涪陵頁巖氣特殊地層鉆頭優(yōu)選技術(shù)

王寶元 張勇

【摘 要】2017年以來，重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)已經(jīng)逐步分布在江東外圍和平橋區(qū)域，該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地層傾角和地層差異較大，除常規(guī)PDC鉆頭優(yōu)選應(yīng)用之外，部分特殊地層因巖性結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜鉆頭選型困難，嚴(yán)重制約了鉆井速度。根據(jù)涪陵頁巖氣鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫及以往使用的PDC鉆頭與地層的適應(yīng)性分析，通過技術(shù)分析和攻關(guān)創(chuàng)新，及數(shù)個平臺井施工，基本攻克了這些特殊地層PDC鉆頭選型問題，進(jìn)一步完善了涪陵頁巖氣鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫，為涪陵頁巖氣提速挖潛增效做出了貢獻(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】構(gòu)造復(fù)雜;鉆頭優(yōu)選;機(jī)械鉆速;抗研磨性;提速提效

1 概述

自重慶涪陵頁巖氣二期產(chǎn)建實施以來，位于邊緣地帶的江東和平橋地區(qū)，因地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層傾角偏大，儲層埋藏不斷加深，導(dǎo)致同平臺同類地層埋藏深度和巖性特征都存在較大差異，給鉆頭選型造成很大困難，實現(xiàn)優(yōu)快鉆井難度不斷加大。涪陵地區(qū)地層主要為灰?guī)r地層，但是這些特殊地層因含有不同類型的石英砂巖、粉砂巖、粗砂巖等，地層研磨性強(qiáng)，導(dǎo)致PDC鉆頭外徑、冠部外排齒磨損，換鉆頭頻繁，嚴(yán)重制約了鉆井速度，主要包括：龍?zhí)督M、茅口組、梁山組、黃龍組、韓家店上部等地層。只有通過細(xì)致的分析，找出影響鉆頭行程鉆速的主要因素，通過技術(shù)攻關(guān)和優(yōu)選適應(yīng)地層的鉆頭來解決這些制約鉆井速度的難題。

2 特殊地層鉆頭選型難點(diǎn)

2.1 針對平橋地區(qū)上部飛仙關(guān)至長興組地層主要以灰?guī)r為主，井段長達(dá)1100m，常規(guī)PDC鉆頭攻擊性偏低，復(fù)合片質(zhì)量存在缺陷，需兩只方可鉆穿，且機(jī)械鉆速僅有8～11m/h，制約了鉆井速度。

2.2 涪陵地區(qū)龍?zhí)督M和茅口組上部地層灰?guī)r中含石英砂巖、粗砂巖、角礫巖和炭質(zhì)泥巖，不宜使用PDC鉆頭。

2.3 梁山、黃龍組地層含黃銅礦，研磨性強(qiáng)。韓家店組上部地層粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖發(fā)育，研磨性較強(qiáng)，極易損害PDC鉆頭保徑和冠部齒;小河壩組地層埋藏相對較深，地層粉砂質(zhì)泥巖發(fā)育，研磨鉆頭和定向托壓比較嚴(yán)重，導(dǎo)致鉆頭行程鉆速低，起下鉆換鉆頭頻繁。

2.4 三開目的層龍馬溪組地層發(fā)育一段濁積砂，厚度10～90m不等，其巖性主要以灰黑色、黑色粉砂巖為主，研磨性強(qiáng)，鉆頭選型困難。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 平橋地區(qū)焦頁190平臺鉆頭優(yōu)選

平橋地區(qū)飛仙關(guān)至長興組地層灰?guī)r和泥頁巖發(fā)育，埋藏較江東地區(qū)相對要淺400-500m，可鉆性相對較好。通過平臺鉆井?dāng)?shù)據(jù)對比，焦頁190-4HF井二開選用SFD65DH型PDC鉆頭，增強(qiáng)了鉆頭攻擊性，提高了復(fù)合片質(zhì)量，在飛仙關(guān)至長興組1060-2154m井段鉆進(jìn)，進(jìn)尺1094m，機(jī)械鉆速16.58m/h，創(chuàng)平橋工區(qū)最快指標(biāo)，較焦頁190-1HF井使用兩只江鉆PDC鉆頭平均鉆速9.82m/h提高68.84%，節(jié)約一趟鉆一個鉆頭，鉆井周期同比節(jié)約3.5天。

3.2 龍?zhí)丁⒚┛诮M牙輪鉆頭優(yōu)選

該地層灰?guī)r中富含石英砂巖、角礫巖和黑色炭質(zhì)泥巖，地層膠結(jié)不整合蹩跳鉆嚴(yán)重，使用HJT537GK鉆頭雖然初始鉆時略高，但因楔形齒牙齒偏大，易斷齒和磨損，純鉆時間短，行程鉆速低;于是選擇使用HJT637GL鉆頭，利用其錐型齒牙齒小、抗研磨和抗沖擊破碎能力強(qiáng)等特點(diǎn)，解決了選型難題。

3.3 梁山、黃龍組地層鉆頭優(yōu)選

梁山、黃龍組地層累計厚度約20m左右，均含黃銅礦，常規(guī)PDC鉆頭一旦鉆遇黃銅礦，鉆時立即由4-8min/m激增至60min/m以上，鉆頭快速磨損，刀翼磨成“錐型”或“臺肩型”導(dǎo)致鉆頭報廢，因此需用牙輪穿過該層后再下PDC鉆頭鉆進(jìn)。

針對黃銅礦地層強(qiáng)研磨特性，調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)KMD1663DFRT“斧型齒”鉆頭復(fù)合片中間加厚呈屋脊?fàn)睿瑥?fù)合片切削地層時會產(chǎn)生尖端效應(yīng)（類似斧頭劈裂和船頭劈浪效應(yīng)），復(fù)合片受力向兩側(cè)分解，增強(qiáng)了鉆頭的攻擊性、抗研磨性及抗沖擊破碎能力。

焦頁87-6HF井在茅口組（2295m）下入該型鉆頭，一趟鉆鉆穿梁山、黃龍組地層（2550m-2567m）進(jìn)入韓家店，進(jìn)尺368米，機(jī)械鉆速6.95m/s，相比焦頁87-4HF、焦頁87-5HF井使用牙輪鉆頭鉆速提高80%，節(jié)約一只牙輪鉆頭、一趟鉆和鉆井周期2天。

3.4 韓家店上部地層鉆頭優(yōu)選

韓家店組上部地層粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖互層發(fā)育，研磨性較強(qiáng)，厚度約300m，常規(guī)PDC鉆頭進(jìn)尺僅100m左右，機(jī)械鉆速5-6m/h。通過分析該地層PDC鉆頭使用情況發(fā)現(xiàn)：常規(guī)PDC鉆頭刀翼上只有2-3顆保徑齒，鉆進(jìn)過程中，保徑齒和冠部外排復(fù)合片因線速度高，易沖擊破碎和磨損，導(dǎo)致鉆頭外徑磨?。é?06-308mm），出現(xiàn)蹩鉆、鉆時大幅上升而頻繁起下鉆換鉆頭，造成鉆頭行程鉆速低，而起出鉆頭底部切削齒因線速度偏低、復(fù)合片量多受力較均勻而大多完好。

通過地層巖性特征和鉆頭磨損情況分析，我們要求鉆頭廠家在刀翼上加布保徑齒、側(cè)翼及冠部切削齒，進(jìn)一步增加布齒密度，強(qiáng)化刀翼保徑齒和外排齒結(jié)構(gòu)，提高鉆頭抗研磨性、抗沖擊破碎特性和使用壽命。改進(jìn)的S5566TA型PDC鉆頭，每個刀翼加布3-4顆復(fù)合片，實鉆證明效果顯著。

由上表對比看出，焦頁87-4HF井韓家店組2530m～3460m井段用了五趟鉆五只常規(guī)PDC鉆頭，進(jìn)尺930m，平均機(jī)械鉆速5.94m/h，周期13天;焦頁87-5HF井韓家店組2550m～3450m井段使用一只改進(jìn)型PDC鉆頭，一趟鉆進(jìn)尺900m，機(jī)械鉆速7.26m/h，周期7天，鉆速提高22.22%，節(jié)約周期6天;焦頁87-1HF井韓家店組2650m～3743m井段使用兩只改進(jìn)型PDC鉆頭，兩趟鉆進(jìn)尺1093m，平均機(jī)械鉆速9.34m/h，周期8天，鉆速提高57.24%，節(jié)約周期7天，綜合效益顯著。

3.5 小河壩組地層鉆頭優(yōu)選

小河壩組位于韓家店組下部埋藏相對較深，粉砂質(zhì)泥巖發(fā)育，由于接近中完，井身軌跡調(diào)整比較頻繁，隨鉆定向工作量較大，鉆速滿造成鉆頭外徑磨損和定向托壓比較嚴(yán)重，導(dǎo)致鉆頭行程鉆速低。優(yōu)選使用KPM1633DST型混合鉆頭，解決了鉆頭外徑磨損和隨鉆托壓，實現(xiàn)一只鉆頭即可順利達(dá)到中完井深。

3.6 水平段鉆頭優(yōu)選

為加快頁巖氣水平井施工進(jìn)度，保證入窗后水平段一趟鉆完成。通過前期調(diào)研和實鉆應(yīng)用，優(yōu)選使用KSD1652AGR和KMD1652ADGR兩種型號鉆頭，分別在焦頁27平臺（水平段平均機(jī)械鉆速18-21m/h），焦頁190平臺（水平段平均機(jī)械鉆速8.75m/h）和焦頁82平臺（水平段平均機(jī)械鉆速7.28m/h），三個平臺四口井實現(xiàn)了水平段一趟鉆完成，加快了鉆井速度和施工進(jìn)度。

4 結(jié)論與認(rèn)識

4.1 綜上所述，通過技術(shù)創(chuàng)新攻關(guān)和現(xiàn)場實踐應(yīng)用，基本解決了涪陵頁巖氣邊緣地區(qū)特殊地層鉆頭選型難題，實現(xiàn)了提速提效目標(biāo)。

4.2 進(jìn)一步完善了涪陵頁巖氣鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫，簡化了鉆頭、鉆具組合優(yōu)選程序，降低了查閱鄰井資料工作量，提高了技術(shù)方案制定速度和準(zhǔn)確性。

4.3 通過鉆頭優(yōu)選技術(shù)的實踐應(yīng)用，降低了井下復(fù)雜，提高了鉆井速度和施工進(jìn)度。新一輪施工井鉆井速度提升超過20%，單井節(jié)約鉆井周期最高近10天，較前期施工井累計節(jié)約近30天，70型電動鉆機(jī)按日費(fèi)11萬元/天測算，累計節(jié)約成本30天*11萬元/天=330萬元，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

（作者單位：中石化中原工程公司鉆井二公司技術(shù)發(fā)展中心）