古探1井下古、元古生界復(fù)雜地層鉆頭選型研究

孫晨+許騰龍

鉆頭選型是否適應(yīng)對(duì)鉆井成本、鉆井速度和井身質(zhì)量有直接影響。設(shè)計(jì)者依據(jù)同一區(qū)塊相關(guān)的地層資料和鄰井施工資料，能夠初選出合理的鉆頭；但對(duì)于古探1井這種超深預(yù)探井，同一區(qū)塊施工井很少，可供參考的地層資料和鄰井資料準(zhǔn)確性差，施工過(guò)程就是“摸著石頭過(guò)河”。因此，統(tǒng)計(jì)了已鉆井段的地層資料和鉆頭使用情況后，在確定地層的條件下，對(duì)比不同鉆頭的鉆頭效益指數(shù)和磨損情況，總結(jié)出適應(yīng)下古、元古生界復(fù)雜地層的鉆頭型號(hào)，為元古地層下部鉆進(jìn)鉆頭選型提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鉆頭選型；地層巖石參數(shù)；鉆頭效益指數(shù)；鉆頭磨損分析

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.30.095

在鉆井施工過(guò)程中，鉆頭的選型是否適應(yīng)鉆井成本、鉆井速度和井身質(zhì)量的要求。施工中總是以減少起下鉆次數(shù)，加快鉆井速度，降低鉆井成本；所選鉆頭既要適合地層特點(diǎn)又要兼顧經(jīng)濟(jì)效益。因此，鉆井施工中恰當(dāng)?shù)你@頭選型不僅可以提高機(jī)械鉆速，控制井眼軌跡，實(shí)現(xiàn)安全高效鉆井。本文在對(duì)當(dāng)前常用的鉆頭選型方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹后，選取巖石參數(shù)分析法、鉆頭效益指數(shù)法及針對(duì)鉆頭磨損分析的參數(shù)化分析法三種方法，立足長(zhǎng)慶區(qū)塊古探1井已鉆井段的巖屑錄井資料，通過(guò)對(duì)比不同類型型號(hào)的鉆頭使用效果和磨損原因，篩選出對(duì)下古、元古生界復(fù)雜地層適應(yīng)性強(qiáng)的鉆頭類型。

1鉆頭選型方法

鉆頭選型要考慮的因素繁多，目前在鉆頭選型中主要考慮的參數(shù)有： 鄰近井鉆頭使用資料、地層巖性、電測(cè)資料、鉆具組合、鉆井液性能、經(jīng)濟(jì)效益等。鉆頭選型方法有定性和定量之分，定性就是根據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)，按照巖石力學(xué)劃分巖石軟硬程度，選擇鉆頭類型、材質(zhì)和構(gòu)造；定量則是鉆頭使用效果評(píng)價(jià)法，通過(guò)鉆頭的使用效果作為待選鉆頭的選型依據(jù)；傳統(tǒng)的鉆頭選型方法有每米鉆頭成本法、比能法和利用巖石可鉆性結(jié)合鉆頭的IADC編碼指導(dǎo)鉆頭選型。就目前我國(guó)的鉆井現(xiàn)狀，施工范圍遼闊，鉆頭生產(chǎn)廠家大都有地域局限性。各個(gè)油田在長(zhǎng)期的開(kāi)發(fā)中，形成了適合本區(qū)域施工的鉆頭型號(hào)。但對(duì)于古探1井的施工，參考資料較少，而且資料過(guò)于久遠(yuǎn)，沒(méi)有太大的參考意義。

2鉆頭選型主要方法及原理

巖石力學(xué)參數(shù)法是鉆頭選型的基礎(chǔ)工作，適用于設(shè)計(jì)之初，利用已鉆井取得的地質(zhì)資料和測(cè)井資料獲取地層巖石力學(xué)特性，指導(dǎo)鉆頭選型。最佳的鉆頭選型應(yīng)考慮鉆頭工作效率，同時(shí)兼顧鉆頭的綜合經(jīng)濟(jì)效益后，優(yōu)選出成本低、進(jìn)尺多、機(jī)械鉆速高的鉆頭。因此，結(jié)合古探1井的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，參照下古生界（奧陶系和寒武系）和在鉆的元古生界（長(zhǎng)城系）地層巖性參數(shù)，選取了地層巖石參數(shù)法、鉆頭效益指數(shù)法，參數(shù)化分析法進(jìn)行作為鉆頭選型，作為長(zhǎng)城系地層后期鉆頭選型的依據(jù)。

（1）鉆頭效益指數(shù)法：根據(jù)鉆頭進(jìn)尺、鉆頭機(jī)械鉆速和鉆頭成本3個(gè)因素的數(shù)學(xué)分析作為評(píng)價(jià)鉆頭的使用效果。其計(jì)算公式如下：Eb=αFR/Cb式中：Eb—鉆頭效益指數(shù)；α—系數(shù)，一般取0.6；F—鉆頭總進(jìn)尺，m；R—鉆頭機(jī)械鉆速，m/h；Cb—鉆頭成本，元/只。

（2）參數(shù)化分析法：主要的分析參數(shù)有鉆頭基本參數(shù)、金剛石復(fù)合片的數(shù)量和大小、噴嘴參數(shù)、流道面積、保徑齒參數(shù)、切削齒角度等。鉆頭使用后，對(duì)照鉆壓、扭矩和磨損情況，逐項(xiàng)分析磨損原因，改進(jìn)鉆頭選型。

3鉆頭選型分析

基本情況：古探1井是集團(tuán)公司在長(zhǎng)慶區(qū)塊布置的一口氣預(yù)探井，地質(zhì)構(gòu)造屬于鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶中段，鉆探目的：（1）了解主沖斷層原地巖體天然氣保存條件及成藏特征；（2）尋找并查明下古生界白云巖性圈閉氣藏；（3）探索中新元古界與寒武系生烴能力，儲(chǔ)層發(fā)育及成藏潛力；（4）兼探上古生界和中生界含油氣情況。古探1井井深5191米，長(zhǎng)城系設(shè)計(jì)層厚820米，鉆入298米完鉆。

3.1分析結(jié)果

古探1井地層巖性主要以灰質(zhì)白云巖、砂質(zhì)白云巖和變質(zhì)石英巖為主，再參照巖石特性參數(shù)（見(jiàn)表1），可以判定奧陶系和寒武系為中硬到硬地層，寒武系下統(tǒng)徐莊組和長(zhǎng)城系隨著石英含量的增多逐漸變?yōu)檠心バ缘貙?。因此，根?jù)地層巖石的強(qiáng)度級(jí)別，推薦的鉆頭選型依據(jù)如表1。

3.2鉆頭效益指數(shù)分析法

分別以地層和鉆頭類型為變量，比較同類鉆頭在不同地層的鉆頭效益指數(shù)和同一地層不同鉆頭的鉆頭效益指數(shù)，可以得出迪普DM665H PDC鉆頭對(duì)奧陶系地層白云質(zhì)灰?guī)r的適應(yīng)性較強(qiáng)。而迪普DM565H PDC鉆頭和迪普DM665H 孕鑲PDC鉆頭對(duì)寒武系泥質(zhì)白云巖和白云質(zhì)砂巖適應(yīng)性差，鉆頭效益指數(shù)偏低，原因就是寒武系下統(tǒng)徐莊組底部石英含量增多，地層硬度和研磨性增強(qiáng)。對(duì)比古探1井和桃59井長(zhǎng)城系地層的鉆頭效益指數(shù)，發(fā)現(xiàn)哈利伯頓IQ516 孕鑲金剛石鉆頭和國(guó)民油井FT813B 孕鑲PDC鉆頭使用效果相當(dāng)，可以作為古探1井后期鉆頭選型的參考。

在寒武系下統(tǒng)徐莊組試驗(yàn)了PDC、三牙輪和孕鑲PDC鉆頭，對(duì)比鉆頭進(jìn)尺、機(jī)械鉆速和鉆頭效益指數(shù)，江漢MD637HDY三牙輪鉆頭的各項(xiàng)指標(biāo)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類型鉆頭。

3.3參數(shù)化分析法

古探1井下古、元古生界地層共使用了10只鉆頭，主要為PDC鉆頭、孕鑲PDC鉆頭和孕鑲金剛石鉆頭，盡管鉆頭型號(hào)不同，有幾只鉆頭的磨損情況卻極其相似，主要表現(xiàn)為牙齒磨損嚴(yán)重和牙齒崩碎現(xiàn)象。

PDC鉆頭選型。隨著地層主要巖性從灰?guī)r、白云巖過(guò)渡到石英巖，地層硬度級(jí)別逐漸增大到研磨性地層，鉆頭牙齒磨損程度也逐漸變大。在烏拉力克組-三道坎組，石英含量較低，迪普DM665H PDC鉆頭磨損程度只有1/8；在三道坎-徐莊組隨著石英含量逐漸增至60%，鉆頭牙齒磨損程度達(dá)到了3/8-4/8，而且內(nèi)排齒和外排齒同時(shí)磨損，說(shuō)明常規(guī)PDC牙齒已經(jīng)不能滿足高研磨性地層鉆進(jìn)的需要；盛輝M616KS PDC鉆頭由于八刀翼剛體鉆頭，鉆壓最高加到100-120KN，盡管鉆時(shí)達(dá)到500分鐘一米，牙齒磨損程度卻只有2/8，而迪普DM665H 孕鑲PDC鉆頭的工作鉆壓在120-150KN之間。就牙齒崩碎程度而言， DM565 PDC鉆頭牙齒崩碎程度更大，甚至有牙齒崩掉的現(xiàn)象；DM665孕鑲PDC鉆頭由于在PDC牙齒后面分別布置了一排用于切削的孕鑲齒和一排用于減震的孕鑲齒，鉆頭外排齒的崩碎程度很小，相反內(nèi)排齒的崩碎程度就比較嚴(yán)重。因此，古探1井長(zhǎng)城系后期施工中建議使用孕鑲齒金剛石鉆頭，推薦型號(hào)為迪普DM585，國(guó)民油井FT813B、哈利伯頓IQ516。但是哈利伯頓IQ516鉆頭現(xiàn)場(chǎng)使用效果來(lái)看，機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺明顯提高，可鉆頭磨損嚴(yán)重，42.2mm的工作部分全部磨損殆盡。主要有以下幾點(diǎn)原因：其一是孕鑲齒所含金剛石顆粒比例太少，基體材料硬度不夠?qū)е履p過(guò)快；其二是金剛石顆粒與基體材料膠結(jié)程度不夠，基體材料磨損后金剛石顆粒脫落；其三是金剛石顆粒材料硬度不夠，或者不適應(yīng)地層高溫條件，導(dǎo)致過(guò)快磨損；其四是鉆進(jìn)參數(shù)或工藝條件與鉆頭部匹配，導(dǎo)致鉆頭過(guò)早磨損。

牙輪鉆頭選型。從鉆頭使用效果來(lái)看，對(duì)比鉆頭進(jìn)尺、機(jī)械鉆速和鉆頭效益指數(shù)，江漢MD637HDY三牙輪鉆頭的各項(xiàng)指標(biāo)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類型鉆頭，但是鉆頭只使用30小時(shí)就徹底報(bào)廢，從鉆頭磨損情況和打撈結(jié)果來(lái)看，幾乎造成一起井下事故。所以在深井和超深井鉆井中，決不能在鉆進(jìn)過(guò)程中盲目的追求機(jī)械鉆速，提前損壞鉆頭。也說(shuō)明了牙輪鉆頭的使用壽命不僅受到軸承的影響，牙齒和牙輪的強(qiáng)度在硬地層中也極大地影響鉆頭的使用效果。

4結(jié)論

（1）古探1井地層屬于中硬、硬地層和研磨性地層，奧陶系和寒武系上統(tǒng)建議使用IADC編碼M/S433-M/S444型號(hào)的PDC鉆頭，鉆頭結(jié)構(gòu)上首選6-8刀翼、多排齒、φ13mm復(fù)合片鉆頭，推薦型號(hào)迪普DM665PDC鉆頭、DM585孕鑲PDC鉆頭，可以嘗試8刀翼以上、φ8mm復(fù)合片PDC鉆頭；寒武系下統(tǒng)和長(zhǎng)城系建議使用全孕鑲金剛石鉆頭，參考型號(hào)：哈利伯頓IQ516、國(guó)民油井FT813B，從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果來(lái)看，鉆頭質(zhì)量還有待改進(jìn)。

（2）深井、超深井謹(jǐn)慎使用牙輪鉆頭，使用時(shí)嚴(yán)格控制鉆進(jìn)參數(shù)，嚴(yán)禁追求高機(jī)械鉆速，過(guò)分強(qiáng)化參數(shù)損毀鉆頭。

（3）鉆頭選型綜合考慮地質(zhì)構(gòu)造、巖性參數(shù)和鉆頭使用效果之后，還要選擇鉆井工藝條件，正確選擇使用不同轉(zhuǎn)速螺桿和渦輪，合理的控制鉆進(jìn)參數(shù)，才能實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、安全、高效鉆井。endprint