PDC钻头岩屑录井识别技术

PDC岩屑测井岩性识别技术的研究与应用由于PDC钻头和3A钻头在制造工艺和结构上的本质差异，以及其特殊的破岩机理，PDC岩屑被非常精细地粉碎(最小粒径为0.5-2.0毫米或粉末)；同时，由于PDC钻头的钻速高，每米钻进时间短，地质工作者很难采集岩石样品来跟上钻头的进度，导致岩性识别、分析和测试困难，剖面符合率低。因此，目前，在石油和石油化学测井行业中，当钻探目标层时，PDC钻头的使用经常受到限制。其原因可归纳为：PDC钻头的高钻速给按地质设计实施岩屑录井带来困难；(2) PDC岩屑细分，岩性难以区分，导致岩屑剖面符合率低，特别是当油品质量较轻，显示水平较低时，容易造成油气显示漏失；(3)当PDC钻头用于砂泥岩段时，钻进时间和振幅差异不明显，特别是砂泥岩颜色相近、砂岩和页岩含量高、粒度小、地层成岩作用差的段，给钻进成层带来很大困难。因此，对随钻PDC岩屑测井岩性识别技术的研究，是为了保证在钻井采用新技术的情况下，测井不会影响钻井技术的进步，完整、准确地采集各种测井数据，使地质测井的各种技术指标，如油气显示的发现率、岩性识别的准确率、地质剖面归位的符合率等。能够满足油田勘探开发的要求，进一步完善随钻测井岩性识别和油气显示快速评价解释技术，提升油田整体勘探开发效益。一、PDC岩屑成因分析1.金刚石钻头的分类(国产)金刚石钻头于20世纪70年代初在国外成功研制，80年代发展迅速。其高钻速、低成本的显著特点在实践中已经得到钻井界的证明和认可，因此得到了广泛的推广和普及。目前，该国大多数油田都使用PDC钻头，统计数据不完整。该国近50%的探井和80%的产量都不同程度地在当地使用PDC钻头。该技术自1987年引入河南油田以来，得到了广泛推广和应用。钻井工期提高了30-50%，给钻井公司和河南油田带来了显著的经济效益和社会效益。根据最近在中国石化西部新区采集的钻井数据，PDC钻头的利用率超过80%，但大部分用于非目标井段。如郑1井3020.20-4616.90米井段使用了FM256D PDC钻头，连续钻进1596.70米，纯钻进时间231小时，平均机械钻进速度7m/h，为提高钻井效率、降低勘探成本带来了显著的经济效益。PDC钻头是人造聚晶金刚石复合片的缩写。这是一种高质量的钻头，使用聚晶金刚石紧密件和硬质合金齿柱来形成嵌入钻头钢体或基体中的切削元件。中国主要的金刚石钻头制造商包括江汉休斯和四川克里斯腾森钻头厂，以及一些小规模地方、油田钻头厂和大学(石油大学、中国地质大学等)生产的各种类型的金刚石钻头。)。钻头类型分类见表。工厂主页江汉休斯四川克里斯腾森Pdc(聚晶金刚石复合片)b系列r系列热稳定聚晶金刚石系列天然钻石)nd系列d系列2.2 .主要特点。PDC钻头(1)钻头没有运动部件(牙轮)。在钻孔过程中，不必担心掉锥，可以实现高转速下的安全钻孔。(2)对不同岩性适应性强。根据地层条件，PDC钻头有不同的设计。例如，对于软地层，钻头的顶部是长的或锥形的。对于硬地层，钻头冠的形状为圆形或抛物线形。因此PDC钻头钻的钻屑是细的，甚至是粉状的，特别是疏松的砂岩通常是粒状的。钻屑含有细小颗粒，便于携带泥浆和保持井底清洁。(6)低WOB剪切破碎均匀，能防止、纠正和稳定倾斜。3.PDC钻头破岩机理PDC钻头根据其切削原理分为F型钻头和R型钻头，其中常用的是F型钻头。牙轮钻头的牙冠形状可分为四种：浅锥度、短抛物线、抛物线和鱼尾。大多数牙齿为圆形或楔形牙齿，破岩方法主要有剪切、预破碎、切梨和研磨。剪切破碎：从岩石的抗压强度可以看出，岩石的抗剪强度远远低于岩石的抗压强度(抗压强度的0.09-0.15倍)。PDC钻头利用岩石的这一特性实现高速钻进，其破岩机理如图3所示。PDC钻头切削力的力分析(首先做出以下基本假设):(1)地层岩石是塑性的；(2)底部孔基本上平行于钻头的轮廓表面；(3)单个切削刃与全钻头有相似之处：钻速与切削刃的穿透深度成正比，作用在单个切削刃上的法向力与钻孔压力成正比；(4)忽略切割角度；PDC钻头刃口的体积磨损与摩擦成正比；切削刃一侧的摩擦力被忽略。在钻头P上的重量合力R和扭矩力T的作用下，由合力R沿剪切平面产生分力F(剪切力)。当力F等于或大于剪切面积与岩石抗剪强度极限强度的乘积时，岩石沿剪切面断裂。一般来说，PDC钻屑比其他类型的金刚石钻头大，它们的钻头适用于中软中硬地层。PDC钻头的刃口采用切削方法破碎岩石。在扭矩力的作用下，PDC钻头可以切入地层并向前移动以剪切岩石。在理想的条件下，当复合碎片刮擦岩石时产生的钻屑将沿着金刚石表面向上移动，直到它与复合碎片分离，并且钻头的切割能量将通过切割齿边缘处的岩石的破裂而被有效地释放。然而，在许多情况下，钻屑所承受的压力使它们靠近切割齿的表面，从而产生摩擦力，阻碍钻屑的运动。这种摩擦力通常会积累到如此高的程度，以致碎片会积累在切割齿的边缘。一旦这种现象发生，井底的岩石运动不再直接依赖于切割齿的边缘，而是通过切割齿表面上积累的碎屑来完成。这样，岩石破碎和迁移将需要消耗更多的能量，从而降低钻井效率。目前，在PDC钻头制造过程中采用了“黑冰”抛光切削技术(黑冰齿的外表面高度抛光，其摩擦系数与闪冰和冰的滑动一样低)。降低了钻屑与切割齿表面的摩擦力，避免了钻屑在切割齿表面的堆积，有效降低了切割时的剪切力，显著提高了钻屑的运动，提高了钻井速度和钻井效率。根据PDC钻头刀片形状和应力分析，楔形刀片设计增加了钻头表面的流道容积，有利于提高钻头的水力性能。新的刀片齿排列方式使钻头的芯部更加开放，具有更大的容屑空间，减少了钻屑在齿上的沉积，有利于改善钻头的清洗条件。根据岩石成岩作用(致密性)，可在钻井现场合理选择PDC钻头类型。一般来说，中等和柔软的结构适合长牙，坚硬的结构适合小牙。当钻头类型与岩石硬度不匹配时，从井筒返回的钻屑有时会变成粉末。例如，在B283井1945-1988米的井段，钻屑薄且呈糊状，无法回收和清理。4.4 .引发的录井技术问题。PDC钻头钻井(1)岩屑量少，岩屑细，岩性识别困难，易漏失砂泥岩钻进时间差异不大(图4)。利用钻井时间曲线划分岩性和地层不再准确，使得传统的钻井过程中基于辅助分层确定岩屑真实名称的方法难以满足现场地质录井的需要。(3)杂物混杂，难以清理碎屑混合给碎屑描述带来一定的困难，尤其是在浅层，这使得利用PDC钻头数据进行随钻地层对比变得困难。如南阳凹陷南76井砂岩含量低。从收集的岩屑来看，1800-2020 m剖面的岩性基本保持不变，泥岩含量为85-95%，砂岩含量为5-15%。很难区分岩性。此外，当单根钻杆钻得很小时，后期井深与标准井深相差很大，并且井筒中留有大量的钻屑，在连接单根钻杆时容易造成钻屑混合。例如张34井：钻1732.32-1741.93米单个井段需要15分钟，潜在时间为23分钟/米，钻至1741.93米时，井筒内钻屑为6米，接单个井段需要3.5分钟，不可避免地造成钻屑混合，难以清理。(4)烃损失大，易泄漏随着岩屑变小，岩屑比表面积增加，油气显示水平降低，油气显示发现和评价难度增加，油气显示发现率和解释符合率降低。传统的捞砂方法是根据迟到时间来计算钻屑的到达时间，通过振动筛滤出泥浆，在振动筛后捞出钻屑和泥浆的混合物，用清水搅拌冲洗，然后干燥。PDC钻头下的泥岩呈糊状，松散砂岩呈散粒状，非常细小。有些混入泥浆中的细颗粒不能在振动处及时分离，直接在除砂处混入泥浆池。另一方面，在清洁过程中，在剧烈搅拌和冲洗下，细颗粒很容易泄漏。因此，记录的岩屑严重失真，不能准确反映地下地质信息，容易造成油气泄漏。p(5)捞砂和冲砂时间与钻井时间不匹配。PDC钻头的平均钻进时间为1 4分钟/米，快速钻进时间小于1分钟，钻进时间小于1米。然而，收集一包插条通常需要2 5分钟。当钻孔时间小于取样时间时，不仅会造成取样困难，而且会降低砂样的质量和代表性。(6)钻孔速度快，薄层显示难以识别。由于常规色谱分析钻孔时间短、周期长，薄层显示难以识别和评价。综上所述，即使是同类型的PDC钻头，对不同构造块中的不同地层的可钻性也不同，导致不同的岩屑混合和破碎程度。T4-2211井岩心二段700-1000米层段，无论是泥岩还是砂岩，钻井时一般为2-3分钟/米，岩石成岩作用差，地层泥浆严重，泥浆返出岩屑，砂岩含量很低，很难区分砂岩和泥岩岩性。bi 283井岩心三段1100-1400 m井段，泥岩和砂岩钻进时间一般为4-6 min/m，岩石成岩性差，砂岩通常为分散颗粒，粒径为0.5-2 mm，泥岩呈糊状，砂岩含量高，粒径大，砂岩和泥岩钻进时间变化不明显。现场测井观察发现，在PDC钻头钻进条件下，细屑产生的主要原因有三个：首先，造成细屑的客观因素是层。对于埋藏浅、成岩作用差、胶结疏松的地层，由于PDC钻头的快速剪切、研磨和破碎以及过早的返出，钻屑很小甚至呈糊状。如王集、下二门、张店地区成岩作用差的廖庄组、核桃园组、核桃园组储层，双河地区的廖庄组、核桃园组储层等。随钻井液返回地面的钻屑被分散第三，钻井技术和BHA因素高泵压、大排量和全井眼钻井。随着钻井技术的进步，目前钻井普遍采用高泵压大排量(泵压高达15-20兆帕，排量高达1300-1500毫升)。在大马力水的作用下，碎石的破碎程度增加。此外，为了防止钻井过程中的自然偏差，在钻井施工过程中经常使用全孔钻井来稳定偏差。靠近钻头直径的钻铤和扶正器，在钻头的上部有几十米长，减小了井壁和钻具之间的环形空间，增加了重复研磨钻屑的研磨程度。二、岩性识别仪器现场测试及应用效果1.“岩性识别仪”识别岩性的原理(1)岩石的放射性岩石中含有的放射性元素主要由铀(U)、钍(Th)、钾(K)等放射性元素组成，因此岩石的放射性强度取决于放射性元素的类型和含量。238的半衰期为4.5109a，232的半衰期为1.421010a，40K的半衰期为1.25109a正常情况下，沉积岩根据放射性强度可分为以下几类：放射性物质含量高：放射性软粘土、红粘土和黑色沥青质粘土中放射性物质含量高。海绿石砂岩、独居石和钾钒矿砾岩具有高放射性。中度放射性物质含量：浅海相和陆上沉积的砂岩，如泥质砂岩、泥质灰岩、泥灰岩等。放射性物质含量较少：砂层、砂岩、石灰岩等。放射性物质含量很少：硬石膏、岩盐、煤、沥青等。(2)“岩性识别器”的设计原则利用岩石矿物中的天然放射性(射线)和射线探测器，检测待测PDC岩屑中的天然射线强度，根据沉积岩天然放射性强度的变化规律，通过仪器标定，定性识别待测样品的岩石类型。为了达到提高岩屑录井技术含量和提高岩屑命名准确性的目的。2.“岩性识别仪”性能及技术指标(1)样机体积小(80厘米50厘米40厘米，重95公斤)，结构简单，操作方便，维护方便。良好的线性度：R2=0.9883(3)样品检测的重复性误差小：平均误差小于5%样品检测灵敏度高：10g可以选择样品分析周期(30秒、60秒、90秒、120秒、180秒)，分析周期短。由于泥岩的值较高，砂岩的值较低，原型利用碎屑包裹晶体，利用金属铅对射线的屏蔽能力，用铅罐将碎屑与晶体密封，通过光电倍增管放大电信号并进行计数，在设定的时间内自动获得平均值。应用表明，虽然每秒钟同一岩屑的伽马计数值不同，但90、120、180秒各时间段的平均值具有良好的重复性，误差约为一个计数点，误差率为3-5%，标准砂泥岩样品混合0-100%进行检测，线性关系良好，方差约为0.99。3.PDC岩屑含泥量估算方法首先，利用自然伽马相对振幅的变化计算泥质含量指数IGR:IGR=(gr destination-grmin)/(grmax-gamin)1IGR0其中：伽马射线目标层的自然伽马振幅(或混合样本)；GRmax纯泥岩的自然伽马振幅；纯砂岩的自然伽马振幅。IGR通过以下公式转换为页岩含量Vsh:Vsh=(2GIGR-1)/(2G-1) 100% 100%Vsh0其中：根据实验室取心分析数据可确定G-