埕東斷裂帶義50塊砂礫巖油藏鉆頭選型探索與應(yīng)用

何良泉，高盼盼，蔣紅梅

(1.中國(guó)石化勝利石油工程有限公司 渤海鉆井公司，山東　東營(yíng)　257200；2.中國(guó)石化勝利石油管理局 河口采油廠(chǎng)，山東　東營(yíng)　257200)

?

埕東斷裂帶義50塊砂礫巖油藏鉆頭選型探索與應(yīng)用

何良泉1，高盼盼1，蔣紅梅2

(1.中國(guó)石化勝利石油工程有限公司 渤海鉆井公司，山東東營(yíng)257200；2.中國(guó)石化勝利石油管理局 河口采油廠(chǎng)，山東東營(yíng)257200)

摘要：埕東斷裂帶義50塊主要含油層系為沙二段砂礫巖體，由于礫石的存在，鉆頭選型困難。牙輪鉆頭和普通PDC鉆頭對(duì)該地層均存在一定的局限性，難以適應(yīng)該地層，機(jī)械鉆速得不到提高，且存在一定的井下風(fēng)險(xiǎn)。為提高該地層的機(jī)械鉆速，降低鉆井成本，通過(guò)實(shí)鉆資料優(yōu)選鉆頭并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，目的層砂礫巖段機(jī)械鉆速同比提高了近一倍，提速提效效果良好，初步形成了適合該地層的鉆頭選型，可為后續(xù)施工井提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：義50塊；砂礫巖；鉆頭選型

埕東斷裂帶義50塊目的層系存在礫石，研磨性強(qiáng)，牙輪鉆頭雖然能鉆進(jìn)，但鉆時(shí)很慢，且壽命受限，有掉牙輪等井下復(fù)雜的可能，在實(shí)鉆中至少得用2只牙輪鉆頭，成本高風(fēng)險(xiǎn)大。而對(duì)于普通四刀翼PDC在該地層鉆進(jìn)時(shí)容易出現(xiàn)PDC復(fù)合片崩碎，牙齒磨損，外徑變小，鉆速也慢，普通四刀翼PDC鉆頭也很難適應(yīng)該地層。因此，優(yōu)選鉆頭對(duì)義50區(qū)塊東營(yíng)底以下含礫砂巖提高機(jī)械鉆速、降低成本、提高效益具有重要的意義。

1地質(zhì)概況

義50區(qū)塊位于埕東斷裂帶東段埕99-義50斷鼻構(gòu)造帶，處于埕南大斷層由東西向北東走向的轉(zhuǎn)折處，東鄰孤北洼陷，西南為渤南洼陷，北以埕南斷層與呈子口凸起相接，主要含油層系為沙二段砂礫巖體。

東營(yíng)組底部地層之前，地層巖石可鉆性強(qiáng)。巖性主要為泥巖，夾薄層砂巖、白云巖。沙二段巖性主要以灰色含礫粗砂巖、含礫細(xì)砂巖、含礫泥質(zhì)細(xì)砂巖、灰質(zhì)細(xì)砂巖為主夾深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖。砂、礫成分以石英為主，長(zhǎng)石次之，礫呈橢球體，次棱角狀，砂以粗砂為主細(xì)砂次之，次棱角狀，分選較差，粒度中值0.15～4 mm，泥質(zhì)膠結(jié)，含灰質(zhì)膠結(jié)較致密，總體上成分成熟度及結(jié)構(gòu)成熟度較低，反映為近源快速堆積產(chǎn)物。沙三段巖性主要為泥巖夾砂巖、礫巖，泥巖硬，砂巖富含灰質(zhì)，致密，礫巖致密。

2技術(shù)難點(diǎn)

1)PDC復(fù)合片的抗研磨性能和抗沖擊性能制約PDC鉆頭的壽命。由于目的層系礫石的存在，對(duì)PDC鉆頭的使用要求較高，PDC復(fù)合片的抗研磨性能和抗沖擊性能是制約PDC鉆頭壽命的一對(duì)矛盾。普通PDC鉆頭適應(yīng)地層的能力變差，磨損嚴(yán)重，機(jī)械鉆速明顯降低。其鉆礫石層段，較大的負(fù)荷沖擊載荷作用常造成PDC復(fù)合片崩碎，牙齒磨損，在砂礫的磨蝕下PDC鉆頭刀翼鼻部和肩部在短時(shí)間內(nèi)被破壞，切削能力嚴(yán)重破壞，不得不起鉆換鉆頭，降低時(shí)效的同時(shí)，大大增加了鉆井成本。

2)牙輪鉆頭機(jī)械鉆速慢、使用壽命有限和易發(fā)生掉牙輪等井下故障復(fù)雜，嚴(yán)重制約了其在砂礫巖的使用效率。砂礫巖的軟硬交錯(cuò)，致使牙輪鉆頭復(fù)合運(yùn)動(dòng)破碎巖石時(shí)所受載荷極度不均衡，鉆頭磨損嚴(yán)重，斷齒、碎齒、掉牙輪等情況經(jīng)常發(fā)生。牙輪鉆頭在砂礫巖中雖然能鉆進(jìn)，但鉆時(shí)慢。

3技術(shù)措施研究

針對(duì)義50區(qū)塊的技術(shù)難點(diǎn)，主要從PDC鉆頭鉆進(jìn)礫巖損壞機(jī)理分析為出發(fā)點(diǎn)，研究分析制定相應(yīng)的技術(shù)措施。

3.1PDC鉆頭鉆進(jìn)礫巖損壞機(jī)理分析

PDC鉆頭鉆進(jìn)礫巖的失效形式主要包括磨損和沖擊損壞[1-2]。

1)磨損。PDC鉆進(jìn)礫巖中，在切削齒與巖石產(chǎn)生的摩擦力的作用下，金剛石微粒會(huì)從基底脫落，從而導(dǎo)致切削齒發(fā)生磨損，表現(xiàn)為復(fù)合片切削刃逐漸被磨鈍，磨損面逐漸增大，鉆頭機(jī)械鉆速逐漸降低。磨損速度主要取決于切削齒的受力、切削刃與巖石接觸面上的溫度、切削速度、巖石研磨性以及切削齒的耐磨性。

2)沖擊損壞。在巖石破碎阻力以及切削齒與巖石接觸面上的摩擦阻力的作用下，PDC切削齒同時(shí)受到切向沖擊載荷、軸向沖擊載荷以及側(cè)向沖擊載荷，容易使PDC鉆頭發(fā)生崩刃或切削齒金剛石層的剝落。隨著崩刃或切削齒損壞的加重，最終都將導(dǎo)致鉆頭的報(bào)廢。特別由于地層中礫石的存在，切削齒與礫石作用瞬間會(huì)形成較大的沖擊載荷，同時(shí)還容易引發(fā)鉆頭扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和軸向振動(dòng)，加劇切削齒受到的沖擊載荷，是鉆頭發(fā)生沖擊損壞的主要原因。

3.2技術(shù)措施

PDC鉆頭磨損和沖擊損壞的受力部位主要為切削齒，切削齒質(zhì)量的好壞決定著PDC鉆頭的使用功效。因此，普通的PDC鉆頭不適應(yīng)于鉆礫石層，在保證切削齒的質(zhì)量的前提下，優(yōu)選更高強(qiáng)度的PDC鉆頭鉆礫石層。同時(shí)，在工程上優(yōu)化鉆井參數(shù)，可大大增加鉆頭的使用壽命。

1)PDC鉆頭接觸井底后，低鉆壓低轉(zhuǎn)速磨合井底。根據(jù)不同的地層巖性?xún)?yōu)選鉆壓和轉(zhuǎn)速，以達(dá)到最優(yōu)的鉆頭壽命和鉆進(jìn)速度。當(dāng)鉆遇泥巖井段時(shí)，可適當(dāng)提高鉆壓(10～30 kN)，降低轉(zhuǎn)速。若鉆遇硬夾層發(fā)生輕微蹩鉆現(xiàn)象或鉆遇礫石層時(shí)，可適當(dāng)降低鉆壓，同時(shí)降低轉(zhuǎn)速，等鉆穿后再采用正常參數(shù)鉆進(jìn)，防止發(fā)生崩齒，減小其軸向力和軸向振動(dòng)，延長(zhǎng)其壽命。

2)正常鉆進(jìn)時(shí)，調(diào)整鉆井液排量，確保巖屑能及時(shí)排出，以及充分冷卻PDC切削齒。

3)鉆頭使用到后期，PDC切削齒的磨損平面加大，降低了PDC切削齒切入地層的深度，因此可適當(dāng)提高鉆壓以維持較高的機(jī)械鉆速。

4鉆頭選型

1)東營(yíng)組底部地層之前，地層巖石可鉆性強(qiáng)。二開(kāi)第一只鉆頭均使用HAT127鉆頭鉆進(jìn)，宜鉆穿館陶組底部，機(jī)械鉆速較高，最高能達(dá)到40.25 m/h。

2)東營(yíng)底至沙一段巖性主要為泥巖，夾薄層砂巖、白云巖。泥巖較硬，砂巖灰質(zhì)膠結(jié)，致密，可鉆性差，鉆速低，但可使用PDC鉆頭鉆進(jìn)。在實(shí)鉆中使用過(guò)HJT537GK牙輪鉆頭，機(jī)械鉆速僅1.24～2.39 m/h，但其效果不理想。大多數(shù)使用不同類(lèi)型的PDC鉆頭。義50-X7使用四刀翼單排齒19 mm復(fù)合片HT2465，鉆進(jìn)井段2 042～2 920 m，機(jī)械鉆速5.78 m/h。義50-X2使用四刀翼單排齒16mm與13mm混合復(fù)合片的P4252SJ鉆頭，鉆進(jìn)井段2 150～2 650 m，機(jī)械鉆速10.67 m/h。義50-X3使用五刀翼單排齒16 mm復(fù)合片的HT2465定向?qū)Ｓ勉@頭，鉆進(jìn)井段2 180～3 108 m，機(jī)械鉆速5.95 m/h。義50-X10井使用四刀翼單排齒16 mm與13 mm混合復(fù)合片的P4252SJ鉆頭，鉆進(jìn)井段2 156～3 056 m，機(jī)械鉆速9.00 m/h。義50-X4等3口井均使用了四刀翼單排齒16 mm復(fù)合片WP1945S鉆頭，一趟鉆鉆穿沙一段，機(jī)械鉆速能達(dá)到10.33 m/h。因此，該井段建議使用四刀翼單排齒16 mm復(fù)合片的PDC鉆頭，比如勝利鉆井院產(chǎn)P4252SJ、萊州原野產(chǎn)HT2465、萬(wàn)和產(chǎn)WP1945S等。

3)沙二段及沙三段存在礫石，普通四刀翼PDC很難適應(yīng)該地層，義50-X4井使用四刀翼HT2465鉆頭，鉆進(jìn)進(jìn)尺僅37 m，機(jī)械鉆速3.08 m/h。而牙輪鉆頭機(jī)械鉆速偏低，義50-1等4口井后期均采用HJT537GK牙輪鉆頭，機(jī)械鉆速僅為2.25～4.09 m/h。義50-X10采用五刀翼雙排齒16 mm與13 mm混合復(fù)合片P5263MJ鉆頭，鉆進(jìn)井段3 050～3 300 m，機(jī)械鉆速為5.63 m/h，同比提高37.66%。

通過(guò)施工井起出鉆頭的情況(見(jiàn)圖1)可以看出，沙一段與沙二段的交界面，地層硬，出現(xiàn)粒徑較小的礫石，研磨性強(qiáng)，鉆速變慢，四刀翼PDC復(fù)合片崩碎，牙齒磨損，外徑變小。沙二段與沙三段，HJT537GK牙輪鉆頭雖然能鉆進(jìn)，但是鉆時(shí)慢，有時(shí)間限制，一般一只鉆頭進(jìn)尺150 m左右，因此，至少使用2只537鉆頭。采用五刀翼P5263MJ鉆頭，鉆時(shí)要快，沒(méi)有時(shí)間制約，但是在后期3 300 m以后鉆時(shí)變慢由10～18 min/m增長(zhǎng)至38～42 min/m，并且取出鉆頭后，基本上所有切削齒復(fù)合片切削部分崩碎，牙齒磨損一半，倘若井深在3 400 m時(shí)，P5263MJ鉆頭不能很好適應(yīng)3 300 m以下地層。從鉆頭磨損程度看，沙二段以下，可以使用五刀翼以上，保徑好，13 mm復(fù)合片，雙排齒，并且牙齒排列緊密的PDC鉆頭。

5應(yīng)用效果

1)通過(guò)鉆頭優(yōu)選，后期施工井同比前期施工井相比，提速提效效果明顯，具體見(jiàn)表1。由表1可知，后期施工井平均機(jī)械鉆速同比提高了4.84 m/h，鉆井周期同比縮短了3.28 d，平均鉆機(jī)月速同比增加了655.20 m/臺(tái)月。特別是義50-X12井完鉆井深3 293 m，完鉆層位沙三上。二開(kāi)第二只鉆頭使用上，通過(guò)鉆頭選型并結(jié)合廠(chǎng)家推薦使用萬(wàn)和公司PDC鉆頭，取得了單只鉆頭進(jìn)尺1 209 m的新高，平均機(jī)械鉆速12.51 m/h，同比同區(qū)塊同井段提高48.22%的好成績(jī)，同時(shí)也突破了該區(qū)塊二開(kāi)一只PDC鉆頭不能鉆完含礫砂巖的沙河街，取得了該區(qū)塊二開(kāi)第二只鉆頭一趟鉆完設(shè)計(jì)井深的紀(jì)錄。

表1　義50區(qū)塊施工井前后時(shí)效對(duì)比

2)通過(guò)已施工井對(duì)比，在砂礫巖目的層段使用PDC鉆頭平均機(jī)械鉆速明顯高于牙輪鉆頭(圖2)；平均每只PDC鉆頭所鉆的進(jìn)尺遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于牙輪鉆頭，有利于降低鉆井成本和減少井下故障復(fù)雜發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。由圖2可知，對(duì)于同一井段使用PDC鉆頭比牙輪鉆頭機(jī)械鉆速提高了近一倍；平均每只PDC鉆頭進(jìn)尺能達(dá)到396.29 m，比牙輪鉆頭要多265.12 m。

6結(jié)論及建議

1)義50區(qū)塊鉆遇油層效果良好，投產(chǎn)后具有較好的穩(wěn)定產(chǎn)量，后期將加大投資，該區(qū)塊鉆頭選型對(duì)后期施工的提速提效具有關(guān)鍵性的作用。以砂礫巖油藏鉆頭選型為出發(fā)點(diǎn)，后期施工中不斷進(jìn)行細(xì)化、完善，并進(jìn)行推廣應(yīng)用，將會(huì)大幅度提高鉆井速度，節(jié)約鉆井周期，降低鉆井成本。

2)建議試驗(yàn)研制一種適合砂礫巖地層鉆進(jìn)的PDC鉆頭類(lèi)型。

3)建議加大提速工具和高效鉆頭的投入，可以起到提高施工速度，減少口井綜合成本的效果，建議加大旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向的投入使用，減少定向鉆進(jìn)的時(shí)間，提高全井速度。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁爾國(guó)，李子豐，鄒德永.PDC鉆頭綜合受力模型的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2009,30(4):939-942.

[2]翁煒.含礫石用 PDC鉆頭研究[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)[北京]，2009.

[3]紀(jì)明師，張富成，張慶華，等.砂礫巖地層鉆頭合理選型研究及應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2005,27(3):13-14.

[4]李天明，李大佛，陳洪俊，等.用于礫石夾層鉆進(jìn)的新型PDC鉆頭的研制與使用[J].探礦工程，2006(8)：57-63.

[5]楊曉勇，黃蕾.礫巖油藏的井身結(jié)構(gòu)和鉆頭選型技術(shù)[J].新疆石油科技，1992，1(3)：1-5.

Exploration and Application of Bit’s Selection in Yi 50 Block of Chengdong Fracture Belt

HE Liang-quan1, GAO Pan-pan1, JIANG Hong-mei2

(1.Bohai Drilling Corporation of Shengli Petroleum Engineering Co., Ltd. SINOPEC,Dongying 257200, Shandong, China;2.Hekou Oil Production Factory of Shengli Petroleum Administration, SINOPEC,Dongying 257200, Shandong, China)

Abstract:The glutenite of Es 2 submember is a major hydrocarbon target zone in Yi 50 block of Chengdong fracture belt. It’s difficult to select the bits for the glutenite. It is difficult to adapt to the formation on which rock and conventional PDC bits have certain limitations, which causes drilling speed can’t be improved and a certain risk of down hole. In order to improve the mechanical drilling rate and reduce the drilling cost, the drill bits are optimized by the real drilling data and applied to the field. It shows that the drilling speed of glutenite has almost doubled in the target zone with good results. It has formed a preliminary bit type selection adapted to the formation, which can be a reference for the follow-up drilling well.

Key words:Yi 50 block; glutenite; bit type selection

收稿日期：2015-11-20

作者簡(jiǎn)介：何良泉(1981-)，男，福建平和人，中國(guó)石化勝利石油工程有限公司渤海鉆井公司工程師，碩士，主要從事石油鉆井現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)工作。

中圖分類(lèi)號(hào)：TE92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-9446(2016)02-0006-04