紅河油田地層可鉆性研究與鉆頭優(yōu)選

閆吉曾

(中石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006)

0　引言

鄂爾多斯盆地紅河油田屬于致密低滲油藏，自上而下發(fā)育有第四系、白堊系、侏羅系和三疊系，主力含油層系為三疊系延長組長8、長9層段，埋深2000～2400 m，2012年前主要采用直井建產(chǎn)方式，單井產(chǎn)量不足2 t，為了擴大泄油半徑，提高單井產(chǎn)量，自2012年采用水平井開發(fā)模式[1]。但從完鉆的70余口水平井分析，平均井深3189.00 m，水平段長912.00 m，平均單井鉆頭用量13.01只，平均機械鉆速僅6.57 m/h，平均鉆井周期61.29 d。尤其在水平段起下鉆頻繁，平均單只鉆頭進尺僅102.70 m，機械鉆速平均2.7 m/h，平均施工時間長達19.90 d，嚴重制約了鉆井提速。為此，開展了地層可鉆性研究，從而優(yōu)選出高效PDC鉆頭，達到了鉆井提速的目的。

1　已完鉆水平井鉆頭使用分析

紅河油田水平井采用三級井身結(jié)構(gòu)，一開采用?374.7 mm鉆頭鉆進，下?273.1 mm表層套管；二開采用?241.3 mm鉆頭鉆進，下?177.8 mm技術(shù)套管；三開采用?152.4 mm鉆頭鉆進，完鉆電測后下入?114.3 mm壓裂管柱進行壓裂改造。通過對完鉆的76口水平井使用的鉆頭進行統(tǒng)計分析，平均井深3124.00 m，平均機械鉆速6.57 m/h，平均單井使用鉆頭13.01只(見圖1)，平均鉆井周期61.29 d。

有多口水平井鉆頭使用量超過20只，起下鉆超過25次。HH74P5井使用26只鉆頭，HH12P8井使用29只鉆頭，HH33P1井使用21只鉆頭。通過分析發(fā)現(xiàn)，對地層可鉆性認識不足，導(dǎo)致鉆頭選型不合理，頻繁起下鉆，最多一口井因鉆頭問題起下鉆37次。從統(tǒng)計分析來看，一開井段基本一只鉆頭一趟完鉆，定向斜井段和水平段鉆頭用量較多，機械鉆速較低。因此有必要進行地層可鉆性研究，從而優(yōu)選出高效PDC鉆頭，進而提高機械鉆速，縮短鉆井周期[2]，實現(xiàn)鉆井提速提效。

圖1　完鉆水平井各井段鉆頭用量、機械鉆速分布

2　地層可鉆性研究

2.1　室內(nèi)可鉆性實驗

收集了紅河油田3個井區(qū)5口直井的13塊巖心及對應(yīng)的聲波測井資料，層位包括延長組的長6、長7、長8和長9，巖心按照標準制成巖樣進行可鉆性試驗(可鉆性測試儀見圖2，實驗流程見圖3)。PDC鉆頭巖石可鉆性鉆進參數(shù)為：鉆壓W=500 N±10 N,其標定量具精度為0.5%；轉(zhuǎn)速N=55 r/min±1 r/min；鉆深達1 mm時開始計時，再鉆深3 mm，記錄鉆進時間，并停鉆。牙輪鉆頭巖石可鉆性鉆進參數(shù)為：鉆壓W=890 N±10 N，其標定量具精度為0.5%；轉(zhuǎn)速N=55 r/min±1 r/min；微型鉆頭是用刀片軸將8片刀片和9片間隔墊片穿在鉆頭體上構(gòu)成，組裝后直徑為31.75 mm。由于鉆頭片(砂輪整形片)在試驗過程中有磨損，要即時更換鉆頭片；鉆深達0.2 mm時開始計時，再鉆深2.4 mm,記錄鉆進時間，并停鉆。測試結(jié)果見表1。

圖2　巖石可鉆性測試儀

圖3　可鉆性實驗流程圖

井號井深/m層位聲波時差/(μs·m-1)實測可鉆性級值PDC鉆頭牙輪鉆頭紅河241692.62長6227.442.994.64紅河241778.56長7231.652.774.77紅河521867.72長9239.772.784.48紅河521770.26長7230.422.774.51紅河521860.04長9232.252.924.56紅河542092.20長8223.363.015.33紅河562107.12長9250.202.113.89紅河562107.42長9249.272.073.90紅河561815.83長6244.562.484.31紅河561822.36長6228.752.874.59紅河652279.84長7218.273.755.50紅河652321.69長7241.292.564.41紅河652252.95長6224.023.155.16

從實驗結(jié)果可以看出,聲波時差與巖石可鉆性有較好的相關(guān)性，利用聲波時差數(shù)據(jù)求取巖石可鉆性級值是可行的。

2.2　地層可鉆性計算模型

測井曲線中，縱波時差反映了地層的拉伸、壓縮和強度特性，地層巖石的縱波時差與巖石可鉆性級值Kd之間存在著某種內(nèi)在的聯(lián)系[4-5]。利用測井資料可建立整個地層的可鉆性剖面，給鉆頭選型提供科學(xué)的依據(jù)。

利用聲波時差測井資料和巖心可鉆性實驗結(jié)果，建立了牙輪鉆頭和PDC鉆頭巖石可鉆性計算模型。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，結(jié)合對應(yīng)深度的聲波時差數(shù)據(jù)，利用回歸法得到了鄂爾多斯南部工區(qū)巖石可鉆性級值的計算模型，見圖4和圖5。牙輪鉆頭巖石可鉆性計算模型，見式(1)，PDC鉆頭可鉆性模型見式(2)。

Kd=43.368e-0.01Δt

(1)

Kd=85.503e-0.015Δt

(2)

式中：Kd——地層可選性級值，無量綱；Δt——聲波時差，μs/m。

圖4　聲波時差與牙輪鉆頭可鉆性關(guān)系

圖5　聲波時差與PDC鉆頭可鉆性關(guān)系

預(yù)測的可鉆性級值和室內(nèi)實驗得到的可鉆性級值的誤差在8%以內(nèi)，滿足工程需要。利用上述巖石可鉆性模型，結(jié)合測井資料建立了鄂爾多斯南部工區(qū)牙輪鉆頭和PDC鉆頭的巖石可鉆性縱向剖面，見圖6～8。根據(jù)地層軟硬程度與牙輪鉆頭可鉆性級值的對應(yīng)關(guān)系對各層位的軟硬程度進行了劃分，為鉆頭選型提供依據(jù)。

圖6　紅河12井區(qū)可鉆性剖面

3　鉆頭選型及應(yīng)用效果

從巖心可鉆性實驗結(jié)果及聲波實測計算得到的可鉆性剖面可以看出，紅河油田上部地層可鉆性較好，下部地層屬于中到中硬地層。從前期鉆井實踐來看，因第四系地層含有礫石層，一開選用牙輪鉆頭，基本是一趟完鉆，提速空間有限，鉆頭優(yōu)化方向主要放在二開及三開井段，為了達到鉆井提速的目的，重點優(yōu)選PDC鉆頭。通過初步優(yōu)選，選擇了6種型號鉆頭,配合螺桿鉆具，形成“螺桿鉆具+PDC鉆頭”復(fù)合鉆井模式[6-9]，在紅河12井區(qū)、紅河36井區(qū)和37井區(qū)進行了實驗，取得了較好的效果，單只鉆頭進尺較前期有明顯提高，見表2。

圖7　紅河36井區(qū)可鉆性剖面

圖8　紅河37井區(qū)可鉆性剖面

表2　實驗井鉆頭使用情況

根據(jù)鉆頭出井磨損情況，聯(lián)合鉆頭廠家進一步優(yōu)化，鉆頭的改進主要是短拋物線冠部和低密度布齒，大排屑槽平衡水力設(shè)計，進一步降低鉆頭錐面，優(yōu)化后倒角設(shè)計，控制在10°～20°，增加攻擊性。在試驗過程中，逐步建立鉆頭數(shù)據(jù)庫，優(yōu)選出更適合地層的高效PDC鉆頭。通過多輪次鉆頭優(yōu)化、優(yōu)選，平均單只鉆頭進尺和機械鉆速均有大幅提高，推廣應(yīng)用情況見表3。

表3　推廣應(yīng)用效果

有20余口水平井二開直井段、二開定向段及三開水平段一趟完鉆，達到了鉆井提速的目的。隨著高效PDC鉆頭的推廣應(yīng)用，水平井鉆井周期也大幅縮短，由原來的平均61.29 d縮短到目前的44.74 d。

4　結(jié)論與建議

(1)通過室內(nèi)巖石可鉆性實驗取得的地層可鉆性級值，反映了巖石可鉆性與聲波測井之間具有良好的相關(guān)性,由此建立的指數(shù)模型適合于紅河油田。

(2)紅河油田上部地層可鉆性級值3～4級,屬于軟地層,下部地層可鉆性級值在4～6級，屬于中硬地層，為了鉆頭優(yōu)化設(shè)計、優(yōu)選提供了可靠依據(jù)。

(3)基于地層可鉆性級值,優(yōu)選了高效PDC鉆頭，現(xiàn)場實驗表明，平均單井鉆頭用量減少了47.66%，平均單只鉆頭進尺提高了89.43%，平均機械鉆速提高了40.79%，鉆井周期縮短了27.00%，達到了鉆井提速的目的，取得了良好的應(yīng)用效果。