南堡油田高研磨性地層鉆頭的選型與實踐

(渤海鉆探第一鉆井公司，天津 300280)

1 區塊構造背景及巖性

南堡油田地理位置位于河北省唐山市南堡開發區，為黃驊坳陷南堡凹陷構造。高研磨性地層主要指館陶組和東營組地層。表1為鄒德永、王瑞和【石油大學（華東）】等人實驗得出的巖性研磨性級別：

1.1 館陶組具體巖性。

南堡油田館陶組主要由泥巖、細砂巖、含礫不等粒砂巖、砂礫巖、泥巖和玄武組成。巖質性軟，吸水性強，易造漿，巖屑呈團塊狀，可鉆性較差，研磨性強。從實鉆資料可知，細砂巖的主要成份以石英為主，長石次之，巖屑呈現細粒結構，形狀為次圓狀，由泥質膠結，疏松；含礫不等粒砂巖主要成份以礫石、石英為主，長石次之，不等粒結構，顆粒呈現次圓狀，分選差，泥質膠結，疏松，其中礫石成份以石英礫為主，長石礫次之。砂礫巖主要成分為石英，其次為長石，顆粒次棱角狀，分選差，泥質膠結，疏松，礫石成份以石英礫為主，長石礫次之。玄武巖質較純，堅硬，致密，成分以斜長石為主，隱晶質結構，表面較粗糙。在南堡3號構造中館陶組會鉆遇煤層，如南堡3-80井煤層為2m。煤層壓實嚴重，可鉆性很差，研磨性強，但是層薄，鉆頭能夠快速穿過，對鉆頭的研磨起不到決定性作用。

1.2 東營組具體巖性

東營組地層分為三段，東一段為厚層、中厚層灰白、淺灰色細砂巖、砂礫巖及灰色、灰綠色泥巖不等厚互層。東二段上部為灰色、深灰色泥巖、粉砂質泥巖夾淺灰色細砂巖、粉砂巖，中下部砂巖較發育。東三段深灰色泥巖夾灰色細砂巖、粉砂巖。東一和東二段研磨性強，東三次之。

2 該區塊高研磨性地層PDC鉆頭切削齒選擇

研磨性級別在4級以內的軟和較軟巖層，可選用聚晶金剛石鉆頭；軟的、中硬和完整均質較硬巖層，可選用天然金剛石表鑲鉆頭；軟硬不均、節理發育和裂隙巖層，宜選用孕鑲鉆頭。

隨著地層的壓實作用與埋藏深度，巖石的可鉆性差，研磨性越強，硬度越高，金剛石粒度應越小，最好用孕鑲鉆頭。巖石硬度越低，研磨性越弱，則鉆頭的金剛石顆粒應越大，如選用天然金剛石鉆頭，聚晶金剛石鉆頭。按金剛石鑲焊濃度來說，巖石硬度越高或研磨越弱，則鉆頭金剛石濃度應越低；反之，巖石硬度越低或研磨性越強，則鉆頭金剛石濃度應越高。這樣才能保證鉆頭收到巖層的研磨時，能夠有效保護切削齒和刀翼布齒處。

在南堡油田，進入館陶二三段后地層壓實作用增大，可鉆性變差，研磨性增強，選擇鉆頭的切削齒尺寸為16mm，進入東營后可以選擇13mm切削齒。例如在南堡3號斷塊，從2956m-3214m選擇的鉆頭是T1653AGU鉆頭，這段地層巖性有細砂巖、泥巖、含礫不等粒砂巖和玄武巖，地層壓實變化大，可鉆性較差，研磨性較強，機械鉆速為6.45m/h，鉆頭起出磨損嚴重，切削齒全部鈍化，護徑齒磨滑，約退化0.6mm，外側無齒區域有橫向槽痕。

在明化鎮下段和館陶組的非礫巖地層，研磨性較強，切削齒應選用中等偏小的鼻部圓弧直徑、小切削角、中低密度布齒設計，力平衡布齒和橫向減振塊相結合，提高鉆頭工作穩定性及抗沖擊能力。東營組東一、東二段研磨性加強，切削齒應選用中等偏小的鼻部圓弧直徑、中小切削角、中低密度布齒設計，力平衡布齒和橫向減振塊相結合。東三段切削齒選擇中等鼻部圓弧直徑、中等切削角、中等密度布齒設計。

3 牙輪鉆頭的選擇與使用

牙輪鉆頭使用，主要用于館陶底礫巖的鉆進，再者還用于扭方位、造斜、降斜等定向作業，用于井底不干凈（PDC多落齒、礫巖落塊等）后的鉆進作業。除了礫巖對鉆頭的應力損壞外，礫巖及其他巖石的研磨性依然是破壞鉆頭的主因。

3.1 牙輪軸承選擇

地層對牙輪鉆頭的研磨性，主要表現在對切削齒、牙輪本體、軸承磨損以及掌背的磨損。因此，在選擇三牙輪鉆頭時，牙輪鉆頭的布齒密度應增大，可以分均地層對切削齒的磨損，增加切削地層效果，延長使用壽命，確保是使用時間內不至于磨損牙輪本體。密封形式以金屬滑動密封為主，因為巖層研磨性高的地層，一般較深，地層溫度會增加，金屬滑動密封要好于橡膠密封。

3.2 掌背注意事項

井壁對鉆頭的研磨性體現在磨損鉆頭的掌背，掌背內部是密封油腔，上部有密封蓋，因此在鉆頭選擇上，要進行掌背強化和加厚，防止磨損掌背或油封蓋后使得滑動密封失效，嚴重可導致牙輪落井。例如南堡3-80井選擇了HJT517GL和HJT517GK鉆頭，堡古2井選了HJ517G。

3.3 使用注意事項

牙輪鉆頭在高研磨性地層中，使用注意事項的重要性同等于選擇，一旦在使用中沒有把握好，容易導致牙輪落井。因為地層研磨性很強，所以，根據鉆時來判斷鉆頭的實時狀態，這點措施不可取。控制鉆頭的使用時間是關鍵。南堡3-80井在該區塊的施工中，認真把握使用時間，根據是否使用東麗鉆具來決定鉆頭的使用時間：下動力鉆具時，井下工作時間控制在30小時內，不下動力鉆具時，井下使用時間控制在60小時內。

結語

在南堡油田高研磨性地層鉆進作業，對鉆頭的選擇是一項非常關鍵的決策。尤其是在未探明地層研磨性情況的區域，更應該充分考慮到地層的研磨性，將地層研磨性列為鉆頭參考的重要一項，并在鉆進中做好實施跟蹤和監測，才能更好的應對高研磨性地層，順利施工。

[1]鄒德永等.PDC鉆頭鉆進巖石可鉆性試驗研究[J].石油大學學報(自然科學版)，1993，17(1)：31-35.

[2]邢紀國.巖石研磨性實驗研究[J].江漢石油學院，2003，05：25-26.