北特魯瓦油田復雜地層PDC鉆頭的優選及應用

章增光，陸成和，李忠明

（西部鉆探公司哈薩克斯坦阿克糾賓項目，新疆阜康 831511）

北特魯瓦油田復雜地層PDC鉆頭的優選及應用

章增光，陸成和，李忠明

（西部鉆探公司哈薩克斯坦阿克糾賓項目，新疆阜康 831511）

北特魯瓦油田巖層可鉆性差，給鉆井工程中提高鉆井速度，縮短鉆井周期帶來很大難度。根據2014—2015年北特魯瓦油田使用的PDC鉆頭情況，結合地層特點和鉆井工藝，對各層段鉆頭選型及影響機械鉆速的原因進行了分析，并優選出一套適合北特魯瓦油田使用的鉆頭序列。結果表明，與其他鉆頭相比，選用推薦的鉆頭機械鉆速提高了50%以上，縮短了鉆井周期，達到了優質快速鉆井的目的。

PDC鉆頭；鉆頭優選；機械鉆速；鉆井液；鉆井參數；北特魯瓦油田

我國石油鉆井行業受國內經濟增長放緩、國際競爭環境加劇、國際油價上下波動、貨幣貶值以及鉆井承包費用下降等因素影響，行業面臨較大下行壓力。對于鉆井公司來說迫切需要進一步提高單井鉆井速度，縮短鉆井周期，降本增效。近兩年來，西部鉆探東方石油技術服務有限責任公司通過對北特魯瓦油田鉆井技術的研究，初步探索出了一套提高深井機械鉆速的有效方法。

1 北特魯瓦地區地層巖石特性及鉆井技術難點

北特魯瓦油田表層地層主要是第四系（Q）、白堊系（K）、侏羅系（J）、下三疊統（T1）組成；二開地層主要是上二疊統（P2）、下二疊統（包括阿爾琴-薩克馬爾階P1a～P1s，阿舍利階P1as）組成，主要巖性為泥巖、砂巖、鹽膏層、膏泥巖。上部石膏夾層較多，下部為石膏夾層、含鋁土礦的泥板巖、泥巖夾層，可鉆性較差；三開地層主要是石炭系上統（包括格熱爾階-卡西莫夫階C3g-C3k），石炭系中統（莫斯科階C2m），上部格熱爾階-卡西莫夫階（KT1）地層巖性主要為白云巖、石灰巖、灰質泥巖；莫斯科階C2m上部（MKT）地層巖性主要為深灰色泥板巖，莫斯科階C2m下部（KT2）地層巖性主要為含SiO2的灰褐色石灰巖、泥質灰巖、灰質泥巖夾層，可鉆性較差。

分析總結北特魯瓦地區主要鉆井技術難點有以下幾方面：

1）二開地層各項異性強，地層因素造成井斜的可能性大，易斜，極易產生“突變”狗腿，給鉆井施工帶來困難。

2）二開下二疊統下部石膏夾層、含鋁土礦的泥板巖，可鉆性較差，使用三牙輪鉆頭的平均機械鉆速只能達到1.5m/h左右。

3）三開石炭系主要含白云巖、含SiO2的石灰巖，研磨性強，三牙輪鉆頭鉆頭鉆進，平均機械鉆速最高達到2.5m/h，且容易斷齒；普通的PDC鉆頭進尺少，機械鉆速最高3.5m/h，且使用后磨損嚴重，極大地影響了三開的綜合提速。

2 優選PDC鉆頭

2.1 PDC鉆頭個性化設計

北特魯瓦油田二開地層各項異性，且夾層較多，易發生井斜特點，在鉆頭設計時綜合考慮鉆頭牙齒的齒形、布局，提高鉆頭牙齒的切屑效率；三開地層硬脆性白云巖，含SiO2的石灰巖所占比例較高，在鉆頭設計時綜合考慮抗研磨性、抗沖擊能力和耐高溫性能。通過東方公司與鉆頭生產廠家聯合攻關研究，對北特魯瓦油田復雜地層的PDC鉆頭逐個進行了個性化設計。現場應用獲得了良好的效果，為該區塊今后的PDC鉆頭優選和鉆井提速提供了非常有益的參考。

2.2 PDC鉆頭特征及應用

2.2.1 KS1952SGRX PDC鉆頭

①針對硬地層，采用硬地層鉆頭設計技術，提高硬地層鉆頭的吃入能力。

②鉆頭采用輪廓優化設計，適用于中到中硬地層。

③優化鉆頭噴嘴組合、深排屑槽布置方位以及優化水力結構，鉆頭具有更好的水力效果，輔助提高鉆頭的機械鉆速。

④采用非對稱式刀翼布置結構，力平衡分析及防回旋設計技術，防止鉆頭在井底回旋造成鉆頭早期失效。

⑤采用優質PDC復合片、優化布齒技術，鉆頭具有較高的綜合性能。

⑥采用耐沖蝕性能的堆焊材料和先進的基體表面強化技術，防止鉆頭表面沖蝕。

⑦長保徑設計，鉆頭具有較好的穩斜能力。

2.2.2 MDZI516HPXG PDC鉆頭

①針對軟硬交錯地層，采用穿越夾層設計技術，防止復合片的早期失效。

②鉆頭采用輪廓優化設計，適應于中到中硬地層。

③采用綜合性能優越的PDC復合片、優化布齒技術，鉆頭具有較高的綜合性能。

④二排齒布齒采用性能優越的錐球形復合齒，輔助鉆進并提高鉆頭鉆進時的穩定性。

⑤采用動態流場模擬技術，優化鉆頭水力設計，增強鉆頭清洗、冷卻能力和防止鉆頭泥包。

⑥采用雙排齒設計，鉆頭具有較長的使用壽命。

⑦倒劃眼設計，方便短起下和起下鉆。

3 優化鉆井參數

3.1 Ф311mm井眼鉆井參數選擇

（1）排量。應用PDC鉆頭鉆進時的排量主要考慮井底清潔和鉆具環空上返速度兩個因素，一般選擇45～50L/s排量。

（2）轉速。在運轉平穩的條件下，采用100r/min以上高轉速為宜。

（3）鉆壓。鉆頭使用前期選用40～80kN小鉆壓、中期選用80～120kN中等鉆壓、后期選用120～160kN大鉆壓。鉆遇硬夾層時，應采用小鉆壓鉆進，防止鉆壓太大，嚴重損壞鉆頭。

（4）根據北特魯瓦油田?311mm井眼1 200～1 800m井段地層易井斜以及可鉆性好的特點，采用降斜鉆具組合配MWD隨鉆測斜，將井斜控制在2.5°以內，低鉆壓、高轉速（轉盤60+螺桿）鉆進，同時采用50L/s的大排量，充分發揮PDC鉆頭的高速切屑作用，不僅確保了井身質量，同時提高了機械鉆速。

3.2 Ф216mm井眼鉆井參數選擇

（1）排量。應用PDC鉆頭鉆進時的排量主要考慮井底清潔和鉆具環空上返速度兩個因素，一般選擇30～35L/s排量。

（2）轉速。在運轉平穩的條件下，采用100r/min以上高轉速為宜。

（3）鉆壓。鉆頭使用前期選用40～80kN小鉆壓、中期選用80～120kN中等鉆壓、后期選用120～160kN大鉆壓。鉆遇硬夾層時，應采用小鉆壓鉆進，防止鉆壓太大，嚴重損壞鉆頭。

（4）根據北特魯瓦油田?216mm井眼地層平緩、不易發生井斜的特點，為充分發揮鉆頭的使用效率，我們選用Smith大扭力螺桿配合MDZI516HPXG鉆頭，采用高鉆壓、高轉速（轉盤60+螺桿）、大排量鉆進，同時發揮大排量冷卻鉆頭、清洗井底和攜砂效果。

4 優化泥漿性能

鉆井液的密度、流變性、濾失性、固相含量、固體顆粒、分散性以及潤滑性等都是影響鉆井速度的重要因素，良好的泥漿性能是保證井下安全的重要因素，協同其它鉆井措施提高鉆井速度，縮短鉆井周期。優質的泥漿性能可以有效清除井底巖屑，維護井壁穩定，減少提下鉆次數，避免鉆頭泥包。根據二開地層巖性特點，采用飽和鹽水泥漿體系，三開從防止地層坍塌、保護油氣層角度出發，最大可能降低鉆井液密度，現場采用鉀鹽聚磺鉆井液體系。通過實踐證明，二開飽和鹽水泥漿體系和三開鉀鹽聚磺鉆井液體系，通過現場試驗，加強泥漿性能的維護，較好地滿足了鉆井施工需要。從表1可以看出，優質的泥漿性能，能充分發揮PDC鉆頭的使用功效，提高機械鉆速。

5 現場應用效果

近兩年來，北特魯瓦油田加快了PDC鉆頭優選及推廣應用，PDC鉆頭進尺比例從2010年的23.51%逐年提高，2013年PDC鉆頭在北特魯瓦油田鉆井總進尺中的比例達58.76%，取代了牙輪鉆頭長期占據的主導地位，2015年PDC鉆頭在北特魯瓦油田鉆井總進尺中的比例己達到76.53%，是2010年的3.3倍。以PDC鉆頭技術為核心的鉆井提速綜合配套技術的推廣應用，極大的推動了北特魯瓦油田勘探開發的發展，取得了顯著的經濟效益。北特魯瓦油田PDC鉆頭使用情況見表2。

從表1和表2可以看出，在北特魯瓦油田?311mm井眼井段使用其他型號PDC鉆頭，最大鉆井進尺940m，最高機械鉆速6.25m/h，而且二開后期使用三牙輪鉆頭數量最少2只，整個二開井段平均機械鉆速低，提下鉆次數多，鉆井周期長。在優選KS1952SGRX PDC鉆頭之后，基本上2只PDC鉆頭可以完成二開井段施工，5575井甚至實現了一趟鉆工程。單只PDC最大鉆井進尺達到1437m，相比其他PDC鉆頭最大鉆井進尺提高了52.9%；最高平均機械鉆速達到了8.45m/h，相比其他PDC鉆頭最高的平均機械鉆速3.41m/h，提高147.8%，二開最短鉆井周期9.88d，相比其他PDC鉆頭二開最短鉆井周期19.06d，縮減了48.2%。

第一只Smith公司MDZI616HPXG PDC鉆頭，鉆井井段為2 360～3 270m，進尺910m，起出鉆頭牙齒磨損嚴重；第一只Smith公司MDZI516HPXG PDC鉆頭，鉆井井段為2 335～3 250m，進尺915m，起出鉆頭保存完好。

6 認識和結論

1）通過有針對性個性化鉆頭設計，北特魯瓦油田復雜地層單只鉆頭的機械鉆速和行程均有了較大幅度的提高，井眼軌跡平滑。

2）通過現場實驗，KS1952SGRX PDC鉆頭及MDZI516-HPXG PDC鉆頭適合北特魯瓦油田二、三開復雜地層鉆井施工要求，鉆頭機械鉆速明顯提高，縮短了鉆井周期，經濟效益顯著。

3）在地面設備、井下鉆具條件允許的情況下，根據地層變化情況靈活調整鉆井參數，送鉆均勻平穩，防止崩齒和復合片提前損壞。

4）優化泥漿性能，使之具有較好的抑制性和攜砂能力，防止井壁垮塌和大量掉塊造成鉆頭重復切削，延長PDC鉆頭使用壽命，確保井下安全。

表1 北特魯瓦油田泥漿性能對比

表2 2014—2015年北特魯瓦油田?311mm井眼PDC鉆頭使用情況表

[1] 李忠慧，張春陽.鉆頭優選新方法及其應用[J]，天然氣工業，2008，28（12）：54-56.

[2] 李貴賓，馮京海，李朝陽，等.堡古1井高溫復雜地層PDC鉆頭的研究與應用[J].鉆采工藝，2011，（2）：18-21.

[3] Mason K L.Tricone bit selection using sonic lops[C].SPE13256，1987.

[4] 常領，陳華忠.PDC鉆頭在勝利油田深井鉆井中的應用[J].石油鉆探技術，2007，35（4）：92-93.

Optimization and Application of PDC Bit in Complicated Stratum of North Troy Oilfield

Zhang Zeng-guang，Lu Cheng-he，Li Zhong-ming

The drillability of the North Troy oilfield is poor，which makes it difficult to improve the drilling speed and shorten the drilling cycle in drilling engineering.According to the PDC bits used in the North Troy oil field from 2014 to 2015，combined with the characteristics of the formation and the drilling technology，the drill bit selection and the factors influencing the ROP were analyzed，and a set of A sequence of drill bits used in the field.The results show that compared with other bit，the drilling rate is increased by more than 50%，and the drilling cycle is shortened，which is the result of high quality and rapid drilling.

PDC bit；bit optimization；ROP；drilling fluid；drilling parameter；north troy oilfield

TE921.1

A

1003–6490（2016）10–0016–03

2016–10–06

章增光（1973—），男，江蘇銅山人，工程師，主要從事鉆井技術和管理方面的研究工作。