高研磨性地層特征與鉆頭研究應(yīng)用

摘" 要：川北地區(qū)陸相須家河組天然氣資源豐富，但須家河組地層具有巖性致密、地層高研磨性、可鉆性差的特征，導(dǎo)致鉆頭磨損嚴(yán)重，機(jī)械鉆速慢。該文在分析各類鉆頭適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，本著提速增效的目標(biāo)，開展鉆頭優(yōu)選研究，提出PDC+牙輪復(fù)合式鉆頭，并進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得良好的試驗(yàn)效果，PDC+牙輪復(fù)合式鉆頭在地層中具有較高機(jī)械鉆速、進(jìn)尺和使用壽命。

關(guān)鍵詞：高研磨性地層;復(fù)合式鉆頭;PDC鉆頭;牙輪鉆頭;提速增效

中圖分類號(hào)：P634.4" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）18-0177-04

Abstract： The continental Xujiahe formation in northern Sichuan is rich in natural gas resources， but the Xujiahe formation is characterized by tight lithology， high grindability and poor drillability， which leads to serious bit wear and slow mechanical drilling rate. Based on the analysis of the adaptability of all kinds of bits and with the goal of increasing speed and increasing efficiency， this paper carries out the research on bit optimization， puts forward the PDC+ cone composite bit， and carries on the application practice， and the field application has achieved good test results. The PDC+ cone composite bit has higher mechanical penetration rate， footage and service life in the formation.

Keywords： highly abrasive formation; compound bit; PDC bit; cone bit; increasing speed and increasing efficiency

隨著我國(guó)油氣資源勘探開發(fā)工作的不斷深入，中深井、深井鉆井比例進(jìn)一步擴(kuò)大，深部地層巖性復(fù)雜，鉆井難度持續(xù)增強(qiáng)，倒逼我國(guó)深部鉆井技術(shù)與裝備水平不斷提升，與國(guó)外技術(shù)與裝備的差距持續(xù)縮小[1-2]。川北地區(qū)陸相須家河組天然氣資源豐富，但須家河組地層具有巖性致密、地層高研磨性、可鉆性差的特征[3]，導(dǎo)致鉆井的機(jī)械鉆速慢、鉆井效率低等難題，極大地制約了川北地區(qū)天然氣勘探的開發(fā)[4-5]。鉆井工程中，牙輪鉆頭、PDC鉆頭、孕鑲金剛石鉆頭等已經(jīng)形成系列化、規(guī)?；瘧?yīng)用。本文基于川北地區(qū)陸相須家河組地層地質(zhì)特性，本著提高鉆井效率和降低鉆井成本的目標(biāo)，開展鉆頭優(yōu)選研究，并進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐，以期為高研磨性地層鉆井的提速增效提供參考。

1" 區(qū)域地質(zhì)背景

四川盆地作為揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的次一級(jí)構(gòu)造單元，在中上元古界基底基礎(chǔ)上，主要經(jīng)歷了加里東、海西、印支、燕山和喜山5個(gè)主要的構(gòu)造旋回[6-8]。其中，加里東和海西旋回主要表現(xiàn)為垂直升降運(yùn)動(dòng)，主要造成地層缺失和上下地層間的假整合接觸，如燈影組與寒武系之間、中晚奧陶系之間，以及志留系上部等均出現(xiàn)假整合現(xiàn)象，印支運(yùn)動(dòng)從中三疊世初一直延續(xù)到晚三疊世末，早印支運(yùn)動(dòng)以抬升為主，早中三疊世海水退出上揚(yáng)子地臺(tái)，大規(guī)模海侵基本結(jié)束，晚印支運(yùn)動(dòng)始于三疊紀(jì)末，導(dǎo)致三疊系及下伏地層的全面回返，并伴隨中酸性巖漿侵入，形成區(qū)域性地層變質(zhì);燕山運(yùn)動(dòng)具有3個(gè)主要活動(dòng)期，其中以中燕山運(yùn)動(dòng)最為明顯，晚侏羅世的中燕山運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致盆地內(nèi)部再次上隆和侏羅系上部地層大面積剝蝕，在盆地邊緣擠壓成褶，盆地范圍進(jìn)一步縮小;早喜山構(gòu)造幕是導(dǎo)致盆地沉積蓋層發(fā)生明顯褶皺的主要時(shí)期，其使四川盆地從震旦紀(jì)至早第三紀(jì)以來(lái)的沉積蓋層全面褶皺;晚喜山期為主要的構(gòu)造定型期。進(jìn)入第四紀(jì)以后，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)仍然持續(xù)，但是主要表現(xiàn)為間歇性上升運(yùn)動(dòng)。經(jīng)歷以上多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的四川盆地總體劃分為盆地周邊構(gòu)造區(qū)和盆地內(nèi)部構(gòu)造區(qū)[7，9-11]（圖1）。

川北地區(qū)整體為一個(gè)大型的構(gòu)造帶，與四川盆地大部分地區(qū)類似，為陸相地層，地層縱向上層系齊全，具有多層系、多旋回特點(diǎn)，自上而下分別為白堊系下統(tǒng)劍門關(guān)組（K1j），侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）、遂寧組（J3sn），侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組（J2s）、下沙溪廟組（J2x）、千佛崖組（J2q），侏羅系下統(tǒng)自流井組（J1z），三疊系上統(tǒng)須家河組（T3x）。

2" 巖石地層特征

2.1" 地層特征

本次研究對(duì)象為須家河組地層，根據(jù)地層巖性特征，須家河組可以劃分為6段（表1），其總體上為一套礫巖、砂礫巖、含礫砂巖及泥巖層的組合，堅(jiān)硬的礫巖、砂礫巖、含礫砂巖與軟的泥巖軟硬交替，形成不均勻的地層。根據(jù)地層巖性礫石和砂巖石英含量高低和地層內(nèi)摩擦角大小，并結(jié)合巖石研磨性分級(jí)可知，川北地區(qū)須家河組地層為高研磨性地層[12]。

2.2" 巖性特征

統(tǒng)計(jì)已有鉆井的須家河組地層巖性資料，并分析石英、礫巖含量（表2）。由表2可知，須家河組地層巖性的礫巖、砂礫巖、含礫砂巖可鉆性差，巖石極為堅(jiān)硬，加上與泥巖軟硬交替成互層對(duì)鉆頭的損傷極大。

2.3" 巖石特征

陸相地層由于巖性的復(fù)雜性，巖石可鉆性級(jí)值變化明顯，總體上表現(xiàn)出隨深度增加而逐漸增加的態(tài)勢(shì)，須家河組地層可鉆性級(jí)值7.5～9.1。川北地區(qū)地層從進(jìn)入自流井組后出現(xiàn)異常高壓特征，且地壓梯度隨深度逐漸增加，根據(jù)已有數(shù)據(jù)資料，須家河組地壓梯度達(dá)到了2.10 MPa/100 m以上，具有壓力高、壓力變化大的特征。應(yīng)用測(cè)井與地震資料綜合分析，川北地區(qū)地層破裂壓力的平面上變化不大，縱向上陸相地層破裂壓力大于2.5 MPa/100 m。川北地區(qū)地層坍塌壓力在平面上無(wú)明顯地變化，須家河組坍塌壓力梯度在1.450～1.80 MPa/100 m，屬于中-高坍塌壓力地層。

3" 鉆頭類型

鉆井工程中所使用的鉆頭主要有牙輪鉆頭、PDC鉆頭、孕鑲金剛石鉆頭。牙輪鉆頭在鉆井工程中的運(yùn)用廣泛，具有以下特點(diǎn)：使用壽命較短，機(jī)械鉆速較低，進(jìn)尺較少。由于牙輪帶有軸承結(jié)構(gòu)，屬于非固定結(jié)構(gòu)鉆頭，鉆頭切削齒容易在早期破碎斷齒，導(dǎo)致其使用壽命較短，機(jī)械鉆速較低，進(jìn)尺較少。PDC鉆頭在鉆井工程中的運(yùn)用較為廣泛，具有以下特點(diǎn)：機(jī)械鉆速與進(jìn)尺較高，鉆壓較小，壽命較短。此類鉆頭金剛石層厚度不足，對(duì)于高研磨性地層來(lái)說(shuō)，PDC鉆頭的PDC復(fù)合片容易磨損甚至脆裂失效，大大縮短了其使用壽命[2]。孕鑲金剛石鉆頭在鉆井工程中的運(yùn)用也較為廣泛，具有以下特點(diǎn)：機(jī)械鉆速較低，壽命較長(zhǎng)，進(jìn)尺較多。其工作原理是磨削巖石，孕鑲金剛石鉆頭的抗研磨性與以下2個(gè)因素有關(guān)：金剛石顆粒大小、金剛石鑲焊濃度[13-15]。

4" 鉆頭優(yōu)選

4.1" 鉆頭選型

須家河組地層可鉆性差，巖石極為堅(jiān)硬，加上與泥巖軟硬交替成互層對(duì)鉆頭的損傷極大，結(jié)合須家河組總體巖性特征，開展鉆頭優(yōu)選。選擇思路是綜合地層的多種巖石力學(xué)特性與鉆頭經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)合不同鉆頭的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，形成具有普遍適用性的鉆頭選型方法。

影響鉆頭評(píng)價(jià)指標(biāo)的因素眾多，但其中只有少數(shù)因素對(duì)指標(biāo)的影響重大，影響鉆頭的評(píng)價(jià)指標(biāo)的主要影響因素有轉(zhuǎn)速、鉆壓、排量、井深和泵壓5個(gè)，鉆頭評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括鉆速、進(jìn)尺和成本，在相同鉆井參數(shù)條件下，獲得的鉆速、進(jìn)尺、成本綜合最優(yōu)，即為優(yōu)選的鉆頭類型或組合。

須家河組總厚度近千米，石英含量約為50%～70%，以中等-高-極高研磨性地層為主，須家河組地層具有致密性、軟硬交錯(cuò)等地質(zhì)特征，使用PDC鉆頭適應(yīng)性差，齒吃入深度不夠，鉆頭上的切削載荷會(huì)產(chǎn)生大幅變化，引起PDC鉆頭產(chǎn)生劇烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，切削齒的切削效率低，遇硬夾層易崩片，機(jī)械鉆速非常低，不適合PDC鉆頭鉆進(jìn)。鉆頭的選擇，原則上以提高鉆頭攻擊性，提高機(jī)械鉆速為主。使用普通的牙輪鉆頭，地層太硬導(dǎo)致不能使巖石發(fā)生體積破碎，鉆頭在巖石上形成齒坑小，機(jī)械鉆速較低，遇硬夾層易斷齒，必須解決鉆頭早期斷齒失效入手，提高牙輪鉆頭的壽命。

最終確定采用牙輪+PDC復(fù)合式鉆頭，此類復(fù)合式鉆頭同時(shí)包含牙輪和刀翼，將PDC鉆頭和牙輪鉆頭兩者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，牙輪切削齒只存在于PDC鉆頭的鼻部和肩部，牙輪齒與PDC鉆頭的鼻部和肩部的切削齒共同切削位于PDC鉆頭的鼻部和肩部的巖石。牙輪切削齒對(duì)巖石產(chǎn)生預(yù)破碎，降低PDC切削齒的切削載荷。PDC切削齒能對(duì)地層形成有效切削，既提高了對(duì)硬質(zhì)塊或硬夾層的切削效率，又降低了PDC切削齒的切向載荷變化幅度，減輕鉆頭產(chǎn)生的振動(dòng)。PDC切削齒不易破裂，使得復(fù)合式鉆頭在地層中具有較高的機(jī)械鉆速、進(jìn)尺和使用壽命。

4.2" 鉆頭設(shè)計(jì)與試制

為探索復(fù)合式鉆頭切削效率影響因素，通過觀察實(shí)驗(yàn)鉆頭鉆進(jìn)過程，發(fā)現(xiàn)牙輪切削齒相對(duì)于PDC切削齒的高低差在-6.0～6.0 mm范圍內(nèi)，牙輪切削齒相對(duì)于PDC切削齒才能同時(shí)切削巖石，形成的井底比較光滑。

1）牙輪切削齒與PDC切削齒高低差。根據(jù)測(cè)試，隨著牙輪切削齒相對(duì)于PDC切削齒高低差增大，單位載荷單位轉(zhuǎn)速下的機(jī)械鉆速呈下降趨勢(shì)。

2）牙輪與刀翼的方位角。根據(jù)測(cè)試，牙輪在同軌刀翼的后面時(shí)，混合鉆頭的切削效率最高，牙輪在同軌刀翼的前面時(shí)，混合鉆頭的切削效率次高，當(dāng)牙輪在同軌刀翼的對(duì)面時(shí)，混合鉆頭的切削效率最低，但3種牙輪排列方式的混合鉆頭的切削效率相差不大。

3）鉆壓。根據(jù)測(cè)試，與采用低鉆壓鉆進(jìn)相比，采用高鉆壓鉆進(jìn)時(shí)，單位載荷單位轉(zhuǎn)速下的機(jī)械鉆速有大幅度提高。這說(shuō)明要對(duì)巖石產(chǎn)生高效的體積破碎，鉆壓必須達(dá)到某一門檻值。

4.3" 鉆頭參數(shù)選取

按牙輪切削齒與PDC切削齒的高低差在-6.0～6.0 mm（負(fù)值：牙輪切削齒在PDC切削齒輪廓線之內(nèi)，正值：牙輪切削齒在PDC切削齒輪廓線之外），牙輪切削齒與PDC切削齒同軌或在2個(gè)PDC切削齒之間切削，確定牙輪切削齒在PDC鉆頭體輪廓圖上的位置，并預(yù)留牙輪壁厚、牙輪切削齒與PDC鉆頭和漿孔之間的距離，確定牙輪軸承在PDC鉆頭體輪廓圖上的位置，鉆壓范圍160～60 kN，轉(zhuǎn)速范圍50～200 r/min。

4.4" 鉆頭性能特點(diǎn)

在不均勻的地層（含礫砂巖、頁(yè)巖、石英砂巖）及軟硬交錯(cuò)的地層（硬夾層）[6]，復(fù)合式鉆頭機(jī)械鉆速高、進(jìn)尺長(zhǎng)。由于混合鉆頭同時(shí)包含牙輪和刀翼，在不均勻及軟硬交錯(cuò)地層，牙輪切削齒對(duì)巖石產(chǎn)生預(yù)破碎，降低了PDC切削齒的切削載荷，PDC切削齒能對(duì)地層形成有效切削，因而混合鉆頭機(jī)械鉆速高、進(jìn)尺長(zhǎng)。由于PDC切削齒分擔(dān)了部分載荷，牙輪軸承上的載荷降低了，所以牙輪軸承壽命長(zhǎng)。牙輪切削齒采用耐磨性較強(qiáng)的硬質(zhì)合金齒，可較長(zhǎng)時(shí)間保持銳利，可較長(zhǎng)時(shí)間保持對(duì)巖石的預(yù)破碎能力。由于存在滾動(dòng)的牙輪，在定向井段，相對(duì)于PDC鉆頭，混合鉆頭的導(dǎo)向性能好，造斜率高。相對(duì)于PDC鉆頭，該混合鉆頭扭矩小、扭矩波動(dòng)幅度小，在造斜井段，鉆具工具面的穩(wěn)定性高。由于鉆頭結(jié)構(gòu)對(duì)稱，鉆頭穩(wěn)定性高，防井斜效果好。

5" 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用

須家河組地層含礫石較多，地層可鉆性級(jí)值高，地層研磨性強(qiáng)、可鉆性差，且存在硬夾層，機(jī)械鉆速低。使用牙輪+PDC復(fù)合式鉆頭之后，相較于鄰井相近層段地層使用的牙輪、PDC鉆頭的鉆井效果，牙輪+PDC復(fù)合式鉆頭的鉆井進(jìn)尺提高46.27%、機(jī)械鉆速提高18.33%，鉆頭磨損程度有效降低（表3）。

6" 結(jié)論

1）牙輪+PDC復(fù)合式鉆頭采用牙輪和刀翼復(fù)合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將PDC鉆頭和牙輪鉆頭兩者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，形成沖擊破碎和剪切破碎，大幅提升致密性巖層的破碎效率，使得復(fù)合式鉆頭在地層中具有較高機(jī)械鉆速、進(jìn)尺和使用壽命。

2）牙輪+PDC復(fù)合式鉆頭在川北須家河組五—六段地層試驗(yàn)效果良好，具有較好的推廣應(yīng)用前景，建議在更深井段更進(jìn)一步開展試驗(yàn)。

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