古探1井下古、元古生界復雜地層鉆頭選型研究

孫晨+許騰龍

鉆頭選型是否適應對鉆井成本、鉆井速度和井身質量有直接影響。設計者依據同一區塊相關的地層資料和鄰井施工資料，能夠初選出合理的鉆頭；但對于古探1井這種超深預探井，同一區塊施工井很少，可供參考的地層資料和鄰井資料準確性差，施工過程就是“摸著石頭過河”。因此，統計了已鉆井段的地層資料和鉆頭使用情況后，在確定地層的條件下，對比不同鉆頭的鉆頭效益指數和磨損情況，總結出適應下古、元古生界復雜地層的鉆頭型號，為元古地層下部鉆進鉆頭選型提供了依據。

關鍵詞：鉆頭選型；地層巖石參數；鉆頭效益指數；鉆頭磨損分析

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.30.095

在鉆井施工過程中，鉆頭的選型是否適應鉆井成本、鉆井速度和井身質量的要求。施工中總是以減少起下鉆次數，加快鉆井速度，降低鉆井成本；所選鉆頭既要適合地層特點又要兼顧經濟效益。因此，鉆井施工中恰當的鉆頭選型不僅可以提高機械鉆速，控制井眼軌跡，實現安全高效鉆井。本文在對當前常用的鉆頭選型方法進行簡單的介紹后，選取巖石參數分析法、鉆頭效益指數法及針對鉆頭磨損分析的參數化分析法三種方法，立足長慶區塊古探1井已鉆井段的巖屑錄井資料，通過對比不同類型型號的鉆頭使用效果和磨損原因，篩選出對下古、元古生界復雜地層適應性強的鉆頭類型。

1鉆頭選型方法

鉆頭選型要考慮的因素繁多，目前在鉆頭選型中主要考慮的參數有： 鄰近井鉆頭使用資料、地層巖性、電測資料、鉆具組合、鉆井液性能、經濟效益等。鉆頭選型方法有定性和定量之分，定性就是根據巖石力學參數，按照巖石力學劃分巖石軟硬程度，選擇鉆頭類型、材質和構造；定量則是鉆頭使用效果評價法，通過鉆頭的使用效果作為待選鉆頭的選型依據；傳統的鉆頭選型方法有每米鉆頭成本法、比能法和利用巖石可鉆性結合鉆頭的IADC編碼指導鉆頭選型。就目前我國的鉆井現狀，施工范圍遼闊，鉆頭生產廠家大都有地域局限性。各個油田在長期的開發中，形成了適合本區域施工的鉆頭型號。但對于古探1井的施工，參考資料較少，而且資料過于久遠，沒有太大的參考意義。

2鉆頭選型主要方法及原理

巖石力學參數法是鉆頭選型的基礎工作，適用于設計之初，利用已鉆井取得的地質資料和測井資料獲取地層巖石力學特性，指導鉆頭選型。最佳的鉆頭選型應考慮鉆頭工作效率，同時兼顧鉆頭的綜合經濟效益后，優選出成本低、進尺多、機械鉆速高的鉆頭。因此，結合古探1井的現場實際情況，參照下古生界（奧陶系和寒武系）和在鉆的元古生界（長城系）地層巖性參數，選取了地層巖石參數法、鉆頭效益指數法，參數化分析法進行作為鉆頭選型，作為長城系地層后期鉆頭選型的依據。

（1）鉆頭效益指數法：根據鉆頭進尺、鉆頭機械鉆速和鉆頭成本3個因素的數學分析作為評價鉆頭的使用效果。其計算公式如下：Eb=αFR/Cb式中：Eb—鉆頭效益指數；α—系數，一般取0.6；F—鉆頭總進尺，m；R—鉆頭機械鉆速，m/h；Cb—鉆頭成本，元/只。

（2）參數化分析法：主要的分析參數有鉆頭基本參數、金剛石復合片的數量和大小、噴嘴參數、流道面積、保徑齒參數、切削齒角度等。鉆頭使用后，對照鉆壓、扭矩和磨損情況，逐項分析磨損原因，改進鉆頭選型。

3鉆頭選型分析

基本情況：古探1井是集團公司在長慶區塊布置的一口氣預探井，地質構造屬于鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶中段，鉆探目的：（1）了解主沖斷層原地巖體天然氣保存條件及成藏特征；（2）尋找并查明下古生界白云巖性圈閉氣藏；（3）探索中新元古界與寒武系生烴能力，儲層發育及成藏潛力；（4）兼探上古生界和中生界含油氣情況。古探1井井深5191米，長城系設計層厚820米，鉆入298米完鉆。

3.1分析結果

古探1井地層巖性主要以灰質白云巖、砂質白云巖和變質石英巖為主，再參照巖石特性參數（見表1），可以判定奧陶系和寒武系為中硬到硬地層，寒武系下統徐莊組和長城系隨著石英含量的增多逐漸變為研磨性地層。因此，根據地層巖石的強度級別，推薦的鉆頭選型依據如表1。

3.2鉆頭效益指數分析法

分別以地層和鉆頭類型為變量，比較同類鉆頭在不同地層的鉆頭效益指數和同一地層不同鉆頭的鉆頭效益指數，可以得出迪普DM665H PDC鉆頭對奧陶系地層白云質灰巖的適應性較強。而迪普DM565H PDC鉆頭和迪普DM665H 孕鑲PDC鉆頭對寒武系泥質白云巖和白云質砂巖適應性差，鉆頭效益指數偏低，原因就是寒武系下統徐莊組底部石英含量增多，地層硬度和研磨性增強。對比古探1井和桃59井長城系地層的鉆頭效益指數，發現哈利伯頓IQ516 孕鑲金剛石鉆頭和國民油井FT813B 孕鑲PDC鉆頭使用效果相當，可以作為古探1井后期鉆頭選型的參考。

在寒武系下統徐莊組試驗了PDC、三牙輪和孕鑲PDC鉆頭，對比鉆頭進尺、機械鉆速和鉆頭效益指數，江漢MD637HDY三牙輪鉆頭的各項指標都遠遠高于其他類型鉆頭。

3.3參數化分析法

古探1井下古、元古生界地層共使用了10只鉆頭，主要為PDC鉆頭、孕鑲PDC鉆頭和孕鑲金剛石鉆頭，盡管鉆頭型號不同，有幾只鉆頭的磨損情況卻極其相似，主要表現為牙齒磨損嚴重和牙齒崩碎現象。

PDC鉆頭選型。隨著地層主要巖性從灰巖、白云巖過渡到石英巖，地層硬度級別逐漸增大到研磨性地層，鉆頭牙齒磨損程度也逐漸變大。在烏拉力克組-三道坎組，石英含量較低，迪普DM665H PDC鉆頭磨損程度只有1/8；在三道坎-徐莊組隨著石英含量逐漸增至60%，鉆頭牙齒磨損程度達到了3/8-4/8，而且內排齒和外排齒同時磨損，說明常規PDC牙齒已經不能滿足高研磨性地層鉆進的需要；盛輝M616KS PDC鉆頭由于八刀翼剛體鉆頭，鉆壓最高加到100-120KN，盡管鉆時達到500分鐘一米，牙齒磨損程度卻只有2/8，而迪普DM665H 孕鑲PDC鉆頭的工作鉆壓在120-150KN之間。就牙齒崩碎程度而言， DM565 PDC鉆頭牙齒崩碎程度更大，甚至有牙齒崩掉的現象；DM665孕鑲PDC鉆頭由于在PDC牙齒后面分別布置了一排用于切削的孕鑲齒和一排用于減震的孕鑲齒，鉆頭外排齒的崩碎程度很小，相反內排齒的崩碎程度就比較嚴重。因此，古探1井長城系后期施工中建議使用孕鑲齒金剛石鉆頭，推薦型號為迪普DM585，國民油井FT813B、哈利伯頓IQ516。但是哈利伯頓IQ516鉆頭現場使用效果來看，機械鉆速和鉆頭進尺明顯提高，可鉆頭磨損嚴重，42.2mm的工作部分全部磨損殆盡。主要有以下幾點原因：其一是孕鑲齒所含金剛石顆粒比例太少，基體材料硬度不夠導致磨損過快；其二是金剛石顆粒與基體材料膠結程度不夠，基體材料磨損后金剛石顆粒脫落；其三是金剛石顆粒材料硬度不夠，或者不適應地層高溫條件，導致過快磨損；其四是鉆進參數或工藝條件與鉆頭部匹配，導致鉆頭過早磨損。

牙輪鉆頭選型。從鉆頭使用效果來看，對比鉆頭進尺、機械鉆速和鉆頭效益指數，江漢MD637HDY三牙輪鉆頭的各項指標都遠遠高于其他類型鉆頭，但是鉆頭只使用30小時就徹底報廢，從鉆頭磨損情況和打撈結果來看，幾乎造成一起井下事故。所以在深井和超深井鉆井中，決不能在鉆進過程中盲目的追求機械鉆速，提前損壞鉆頭。也說明了牙輪鉆頭的使用壽命不僅受到軸承的影響，牙齒和牙輪的強度在硬地層中也極大地影響鉆頭的使用效果。

4結論

（1）古探1井地層屬于中硬、硬地層和研磨性地層，奧陶系和寒武系上統建議使用IADC編碼M/S433-M/S444型號的PDC鉆頭，鉆頭結構上首選6-8刀翼、多排齒、φ13mm復合片鉆頭，推薦型號迪普DM665PDC鉆頭、DM585孕鑲PDC鉆頭，可以嘗試8刀翼以上、φ8mm復合片PDC鉆頭；寒武系下統和長城系建議使用全孕鑲金剛石鉆頭，參考型號：哈利伯頓IQ516、國民油井FT813B，從現場應用效果來看，鉆頭質量還有待改進。

（2）深井、超深井謹慎使用牙輪鉆頭，使用時嚴格控制鉆進參數，嚴禁追求高機械鉆速，過分強化參數損毀鉆頭。

（3）鉆頭選型綜合考慮地質構造、巖性參數和鉆頭使用效果之后，還要選擇鉆井工藝條件，正確選擇使用不同轉速螺桿和渦輪，合理的控制鉆進參數，才能實現優質、安全、高效鉆井。endprint