長寧頁巖氣區(qū)塊?311.2 mm井眼PDC鉆頭個性化設(shè)計與應(yīng)用

周 劍,曹世平,陽 星,謝佳君,于澤光

1中國石油西南油氣田分公司 2捷貝通石油技術(shù)集團(tuán)股份有限公司

0 引言

四川長寧—威遠(yuǎn)國家級頁巖氣示范區(qū)是中石油頁巖氣建產(chǎn)核心區(qū)域之一，迄今為止已發(fā)展為國內(nèi)最大的頁巖氣鉆井作業(yè)區(qū)域[1]。自2016年開始大規(guī)模鉆井以來，該區(qū)塊的鉆井周期始終未能有效縮短，尤其是二開?311.2 mm井眼段的機械鉆速較低且單只鉆頭進(jìn)尺短，嚴(yán)重制約了頁巖氣的勘探開發(fā)速度[2-3]。

長寧區(qū)塊頁巖氣二開?311.2 mm井眼段地質(zhì)條件復(fù)雜，上部地層易縮徑、泥包，下部地層巖性致密、研磨性強、可鉆性差[4]。合理選用鉆頭并進(jìn)行個性化設(shè)計是提高鉆速、縮短鉆井周期的重要途徑之一[5-8]。祝小林等[9]針對礫巖地層，設(shè)計了新型PDC個性化鉆頭，在大港油田得到了成功應(yīng)用，二開實際鉆進(jìn)時間比計劃縮短11 d;楊虎等[10]針對準(zhǔn)噶爾盆地火山巖巖性復(fù)雜、可鉆性差的特點，研發(fā)了兩種型號的非對稱結(jié)構(gòu)雙排齒PDC鉆頭，較鄰井同層段平均機械鉆速提高12%～257%;彭齊等[11]針對塔里木油田庫車山前巨厚礫石層鉆進(jìn)效率低的問題，設(shè)計了一種凸脊型非平面齒結(jié)構(gòu)PDC鉆頭，將鉆頭破巖方式由常規(guī)PDC鉆頭的面切削轉(zhuǎn)變?yōu)榫€壓裂和面擠壓，進(jìn)尺提高1.5倍以上，平均機械鉆速提高64%以上。大量研究表明，結(jié)合鉆頭與地層的匹配性和適用性設(shè)計個性化鉆頭，可以顯著地提升機械鉆速[12-13]。針對長寧頁巖氣區(qū)塊二開?311.2 mm井眼段地層的特點和難點進(jìn)行個性化設(shè)計及現(xiàn)場應(yīng)用指導(dǎo)有助于提高該井段的機械鉆速，縮短鉆井周期。文章在定量分析長寧區(qū)塊地層抗鉆特性的基礎(chǔ)上，開展了高效破巖PDC鉆頭的個性化設(shè)計研究和鉆前施工參數(shù)模擬，并在現(xiàn)場試驗中取得了良好的應(yīng)用效果。文章研究成果對其它區(qū)塊PDC鉆頭個性化設(shè)計具有一定的借鑒意義，對同類地層鉆井提速具有推廣應(yīng)用價值。

1 長寧區(qū)塊地層特點及可鉆性分析

1.1 地質(zhì)特點和鉆進(jìn)難點

長寧區(qū)塊地層發(fā)育自上而下為雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關(guān)組，二疊系長興組、龍?zhí)督M、茅口組、棲霞組、梁山組，志留系韓家店組、石牛欄組、龍馬溪組，奧陶系五峰組、寶塔組。其中，嘉陵江組—棲霞組巖性復(fù)雜，具有地質(zhì)層位多，巖性變化跨度大，且底部含有燧石等特點。

嘉陵江—飛仙關(guān)：巖性云巖、灰?guī)r、石膏、泥巖夾粉砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r夾頁巖，可鉆性好，一般選擇低密度鉆井液鉆進(jìn)該段地層時，如果浸泡時間過長存在縮徑和垮塌的風(fēng)險。

二疊系長興—梁山：巖性為灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖、頁巖。其中龍?zhí)督M含有鋁土質(zhì)泥巖，塑性強，PDC鉆頭吃入困難；茅口組二段及棲霞組底部含有燧石，對PDC鉆頭沖擊破壞極強。該段地層巖性非均質(zhì)性及研磨性強，可鉆性極差，單只鉆頭進(jìn)尺少，機械鉆速低。

1.2 地層巖石力學(xué)強度及可鉆性分析

地層巖石可鉆性是評價地層鉆進(jìn)時難易程度的重要指標(biāo)，對于鉆頭的選型以及鉆井工藝的確定等具有重要意義。結(jié)合長寧區(qū)塊地質(zhì)資料，依據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)測量參數(shù)和聲波時差、巖石密度等測井參數(shù)，建立了鉆遇地層巖石力學(xué)參數(shù)剖面，對地層的巖石性質(zhì)、抗壓強度、塑性硬度、內(nèi)摩擦角等參數(shù)進(jìn)行了分析。

表1是地層可鉆性預(yù)測表，表中單軸抗壓強度數(shù)值越大代表巖石的硬度越大；內(nèi)摩擦角數(shù)值越大代表巖石的研磨性越大。通過分析，進(jìn)一步明確了地層可鉆性剖面序列特征，為鉆頭優(yōu)選和個性化鉆頭設(shè)計提供了基礎(chǔ)參數(shù)和思路指導(dǎo)。

表1 地層可鉆性預(yù)測表

(1)雷口坡和嘉陵江上部具有中等的硬度和研磨性，其中嘉陵江上部含有少量的云巖夾層，可鉆性稍差；嘉陵江下部以泥巖石膏為主，可鉆性較好。

(2)飛仙關(guān)、長興、龍?zhí)毒哂休^低的硬度和研磨性，可鉆性很好，但龍?zhí)督M含有鋁土質(zhì)泥巖，鉆頭容易泥包。

(3)茅口、棲霞、梁山地層硬度和研磨性最高，對鉆頭破壞性最大，可鉆性最差。

2 個性化PDC鉆頭設(shè)計

2.1 鉆頭設(shè)計目標(biāo)

根據(jù)此區(qū)域地層特點和前期實鉆資料分析，以茅口組為界，茅口組以上的地層可鉆性較好，適宜用具有攻擊特性的普通雙排齒鉆頭鉆進(jìn)，以獲得更高的機械鉆速；茅口組及下部地層主要為灰?guī)r，偶含燧石，對鉆頭沖擊性較強，適宜強抗沖擊性鉆頭鉆進(jìn)，以保證一趟鉆順利高效地完成剩余井段的施工至中完。

2.2 產(chǎn)品設(shè)計與分析

布齒設(shè)計是PDC鉆頭設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，直接影響鉆頭各方面的性能[14]，利用PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計軟件的等體積布齒理論，結(jié)合地層特點設(shè)計鉆頭的冠部輪廓及切削齒分布，建立鉆頭切削齒單齒受力模型。

使用鉆頭力學(xué)分析軟件，對鉆頭的切削齒進(jìn)行受力、做功、力平衡設(shè)計。

設(shè)計過程遵循以下原則：

(1)確保單齒受力的均勻分布，防止鉆頭鉆進(jìn)因某一個齒受力過大導(dǎo)致提前破壞，進(jìn)而影響相鄰齒的受力狀態(tài)，造成鉆頭的整體壽命下降。

(2)確保單齒做功的平滑過渡，并盡可能地降低做功值，保證切削齒的整體壽命。

(3)盡可能減小鉆頭的力不平衡量，保證鉆頭工作穩(wěn)定性，使鉆頭工作更趨平穩(wěn)，提高鉆頭整體表現(xiàn)。

(4)均衡鉆頭壽命和攻擊性要求，在現(xiàn)有的鉆頭方案前提下，保證鉆頭進(jìn)尺達(dá)到設(shè)計位置的同時盡可能提高機械鉆速，節(jié)省鉆井周期。鉆頭的受力和做功分布如圖1和圖2所示。

圖1 鉆頭切削齒在布齒輪廓上的法向受力分布

圖2 鉆頭的做功分布

2.3 個性化鉆頭

2.3.1 上部鉆頭

鉆頭選型要求：上部地層偏軟，有石膏夾層，浸泡太久易水化、縮徑，因此該段地層需要快速鉆進(jìn)，獲得高機械鉆速，避免出現(xiàn)鉆頭泥包或井眼縮徑卡鉆。

鉆頭定型：?311.2 mm TS1656BT,鋼體16 mm復(fù)合片，后排椎尖齒，5刀翼，如圖3所示。

圖3 ?311.2 mm TS1656BT鉆頭

鉆頭特征：設(shè)計采用弧線型5刀翼，布齒密度低，保證鉆頭較強的攻擊性，以獲得較高機械鉆速；三長兩短刀翼設(shè)計，三個長刀翼伸至心部，保證鉆頭穩(wěn)定性；鉆頭采用鋼體設(shè)計，刀翼較薄，排屑槽較寬，防止鉆頭在塑性泥巖段鉆進(jìn)時泥包。

2.3.2 下部鉆頭

鉆頭選型要求：下部地層硬度較高，夾層增多，含有燧石。因此，保證鉆頭的抗沖擊性、減小鉆頭工作時橫向滑動、充分提高切削效率及保證井眼軌跡垂直是鉆頭選型的基本要求，選擇抗沖擊性較好的進(jìn)口復(fù)合片，可確保鉆頭有效壽命。

鉆頭定型：?311.2 mm TS1656BTS鋼體16 mm復(fù)合片，后排平面齒，5刀翼,如圖4所示。

圖4 ?311.2 mm TS1656BTS鉆頭

鉆頭特征：鉆頭設(shè)計采用弧線型5刀翼，優(yōu)化后角，提高鉆頭的抗沖擊性；三長兩短刀翼設(shè)計，三個長刀翼伸至心部，保證鉆頭穩(wěn)定性；后排采用最新一代PowerPick齒，防止鉆頭在鉆遇夾層時受到?jīng)_擊破壞，保障鉆頭進(jìn)尺，減少起下鉆趟數(shù)。

3 現(xiàn)場試驗

針對長寧區(qū)塊二開?311.2 mm井眼段地質(zhì)特征設(shè)計形成的TS1656BT和TS1656BTS個性化PDC鉆頭在NXH-Y和NXH-Z兩口井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，試驗效果如表2所示。由表2對比可知，二開?311.2 mm井眼機械鉆速達(dá)到13 m/h，相比于同平臺鄰井(常規(guī)PDC鉆頭)平均水平機械鉆速提高了110%。純鉆時間節(jié)省了107%。

表2 現(xiàn)場應(yīng)用情況對比

4 結(jié)論

(1)建立了長寧區(qū)塊二開?311.2 mm井眼巖石力學(xué)參數(shù)剖面，明確了地層可鉆性變化規(guī)律。嘉陵江—韓家店組巖性變化復(fù)雜、軟硬交替、非均質(zhì)強，尤其是茅口組—韓家店底部巖石含有燧石結(jié)核抗壓強度大，硬度和研磨性高，對PDC鉆頭沖擊破壞極強，可鉆性差。

(2)結(jié)合地層特點設(shè)計鉆頭的冠部輪廓及切削齒分布，采用鉆頭力學(xué)分析軟件進(jìn)行受力、做功、力平衡分析與優(yōu)化，形成了兩種針對不同層段的PDC鉆頭型號。應(yīng)用表明，二開?311.2 mm井眼機械鉆速提高到13 m/h，相比于同平臺鄰井，機械鉆速提高了110%,純鉆時間節(jié)省107%，提速增效顯著。