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| PDC (金刚石复合片)钻头钻井录井方法初探 |
| 作者：詹仲伦 转贴自：中国石化中南石油局综合录井公司 |
摘要： PDC（(金刚石复合片)）钻头钻井在提高钻井速度、降低钻井成本、增加经济效益的同时，却给钻时卡层、岩屑录井、油气层判别等带来诸多困难。总结塔河油田和松滋油田多口井PDC钻头钻井的录井施工经验发现："大套观察、高中求低、低中求高、幅低看岩屑"的钻时录井方法能较好地解决PDC钻头的钻时卡层问题；多点、多次取样法，镜下观察描述法有效地保证了PDC钻头钻进地层的岩屑录井质量；综合分析法提高了油气层判别的准确率；正确的钻头选型可提高砂样中真岩屑的比例和机械钻速，实现"高效钻井"与"优质录井"的和谐统一。
关键词： 岩屑；钻时；油气；录井；钻头选型； PDC
一、引言
PDC全称为Polycrystalline Diamond Compact（聚晶金刚合金片），这类钻头是石油钻井中针对中软地层而开发的新型钻头。与传统的牙轮钻头相比，PDC钻头有着机械钻速高、适应地层广、使用寿命长、安全系数大、辅助时间少等优势。但PDC钻头钻进时，砂、泥岩的钻时差异变小，出现复杂的钻时组合特征，给钻时卡层带来较大的困难。并且PDC钻头的钻屑细小，一定程度上影响了岩屑录井质量，进而影响到整个综合录井的质量和油气层的发现。另外，不同型号的PDC钻头对不同地层岩性的适应性差异性很大，如选型不当，不仅达不到高效、快速钻井的目的，还会严重影响综合录井质量。本文总结塔河油田和松滋油田的多口井PDC钻头钻进综合录井经验，从钻时卡层、岩屑录井、油气层判别及PDC钻头选型四个方面探讨PDC钻头钻进条件下的综合录井方法。
二、PDC钻头的钻时卡层
牙轮钻头钻进泥岩钻时高、钻进砂岩（储层）钻时低，通过钻时高低可区分泥岩与砂岩（储层），达到初步划分岩性、卡准油气层（储层）之目的。而PDC钻头钻进时，其泥岩与砂岩（储层）之间的钻时区别减小，并出现三种不同的钻时组合特征：①泥岩钻时高于砂岩（储层）（泥高砂低），②泥岩钻时低于砂岩（储层）（泥低砂高），③泥岩与砂岩（储层）钻时接近（砂泥相近）。在塔河油田PDC钻头钻进，大体上具以下规律：（1）钻进吉迪克组及其以上地层时，砂岩钻时低于泥岩，但差别不及牙轮钻头大。（2）钻进苏维依组及卡普沙良群时，其砂岩钻时略较泥岩高。（3）钻进上第三系~白垩系上统时，其砂岩钻时明显低于泥岩，砂泥岩钻时差别接近或高于牙轮钻头。（4）钻进侏罗系、三叠系、石炭系时，大部分砂岩钻时低于泥岩，但也有砂岩钻时高于泥岩的，还有砂、泥岩钻时接近的。石炭系巴楚组灰岩钻时明显高于泥岩，与牙轮钻头的钻时曲线特征完全相反。（5）PDC钻头钻进粉砂岩、泥质粉砂岩、碎裂细砂岩以及胶结疏松粒级细砂级以上的砂岩时，其钻时明显低于泥岩；钻进胶结较致密、粒度细砂级以上（不包括碎裂细砂岩）的砂岩时，其钻时高于泥岩或与泥岩接近。通过塔河油田部分钻井PDC钻头钻时特征的总结，结合松滋油田部分井PDC钻头与岩性的对应规律，归纳出以下钻时录井方法："大套观察、高中求低、低中求高、幅低看岩屑"。
所谓"大套观察，高中求低，低中求高，幅低看岩屑"展开来讲就是：大套观察岩屑，找一典型层作标准层（一般是单种岩屑含量高、厚度较大的层），若该层为泥岩且对应高钻时，那么对应低钻时的就是砂岩（高中求低）；若该层为泥岩且对应低钻时，那么对应高钻时的就是砂岩（低中求高）；若钻进很快且钻时变化幅度很小时，则主要依据还是岩屑的百分含量，同时也要注意钻时的微小变化，合理划出地层界线。
在应用上述方法的同时，还需考虑影响钻时的其它一些主要因素，如砂（砾）岩的粒度大小、胶结程度、砾（质）岩中砾石含量多少、钻井参数变化情况、钻头的新旧程度及是否泥包等等。
三、PDC钻头钻进岩屑录井
保证岩屑录井质量的前提是提高砂样中真岩屑的比例和正确区分真假岩屑。由于PDC钻头钻屑相对细小，常规的捞砂方法所捞取的砂样中真岩屑的比例较低，因而在砂样采集过程中，应采取多点、多次取样法，即在高架槽的不同位置和振动筛前分别多次捞取岩屑，集合成样，砂样清洗应以淘洗为主，以免颗粒细小的真岩屑的流失，确保砂样中真岩屑的比例。
在中软地层（尤指砂、泥岩）中使用PDC钻头钻进，其钻头破碎岩石的方式主要为合金片的刮擦（剪切）作用，机理如图1所示（图中箭头所指的方向为合金片的运动方向）。砂、泥岩真岩屑典型特征基本一致：正面（以原生产状的上面为正面）具有类似褶皱的皱纹，皱纹的形成是由合金片切削地层时正向挤压形成的，皱纹的轴向（或走向）基本平行且与主应力方向正交（图2）；背面特征基本相同，都是一个较平滑的"擦面"，主要区别是泥岩岩屑的"擦面"较砂岩岩屑的"擦面"光滑程度好，砂岩因其组成成分中硬度较高的砂粒在刮擦的时候易形成"擦痕"，"擦痕"的指向与主应力方向平行（图3）。
PDC钻头钻屑除具上述的典型特征外，其形状、大小还与钻头型号、地层岩性有着密切关系。如塔河油田S××井使用的7种型号PDC钻头中，除BGH562和巴拉斯SL213两型钻头的钻屑细小外，其余5种型号（R426、R535N、R435、G447D、M1365）钻头的钻屑均为一面光滑、一面皱纹的片状，岩屑最大为5×10×1mm，最小为2×2×1mm，一般为3×5×1mm，基本上满足常规岩屑录井的需要。当然，相同型号的PDC钻头，揭示的地层岩性不同，其钻屑特征亦不尽相同。泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、碎裂细砂岩、胶结致密的细、中砂岩，其钻屑多呈片状，而胶结疏松的细、中、粗砂岩的钻屑多呈散粒状。在区分出真假岩屑的基础上，采用双目镜、偏光显微镜现场鉴定岩屑，可以大大提高岩屑鉴定的准确性。当钻时不明显、岩屑又很混杂时，可采用"气测值法"和"地化混合样法"来辅助判别所揭示地层的岩性。
气测值法--就是利用砂岩（储层）的孔隙中存在流体（水或油气），能够引起气色谱分析值的变化来实现判别岩性的目的。在近平衡钻井过程中，当储层含有物为油气时，其油气扩散到泥浆中会引起气测色谱分析值的升高；当储层含有物为水时，水中的溶解气（如甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳、氢气等）会随水一起进入泥浆中，引起气测色谱分析值的某种变化。通过对色谱资料与验证过的岩性资料对比分析，可找出色谱分析值的变化与岩性的对应关系，便能利用气测色谱分析资料来辅助判别岩性。
地化混合样法--就是对混合砂样进行酸解烃和孔隙度分析，利用这两项参数来辅助区分岩性。正常情况下，暗色泥岩的酸解烃值高、红色等到浅色泥岩酸解烃值低、砂岩酸解烃值最低（不受砂岩含油气因素影响），系统分析酸解烃值的变化规律，可找出酸解烃与岩性的对应关系。砂岩（储层）的孔隙度大，泥岩的孔隙度小，实际操作时，用电子天平称取一定数量的砂样（混合样）干燥脱水后，再称其重量，二者之差即为孔隙流体的重量，乘上一个系数（系数大小与流体性质有关）就得出混合样的孔隙度。混合样的孔隙度越大，说明混合样中的砂岩比例越高，所分析地层的岩性有可能为砂岩（储层）。
四、PDC钻头钻进时的油气层判别
前文已提到PDC钻头钻进较疏松砂岩时，其钻屑多呈散粒状，其实，物性较好的砂岩其牙轮钻头的钻屑亦呈散粒状，如塔里木盆地雅轮构造带苏维依组底砂岩、塔河油田三叠系阿克库勒组中、下油砂组，无论使用何种钻头其钻屑均为散粒状。这种散粒状砂样的确给油气级别判断带来影响，不同类型油气显示层其影响程度各异，重质油层和气层影响较小，油气层影响较大。
重质油层：由于重质油粘附性好，尽管岩石被钻头破碎成散粒状，其被原油浸染过的痕迹仍会保留，在荧光灯下不难捕捉到，只是观察到的油气显示级别可能会较原有状态低1~3级；定量荧光分析更是能够准确地分析出原油的含量及其性质。再结合气测录井、泥浆参数录井、工程参数录井综合判断，油层是不会漏掉的。
气层：由于气层中的烃的组分以轻组分为主，重组分含量极少，大多数不具荧光反应，无论岩屑形状如何，对其定性判断无甚影响。因其主要依靠气测色谱分析和泥浆参数录井来发现的。
油气层：油气层的烃组分中既有重质成分，又有轻质成分，既有饱和烃又有芳香烃，所以在正常情况下，其岩屑肉眼，荧光观察及气测录井均应见到好的显示。但PDC钻头将储层岩石破碎成散粒状后，再加上井内高温泥浆的淘洗，其含油级别会大大降低，甚至在岩屑上看不到油显示。在这种情况下，现场录井技术人员应该紧紧抓住气测录井这个关键环节，以气测异常为导向，对气测异常段进行重点荧光复查，不放过任何可疑的荧光显示，尤其是低级别荧光显示，对比级别只有1~2级的荧光显示也可能就是油气层的显示。另外还应该结合定量荧光、罐项气、岩石热解、热真空蒸馏色谱分析等资料，综合判定所揭示的储层是否为油气层。
四、PDC钻头选型
PDC钻头对地层的适应性决定了其钻进速度和钻屑的形状，因而PDC钻头选型不仅仅是钻井工程师所关心的问题，也是录井工程师所关心的重要问题。不同油田或同一油田不同区块的地层岩性特征不同，使用同一型号的PDC钻头的效果差异往往很大，录井技术人员应该按岩性组合特征统计分析区块PDC钻头使用效果，筛选出最佳的PDC钻头型号，从源头上为PDC钻头钻进综合录井质量提高创造条件。
如我们对塔河油田××构造带S××井使用的7种类型PDC钻头使用效果进行综合分析，得出R435、G447D、R535N、M1365等大齿型钻头使用效果，优于BGH562、SL213（巴拉斯）等小齿型钻头。
再如塔河油田三级结构井TK211井在二开井段，使用的FS2563型PDC钻头（直径244.5mm）日最高进尺达1064.01m，单只钻头一次入井钻进进尺3919.66m（钻进井段1470.35- 5390.01m），平均机械钻速10.38m/h，钻进地层自库车组-巴楚组。
综上所述，大齿型PDC钻头不仅机械钻速高，而且钻屑颗粒较大，岩屑录井剖面与测井曲线吻合程度高、钻时和油气卡层精度均较小齿型PDC钻头高。PDC钻头的使用效果不仅与钻头型号有关，还与地层岩性、钻井参数、井眼条件及实际操作情况有关。地层的可钻性与钻头的硬度系数不相匹配、钻井参数不合理、井径不规则、井底不干净、操作失误出现溜钻、顿钻时，钻头的使用效果差，机械钻速低，钻屑细小，其岩屑、油气录井质量相对较低，对钻井施工和综合录井均不利。
结束语
1．"大套观察、高中求低、低中求高、幅低看岩屑"的钻时卡层法较好地解决了PDC钻头钻进的钻时卡层问题，尤其是归纳总结一个构造区上已施工钻井的钻时组合特征，对指导该构造区下步钻井施工的钻时卡层具有重要意义。
2．采用多次、多点集合样法可以提高砂样中真岩屑的比例；"气测值法"、"地化混合样法"可以辅助区分泥岩与砂岩（储集岩）；在正确识别真假岩屑的基础上，使用双目镜、偏光显微镜鉴定岩屑，可提高岩屑鉴定的准确率，确保岩屑录井质量。
3．以气测色谱资料为主，结合荧光、定量荧光、罐项气、岩石热裂解、热真空蒸馏色谱分析资料，对储层进行综合分析，基本上能够判别其是否为油气层。
4．正确的PDC钻头选型，可从源头上为综合录井质量提高创造条件，并能达到高效钻井和高质量录井的和谐统一。在提高机械钻速、缩短建井周期、增加经济效益的同时，又不会给综合录井质量带来太大的影响。正常情况下，大齿型PDC钻头的综合效果优于小齿型PDC钻头。
5．在油气田勘探开发过程中，普查井、探井目的层段最好不使用PDC钻头钻进，以免影响油气成果；开发井、评价井根据需要，目的层段也可以使用PDC钻头，其对钻时、岩屑、油气录井的影响可通过综合分析法最大限度地予以规避。
6．PDC钻头钻进录井是我们录井工作者所面临的一个全新的课题，还有许多技术难题待攻克。如当储层与盖层的钻时无差别或差别极小时，所有的钻时卡层方法都是无效的，只有依赖岩屑、气测录井，而岩屑录井存在的迟到时间问题，使得其卡层效果远远满足不了规范的要求（井深越大，油层被揭开的越多，薄油层和中厚油层都有可能被完全打过）。再就是当钻头选型不当、井眼条件不好、岩屑十分混杂、泥浆中含有一定量的原油（已揭开油层的原油混入泥浆中）等多种因素加杂在一起时，其岩性、油气判别的难度非常大，综合录井质量无法保证。因此，提高PDC钻头综合录井质量应该从PDC钻头选型这个源头做起，选择合适的PDC钻头是提高录井质量的关键。
由于作者的水平有限，本文也许挂一漏万，错误和不当之处一定存在，敬请各位领导、专家批评指正。
作者简介：詹仲伦，男，1964年出生，1989年毕业于中国地质大学（武汉），石油地质工程师，主要从事录井技术研究和录井生产管理。地址：中国石化中南石油局综合录井公司 （410118）（长沙）
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