長寧—威遠區(qū)塊頁巖氣水平井PDC 鉆頭優(yōu)選分析

樊思成，周學超，鄧 陽

（渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457）

0 引言

四川長寧—威遠頁巖氣區(qū)塊是我國第一個國家級頁巖氣示范區(qū)，第一口頁巖氣井（威201 井）于2010 年鉆成投產(chǎn)，自此拉開了四川非常規(guī)頁巖氣資源開發(fā)的序幕，2016 年示范區(qū)生產(chǎn)頁巖氣10 億m3，預測至2035 年底長寧—威遠累計產(chǎn)氣300 億m3，開發(fā)前景廣闊[1]。

1 區(qū)塊現(xiàn)狀

近年來，針對非常規(guī)油氣資源低成本、快速鉆井需求，國外發(fā)展形成了“工廠化”鉆井模式和技術，在頁巖氣開發(fā)中發(fā)揮了極其重要的作用，成為了高效開發(fā)非常規(guī)油氣資源的重要工程手段之一。但是四川頁巖氣產(chǎn)層地質(zhì)條件復雜、埋藏深、多層段漏失嚴重，下部地層研磨性強，可鉆性差，機械鉆速低且單只鉆頭進尺短，水平段托壓現(xiàn)象頻發(fā)。所鉆水平井水平段需要3 趟鉆以上才能完成，難以滿足非常規(guī)油氣藏的規(guī)模效益開發(fā)，急需開展高效個性化PDC（Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金剛石復合片）鉆頭優(yōu)選工作研究。

2 PDC 鉆頭優(yōu)選依據(jù)

目前常用于鉆頭優(yōu)選的依據(jù)主要有以下3 種[2]：

（1）對于地層差異較小的同井區(qū)井，可根據(jù)鄰井的實鉆資料，對地層鉆進難易程度及鉆頭類型進行評價，從而優(yōu)選鉆頭。

（2）根據(jù)巖心的資料確定相關指標，從而確定巖石力學性能，如巖石的強度、硬度以及其可鉆性，分析相關指標與鉆頭類型之間的關系，優(yōu)選鉆頭。

（3）利用測井數(shù)據(jù)分析巖石的可鉆性級值，建立其與鉆頭類型經(jīng)驗對應關系，從而優(yōu)選鉆頭。

本文采用的是第三種選型方法。

3 目標地層巖石可鉆性分析

聲波測井曲線是反映聲波時差與巖石的強度、硬度和彈塑性等之間的關系，而巖石可鉆性是巖石抵抗鉆井工具的破碎能力，同時受巖石各種機械力學性質(zhì)的影響。聲波測井曲線和巖石可鉆性都反映了巖石力學的性質(zhì)，是同一事物的不同體現(xiàn)。

根據(jù)彈性波理論，巖石的聲波時差與巖石的彈性模量、密度、泊松比等參數(shù)有關，其大小反映了巖石的強度、彈性及硬度，而地層巖石的可鉆性也受這些參數(shù)影響。因此，從理論角度考慮，利用測井資料的聲波時差可以建立地層的可鉆性剖面。

巖石縱波波速與地層力學特性參數(shù)關系見式（1），巖石橫波波速與地層力學特性參數(shù)關系見式（2）。

式中 VP——巖石縱波波速，m/s

VS——巖石橫波波速，m/s

E——彈性模量，MPa

μ——泊松比

ρ——體積密度，g/cm3

縱波波速與縱波時差?tP的關系為?tP=1/VP。

地層巖石的縱波時差可以由聲波測井資料獲得，所以，可以通過建立巖石聲波時差與巖石可鉆性關系的模型，進而由測井資料進行巖石可鉆性研究。由此，通過大量的實際測井資料和鉆井資料的統(tǒng)計，分析建立了巖石可鉆性與巖石聲波時差的統(tǒng)計關系模型：

式中 Kd——巖石可鉆性

?tP——縱波時差，μs/m

a、b——線性回歸系數(shù)

根據(jù)上面的理論，利用測井數(shù)據(jù)和專業(yè)軟件進行了計算，如圖1 和圖2 所示，長寧—威遠區(qū)塊二開井段可鉆性極值在3～7，三開井段地層的可鉆性極值5～6 左右。二開井段的雷口坡—嘉陵江—飛仙關—長興組及三開井段的龍馬溪地層可鉆性較好，二開井段的龍?zhí)丁┛凇獥家约叭_井段的韓家店—石牛欄地層可鉆性差。

4 PDC 鉆頭優(yōu)選結果

根據(jù)鉆頭的優(yōu)選依據(jù)及評價方法，利用目標地層的可鉆性剖面數(shù)據(jù)，建立其與鉆頭類型的對應關系，對長寧—威遠區(qū)塊水平井二開及三開井段PDC 鉆頭進行了優(yōu)選，結果如下：

（1）二開12 1/4″井段鉆頭特征，如圖3 所示：①采用鋼體式、中錐拋物線冠型、五刀翼、后排錐齒設計；②采用Φ16 mm復合片，中高等布齒密度設計；③增加保徑部位減震托布置，加強保徑設計；④采用綜合性切削齒。

圖1 頁巖氣井12 1/4″井段地層可鉆性剖面

圖2 頁巖氣井8 1/2″井段地層可鉆性剖面

圖3 二開12 1/4″井段鉆頭優(yōu)選

圖4 三開8 1/2″井段鉆頭優(yōu)選

（2）三開8 1/2″井段鉆頭特征如圖4 所示：①采用胎體式，深錐拋物線冠型、五刀翼、單排齒設計；②采用Φ16 mm 復合片，中等布齒密度設計；③芯部及保徑部位增加后排減震托設計；④采用抗沖擊切削齒；⑤加強保徑及倒劃眼設計。

5 現(xiàn)場應用

2018 年6 月在四川長寧頁巖氣區(qū)塊的長寧H21-9 井現(xiàn)場應用，利用上述方法優(yōu)選的12 1/4″井段鉆頭自井深429 m 入井，鉆至井深976 m 由于井漏起鉆，累積進尺547 m，平均機械鉆速21.5 m/h，鉆頭出井狀態(tài)良好，基本無磨損（圖5）。同平臺的H21-8 井同井段使用的其他廠家鉆頭機械鉆速為17.1 m/h，同比提高了26%，使用效果理想。

2017 年12 月在四川威遠頁巖氣區(qū)塊的威204H10-2 井現(xiàn)場應用，利用上述方法優(yōu)選的8 1/2″井段鉆頭自井深4285 m入井，鉆至井深5075 m 完鉆，累積進尺790 m 水平段，平均機械鉆速10.8 m/h，鉆頭1 號刀翼芯部第一顆齒崩碎，其余齒完好（圖6）。同平臺的H10-3 井同井段使用的其他廠家鉆頭機械鉆速8.6 m/h，同比提高了25%。

6 結論

（1）總結分析了目前用于鉆頭優(yōu)選的依據(jù)及其評價方法，為長寧—威遠區(qū)塊水平井鉆頭選型提供了技術理論支撐。

圖5 二開12 1/4″井段鉆頭出井照片

圖6 8 1/2″井段鉆頭出井照片

（2）建立了長寧—威遠區(qū)塊整井段地層可鉆性剖面，得到了目標地層可鉆性極值。

（3）根據(jù)地層可鉆性分析，進行了鉆頭優(yōu)選，并確定鉆頭設計特征，為該區(qū)塊PDC 鉆頭選型提供了一定的指導。

（4）應用上面的選型方案，經(jīng)過現(xiàn)場應用，使用效果良好，從而驗證了選型方案的合理性。