大牛地氣田DP94H井導(dǎo)眼鉆頭選型

張建麗，周 權(quán)，徐永斌，吳海濤

(1.中國(guó)石化勝利石油管理局鉆井職工培訓(xùn)中心，山東 東營(yíng) 257061;2.中國(guó)石化勝利石油管理局黃河鉆井北方分公司，山東 東營(yíng) 257000)

鄂北工區(qū)大牛地區(qū)塊目前主要以水平井為主且大部分水平井需要進(jìn)行導(dǎo)眼的鉆進(jìn)，由于導(dǎo)眼段鉆遇的地層跨度大，從新生界到下古生界，巖性多樣，主要包括泥巖、砂巖、煤層、鋁灰?guī)r、云巖、灰?guī)r;井眼軌跡復(fù)雜(直–增–穩(wěn)–降–穩(wěn))，滑動(dòng)鉆進(jìn)井段長(zhǎng)，復(fù)合鉆進(jìn)井段較短，這些因素直接制約了本工區(qū)的鉆井提速，尤其在鉆頭選型方面存在著諸多分歧。本文在前人的基礎(chǔ)上，優(yōu)選出幾種鉆頭在DP94H井試用，針對(duì)使用情況給出了自己的建議。

1 DP94H井簡(jiǎn)介

DP94H井為一口帶有導(dǎo)眼的水平井，位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東北部。導(dǎo)眼完鉆層位為奧陶系馬家溝組，實(shí)際完鉆井深為3 233 m，導(dǎo)眼段井眼軌跡為直–增–穩(wěn)–降–穩(wěn)結(jié)構(gòu)，井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 DP94H井井身結(jié)構(gòu)與套管程序數(shù)據(jù)表

本井依次鉆遇以下地層:新生界、志丹群、安定組、直羅組、延安組、延長(zhǎng)組、石千峰、上石盒子組、下石盒子組(盒2、盒1)、山西組(山2、山1)、太原組(太2、太1)、馬家溝組。鉆遇地層跨度大，巖性復(fù)雜多變。

2 一開井段(新生界-延安組)

一開地層主要為河流相沉積，砂礫巖發(fā)育，從新生界至一開完鉆，憋跳現(xiàn)象較嚴(yán)重，扭矩為0～11 kN·m，變化幅度很大，容易造成鉆頭的先期破壞。一開本井鉆頭采用大螺旋、大切削齒(≥19 mm)、長(zhǎng)刀翼帶有減震齒的胎體PDC鉆頭［1］，避免礫石對(duì)胎體的沖擊破壞，增強(qiáng)了鉆頭抗回旋能力，同時(shí)機(jī)械鉆速達(dá)到了40.45 m/h。圖1為一開鉆時(shí)曲線。

由圖1可知，新生界到直羅組鉆時(shí)較快，平均鉆時(shí)在1.39 min/m，進(jìn)入延安組(264～404 m)為深灰、灰黑色泥巖等厚互層夾煤層，其中灰黑色泥巖膠結(jié)致密，為良好的生油氣層，同時(shí)為本層的小蓋夾層，鉆時(shí)快慢交替(1.8 min/m)。延安組底部為含礫粗砂巖，鉆時(shí)較快(1.32 min/m)。一開鉆時(shí)整體呈現(xiàn)快-慢-快的變化趨勢(shì)。平均鉆時(shí)1.48 min/m。

3 二開井段(延安組-馬五5)

大牛地區(qū)塊二開后盒2段以上層位均呈現(xiàn)反鉆時(shí)(砂巖鉆時(shí)慢，泥巖鉆時(shí)快)現(xiàn)象，盒2以下至太原組呈現(xiàn)出正鉆時(shí)(砂巖鉆時(shí)快，泥巖鉆時(shí)慢)，本溪組鋁土巖鉆時(shí)最快，馬家溝地層根據(jù)灰?guī)r及云巖泥質(zhì)含量的不同，鉆時(shí)略有差別，馬五5由于灰?guī)r較純，孔隙度最小，所以鉆時(shí)最慢。

3.1 二開直井段(延安組-石千峰)

劉家溝組以上地層泥質(zhì)膠結(jié)，孔隙度大，膠結(jié)疏松，鉆時(shí)較快;劉家溝組泥巖和細(xì)砂巖互層，鐵質(zhì)膠結(jié)及鈣質(zhì)膠結(jié)致密，鉆時(shí)為中生界最慢;延長(zhǎng)組為河流相沉積，砂礫巖發(fā)育，本井二開后從404.5 m至1 100 m，憋跳一直很嚴(yán)重，但鉆時(shí)相對(duì)較快，上部延長(zhǎng)組中部及二馬營(yíng)組容易掉塊，注意防卡。圖2為DP94H井二開直井段鉆時(shí)曲線。

由圖2可知，鉆時(shí)逐漸變慢，鉆至劉家溝底部1 980 m最慢，穿過(guò)劉家溝后，鉆時(shí)變快。二開直井段鉆時(shí)整體呈現(xiàn)出快-慢-快的趨勢(shì)。

二開直井段使用了兩只S1655FC鋼體PDC鉆頭，第一只S1655FC使用情況如圖3和表2所示。

表2 兩只S1655FC使用情況統(tǒng)計(jì)

該鉆頭為鋼體5直刀翼PDC鉆頭，16 mm切削齒，5刀翼為非對(duì)稱分布，增強(qiáng)了鉆頭的抗回旋性能，同時(shí)每個(gè)刀翼的鼻部和肩部都備有二級(jí)齒，加強(qiáng)了鉆頭的耐磨性，保徑部位由主保徑和被動(dòng)保徑共同組成，共有12 cm長(zhǎng)，有利于直井段的防斜打直。

由圖3可知，鉆頭兩個(gè)長(zhǎng)刀翼內(nèi)錐斷落，其余三個(gè)短刀翼內(nèi)錐刀翼磨損嚴(yán)重，鉆頭中心部位形成一個(gè)環(huán)形槽，鼻部、肩部、外錐齒及保徑齒的復(fù)合片崩裂并且磨損嚴(yán)重。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆情況分析，404～1 100 m鉆頭憋跳鉆嚴(yán)重，砂礫巖發(fā)育，鉆頭胎體受到了嚴(yán)重的軸向沖擊載荷、切向載荷以及側(cè)向的沖擊載荷，導(dǎo)致主切削齒復(fù)合片和基體的崩裂，同時(shí)磨損刀翼本體。針對(duì)本地層的砂礫層，臨井選用抗沖擊性強(qiáng)的19 mm主切削齒分布于易磨損的鼻部、肩部，同時(shí)二級(jí)齒換成圓錐形減震齒［2］，增強(qiáng)鉆頭的減震效果;同時(shí)增加內(nèi)錐切削齒的布齒密度，減小單個(gè)齒的受力強(qiáng)度。

劉家溝細(xì)砂巖為灰質(zhì)及鐵質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)致密，鉆頭吃入地層困難，鉆壓120 kN，轉(zhuǎn)盤扭矩為8 kN·m，扭矩的變化幅度很小，平均鉆時(shí)為8 min/m。第二只S1655FC使用后的情況如圖4所示，鉆頭冠部主要是石英磨損，集中在鉆頭的鼻部、肩部以及保徑部位，其中內(nèi)錐部位無(wú)磨損，更加證實(shí)了地層致密，鉆頭的吃入淺，對(duì)地層的破壞小，鉆時(shí)慢。但該鉆頭在石千峰的大段棕紅色泥巖中發(fā)揮了很大的優(yōu)勢(shì)，既防止了鉆頭的泥包又提高了機(jī)械鉆速，平均鉆時(shí)為7.45 min/m。

直井段小結(jié):直井段地層地層疏松，鉆時(shí)較快。上半段的砂礫巖發(fā)育，導(dǎo)致鉆頭鉆頭復(fù)合片的崩裂，進(jìn)入劉家溝后，石英含量的升高，導(dǎo)致鉆頭的磨損加劇，最終導(dǎo)致很多井隊(duì)在未穿過(guò)劉家溝就更換鉆頭，對(duì)于上部地層，應(yīng)選擇19 mm主切削齒、直刀翼、鋼體PDC鉆頭。穿過(guò)石千峰地層后，務(wù)必使用鋼體鉆頭鉆穿大段泥巖的石千峰和上石盒子直至造斜點(diǎn)。二開直井段可以選擇胎體鉆頭，抗沖擊及抗磨性強(qiáng)，但鉆時(shí)相對(duì)較慢，一趟鉆可以鉆至造斜點(diǎn)，對(duì)于胎體鉆頭鉆遇石千峰和上石盒子地層的泥巖易發(fā)生泥包，導(dǎo)致鉆時(shí)變大。

3.2 二開增斜段(石千峰底部-盒1)

二開增斜段鉆遇石千峰、上石盒子、盒3段、盒2段大段泥巖，本井段下入S1655FGA2鋼體PDC鉆頭，鉆時(shí)較快，一只鉆頭鉆完增斜段，平均機(jī)械鉆速5.58 m/h，鉆頭出入井情況如圖5所示。

由圖5可知，S1655FGA2為全部進(jìn)口齒，鉆頭的抗磨和抗沖擊性有了很大的提升，由于保徑部位僅7 cm長(zhǎng)，增加了鉆頭的側(cè)向切削能力。大刀翼、大水槽避免了在大段易造漿的泥巖段中先期泥包，配置的二級(jí)齒，加強(qiáng)了鉆頭的穩(wěn)定性，減少了鉆頭的渦動(dòng)損害。

使用后的鉆頭冠部主切削齒磨損很小，但是主保徑齒崩裂較多，因此對(duì)于大斜度井鉆頭主保徑部位和井眼的下井壁是點(diǎn)接觸，接觸面積小，單位面積上的受力最大;而被動(dòng)保徑部位和下井壁為面接觸，接觸面積大，單位面積的受力最小。因此大斜度井鉆頭主動(dòng)保徑齒應(yīng)選用小切削齒13 mm，同時(shí)增加布齒密度，減小每一個(gè)齒的受力強(qiáng)度。

圖6為鉆頭增斜段復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)的鉆時(shí)曲線，為了對(duì)比地層的可鉆性，刪除了滑動(dòng)鉆進(jìn)的鉆時(shí)。由圖6可知，上石盒子組鉆時(shí)最快，且鉆時(shí)平均，夾層較少。盒3和盒2段鉆時(shí)較快，但硬夾層較多，盒1段鉆時(shí)最慢，整個(gè)增斜段鉆時(shí)逐漸變慢。仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)盒3、盒2段鉆時(shí)逐漸增加，驗(yàn)證了盒2段上部為反鉆時(shí)，盒1段鉆時(shí)逐漸減小，更加符合河流相沉積理論(正旋回:泥-細(xì)砂-粗砂)。

增斜段小結(jié):目的層位于盒1段，增斜段鉆遇大段泥巖，鉆頭吃入能力強(qiáng)，夾層少，扭矩穩(wěn)定，工具面穩(wěn)定，滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)效果好，所以盒3之前，盡量地把井斜挑起來(lái)，下石盒子地層盡量少滑動(dòng)鉆進(jìn)，多選擇大的泥巖層位定向，有利于提高機(jī)械鉆速。所以本地層如果選擇19 mm大齒鋼體PDC鉆頭，同時(shí)配合小齒保徑齒，不但可以避免鉆頭泥包，同時(shí)獲得更高的機(jī)械鉆速。

3.3 二開降斜段(盒1-馬家溝)

二開降斜段鉆遇大牛地區(qū)塊主要目的層，生、儲(chǔ)、蓋層發(fā)育成熟，鉆時(shí)快慢交替明顯。圖7為二開降斜段鉆時(shí)曲線。

由圖7可知，盒1底部有6～10 m的大段含礫中砂巖，易造成鉆頭的軸向沖擊及側(cè)向沖擊損壞;由于山西、太原組多含煤層，山1段和太原組多次出現(xiàn)快鉆時(shí)且煤層易坍塌卡鉆;本溪組為鋁土巖鉆時(shí)較快(3～5 min/m);進(jìn)入馬家溝后，鉆時(shí)明顯較上部地層變慢，馬五1-4為含泥云灰?guī)r，鉆時(shí)較快，而馬家溝馬五5由于為較純的黑色灰?guī)r，膠結(jié)致密，鉆時(shí)最慢，對(duì)鉆頭的磨損較嚴(yán)重。

由于目的層石英含量最高，泥巖硬夾層較多，呈現(xiàn)出明顯的正鉆時(shí)現(xiàn)象，對(duì)鉆頭的磨損嚴(yán)重，礫石含量少，鉆頭冠部切削齒很少出現(xiàn)崩裂的現(xiàn)象，主要是磨損。本段地層使用16 mm主切削齒、全進(jìn)口復(fù)合片齒、雙排齒、直刀翼，短保徑胎體PDC鉆頭。從起出的鉆頭可知，此鉆頭較適合本區(qū)塊，此段僅用一只鉆頭鉆至設(shè)計(jì)井深，且平均機(jī)械鉆速達(dá)到了8.16 m/h，鉆頭外錐及鼻部有輕微的磨損，齒無(wú)崩裂現(xiàn)象，但是保徑部位切削齒崩裂較多，因此對(duì)于大斜度井保徑部位切削齒的設(shè)計(jì)應(yīng)該引起重視。

4 結(jié)論及建議

1)大尺寸切削齒、大螺旋刀翼配有雙排胎體PDC鉆頭適合于一開井段。

2)二開上部直井段(劉家溝組以上)選擇大齒、大螺旋鋼體PDC鉆頭，穿過(guò)劉家溝后，下部直井段主要為大段泥巖，宜采用中齒鋼體PDC鉆頭，能獲得較高的機(jī)械鉆速。

3)石千峰組到下石盒子盒1增斜段選擇一只16 mm主切削齒、中等螺旋或直刀翼鋼體PDC鉆頭，能鉆完增斜段。

4)盒1段以下為大牛地區(qū)塊主要目的層，硬夾層多，選擇一只胎體16 mm主切削齒、直刀翼PDC鉆頭可以鉆至設(shè)計(jì)井深。

5)大斜度井的鉆頭保徑部位應(yīng)該加強(qiáng)設(shè)計(jì)，避免部分齒的損壞導(dǎo)致整只鉆頭的失效。

［1］翁煒．含礫石用 PDC鉆頭研究［D］．北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2009．

［2］陳庭根，管志川．鉆井工程理論與技術(shù)［M］．東營(yíng):石油大學(xué)出版社，2000．