKdRB与IvP回归分析散点图Fig.6RegressionanalysisofΔKdRBandIvP图7IrPDC与IvP回归分析散点图Fig.7RegressionanalysisofIrPDCandIvP的数据异常点。5应用石油钻井中所钻遇的地层绝大部分都是沉积岩。大量实验结果表明[18，19]，对于沉积岩，其岩石可钻性各向异性也有本文相似的规律，在实验室和现场也观察到了和本文实验类似的纵波速度各向异性规律[20，21]。因此，本文用变质岩通过实验得出的岩石可钻性各向异性指数和波速各向异性系数模型同样适用于沉积岩，只是对于不同地区模型中的系数可能有所不同。利用建立的岩石可钻性各向异性指数和波速各向异性系数模型，用河南油田AN2004井的声波测井资料对该井1980～2563m井段进行了牙轮钻头岩石可钻性各向异性评价，用得到的地层可钻性各向异性指数计算了该井段的地层造斜特性参数(地层造斜特性参数为正表示为增斜地层，为负表示为降斜地层，以判断该地层是增斜地层还是降斜地层。所求得研究区块模型系数为：587.1−=a，384.1=b，该井段各向异性评价结果如图8所示。图中：α为井斜角，ϕ为方位角，IrRB为牙轮钻头岩石可钻性各向异性指数，αC为地层造斜特性参数。图8地层可钻性各向异评价结果Fig.8Evaluationresultofdrillabilityanisotropyoftheformation由图8可知，该井段地层造斜特性参数为负值，说明为降斜地层，钻进时，要使该井段井斜角保持稳定或增加则应使用增斜钻具组合以抵抗地层的降斜力。查阅该井的井史可知：该井在井段1980～2363m钻进时使用的是双稳定器微增斜钻具组合，但实测井斜角一直在减小，表明所使用的钻具组合其增斜力不足以抵抗地层的降斜力；在井段2363～2563m用的是双稳定器强增斜钻具组合，由于钻具产生的增斜力大于地层的降斜力，因而该井段井斜角在增加，达到了增斜的目的。由以上分析可知，根据地层可钻性各向异性评价结果作出该地层为降斜地层的判断是正确的。因此，由声波测井资料评价出的地层可钻性各向异性能正确反映该井段的地层特性，从而说明本文提出的方法是可行的。IrRBIvPΔkdRB－0.750.800.850.900.951.00IvPIvPIrPDC井深/mIvPα/(°ϕ/(°IrRBCα第25卷第1期潘起峰等.用声波法评价地层可钻性各向异性的实验研究•167•rockdrillability[J].OilDrillingandProductionTechnology，1989，6结论11(1：15–22.(inChinese[10]HoHS.Predictionofdrillingtrajectoryindirectionalwellsviaanew(1岩石是各向异性介质，具有可钻性各向异性和波速各向异性特征。岩石可钻性各向异性和波速各向异性除了受岩性影响外，还和岩石结构有关。rock-bitinteractionmodel[R].SPE16658，1987.[11]高德利.地层各向异性的评估方法[J].石油学报，1993，14(2：96–101.(GaoDeli.Amethodfortheevaluationofformationanisotropy[J].ActaPetroleiSinica，1993，14(2：96–101.(inChinese[12]赵军，蔡亚西，林元华.声波测井资料在岩石可钻性及钻头选型中的应用[J].测井技术，2001，25(4：305–307.(ZhaoJun，Yaxi，CaiLinYuanhua.Applicationofsoniclogstorockdrillabilityandbitselection[J].WellLoggingTechnology，2001，25(4：305–307.(inChinese[13]邹德永，程远方，刘洪祺.岩屑声波法评价岩石可钻性的实验研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23(14：2439–2443.(ZouDeyong，ChengYuanfang，LiuHongqi.Testingstudyonrockdrillabilityevaluationbyacousticvelocityofcutting[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2004，23(14：2439–2443.(inChinese[14]韩来聚，李祖奎，燕静，等.碳酸盐岩地层岩石声学特性的实验研究与应用[J].岩石力学与工程学报，2004，23(14：444–2447.2(HanLaiju，LiZukui，YanJing，etal.Testandapplicationtosonic(2岩石可钻性各向异性指数和纵波波速各向异性系数的关系用指数模型Ir=ea+bIvP或ΔKdRB=ea+bIvP来拟合，其外推性和相关性较好。对不同地区，模型中的系数不同。(3利用本文建立的模型可以方便地由地震资料或测井资料对地层可钻性各向异性进行评价，结合地层与钻头相互作用模型和底部钻具组合分析程序，可以对井眼轨迹进行预测和控制，这无论是对直井防斜还是对定向钻井都具有重要的意义。(4今后除了继续完善目前的研究外，还应加强岩石可钻性各向异性和横波波速各向异性关系的研究，以便更好地利用地球物理资料和测井资料评价地层可钻性各向异性。参考文献(References[1]白家祉，苏义脑.井斜控制理论与实践[M].北京：石油工业出版社，1990.(BaiJiazhi，SuYinao.TheoryofBoreHoleDeviationControlandPractice[M].Beijing：PetroleumIndustryPress，1990.(inChinese[2]高德利，刘希圣，徐秉业.井眼轨迹控制[M].东营：中国石油大学出版社，1994.(GaoDeli，LiuXisheng，XuBingye.PredictionandControlofWellboreTrajectory[M].Dongying：ChinaUniversityofPetroleumPress，1994.(inChinese[3]薛亚东.地层可钻性及其各向异性的综合智能评测方法[博士学位论文][D].北京：中国石油大学，2001.(XueYadong.Comprehensiveevaluationoftheformationdrillabilityanditsanisotropywithintelligentmethods[Ph.D.Thesis][D].Beijing：ChinaUniversityofPetroleum，2001.(inChinesepropertiesofcarbonaterock[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2004，23(14：2444–2447.(inChinese[15]高原.地震各向异性研究进展——参加2001年IAGA-IASPEI会议总结[J].地球物理学进展，2002，17(2：360–364.(GaoYuan.Developmentofseismicanisotropy：fromthe2001IAGA-IASPEIjointscientificassembly[J].ProgressinGeophysics，2002，17(2：360–364.(inChinese[16]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