川南威榮氣田深層頁巖氣水平井鉆頭優選及應用

胡大梁，郭治良，李 果，譚 瑋，黃 敏

（中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院，四川德陽 618000）

川南威遠-榮縣區塊地處四川省內江市威遠縣、市中區和自貢市大安區、貢井區，構造位置位于威遠隆起南斜坡與自流井背斜之間的白馬向斜[1]，頁巖氣地質儲量超過千億方，威頁 1HF井測試獲17.5×104m3/d工業氣流，表明該區塊具有良好的勘探開發潛力。研究區屬丘陵地貌，構造主體部位海拔300～450 m，儲層埋深3600～3800 m，屬于深層頁巖氣，面臨地層老、巖性復雜多變、可鉆性差等多個難點[2-3]。本文在分析完鉆井鉆頭使用效果的基礎上，應用鉆頭設計理論確定鉆頭的關鍵技術，優選適合本區塊地層特點的鉆頭型號。

1 地質概況及鉆井難點

地面出露層為沙溪廟組，縱向鉆遇陸相4套（沙溪廟組～須家河組）、海相12套（雷口坡組～五峰組），地質預測地層壓力系數1.1～1.9（表1），基本呈隨井深增加而逐漸增大的趨勢。陸相地層砂泥巖互層，夾灰巖、頁巖及煤線，海相地層為灰巖、泥頁巖，夾粉砂巖及少量石膏。頁巖氣主力儲層為志留系龍馬溪組優質頁巖，平均厚度40 m，平均含氣量3.77 m3/t，地層壓力系數1.9～2.0。

表1 地層壓力預測

根據區域工程地質條件，結合前期完鉆井鉆頭使用情況，分析鉆頭選型和使用難點如下：侏羅系地層厚度大，巖性以泥巖、砂巖為主，若鉆頭選型不合理，易發生鉆頭泥包，嚴重影響機械鉆速；自流井組和須家河組部分層段石英砂巖含量較高、研磨性強、憋跳鉆嚴重，PDC鉆頭易發生過早損壞[4-5]；龍潭組-石牛欄組厚度約 560 m（占二開井段25%），龍潭組地層巖性為鋁土質泥巖，茅口組下部和棲霞組含燧石結核、黃鐵礦，巖性致密堅硬、可鉆性差，易造成PDC崩片，需要2～3趟鉆完成，平均鉆速低于 1.50 m/h，鉆井施工時間 12～15 d（占二開井段50%），是制約二開提速的瓶頸井段。

2 前期鉆頭應用效果

分析威榮區塊完鉆的W1井、W23-1井、W29-1井等6口頁巖氣水平井的鉆頭使用情況和效果，找出存在的問題，確定鉆頭選型的優化改進方向。

2.1 分地層鉆速對比

W23-1井完鉆井深5555 m，平均機械鉆速4.82 m/h，全井使用19只鉆頭。從各地層鉆速可以看出，制約全井提速的井段主要有三段：自流井組-須家河組地層，平均機械鉆速4.30 m/h；飛仙關組致密泥巖地層，平均機械鉆速2.88 m/h；龍潭組-石牛欄組地層，平均機械鉆速 3.50 m/h，部分井段鉆速低于1.00 m/h（圖 1）。

圖1 W23-1井鉆時曲線

2.2 各開次鉆速及鉆頭使用情況

一開鉆遇沙溪廟組、新田溝組、自流井組地層。沙溪廟組下段地層泥巖致密，鉆頭吃入能力差，制約機械鉆速。自流井組砂巖石英含量高，研磨性強，可鉆性差，PDC易磨損；地層泥巖、砂巖交替頻繁，夾層較多，易井斜。5口井使用3種8只PDC鉆頭，單只鉆頭平均進尺569 m，平均鉆速9.47 m/h，進入須家河組地層后，研磨性增強，鉆頭磨損加劇，機械鉆速普遍降至5.00 m/h以下。部分鉆頭對地層適應性不強，進尺和鉆速均低于其他型號（圖2）。

圖2 一開鉆頭使用進尺和鉆速對比

二開鉆遇陸相須家河組地層及海相嘉陵江組-石牛欄組地層：須家河組地層以砂巖和頁巖為主，砂巖研磨性較強，可鉆性較差，平均機械鉆速 6.27 m/h。雷口坡組地層可鉆性較好，飛仙關組-長興組以灰巖、泥巖為主。龍潭組以灰巖、鋁土質泥巖為主，泥巖致密且含量較高，常規 PDC鉆頭難吃入，機械鉆速一般低于4.00 m/h。茅口組-棲霞組含黃鐵礦、隧石結核，沖擊性和研磨性強，PDC容易崩片和磨損，單只鉆頭平均進尺 253 m，平均鉆速 2.98 m/h；梁山組-龍馬溪組為灰色泥巖、綠灰色泥巖，質純，塑性強，常規PDC鉆頭吃入性差。

三開主要鉆遇龍馬溪組和五峰組地層，上部為綠灰色泥巖，中部為綠灰色泥巖、灰色頁巖，下部為深灰色、黑色頁巖，因工具面不穩、托壓等問題，定向鉆進時平均進尺188 m、平均機械鉆速2.30 m/h，水平段黑色頁巖中礦物含量高（如硅、黃鐵礦），研磨性較強，單只PDC鉆頭平均進尺438 m，平均機械鉆速4.17 m/h。

2.3 鉆頭使用情況

對完鉆井鉆頭的使用情況統計表明，前期完鉆井使用鉆頭型號多而雜，如5口井的二開井段累計使用36只鉆頭，型號多達13種；60%的鉆頭進尺為200～600 m，單只鉆頭最長進尺871 m，最短進尺不足100 m。

部分型號鉆頭與地層的匹配性差，破巖效率與進尺不能兼顧，實際使用效果差別大，亟待開展鉆頭個性化選型研究。優選適合本區塊的高效鉆頭，提高鉆井效率（圖3）。

圖3 二開井段鉆頭使用數量及進尺統計

3 鉆頭選型優化及應用

3.1 地層可鉆性研究

采集研究區鄰近露頭巖樣，包括須家河組、龍潭組、茅口組、棲霞組、韓家店組、石牛欄組、龍馬溪組等層位，進行地層條件下的巖石可鉆性測試，建立區塊的巖石可鉆性剖面。除韓家店組地層為軟地層外，須家河組-龍馬溪組地層硬度均為中軟-中硬級別。PDC可鉆性級值4.00～7.00，常壓與圍壓條件測試差異不大；牙輪可鉆性級值常壓測試為4.50～6.30，平均 4.95；圍壓條件測試為 5.80～9.60，平均8.27，圍壓對可鉆性測試結果影響較大。

3.2 鉆頭設計

3.2.1 冠部輪廓形狀

PDC鉆頭的冠部形狀直接影響鉆頭的攻擊性和各部位切削齒的受力狀態，設計冠部輪廓時，應滿足“易于布齒，便于加工，保證質量，提高效率”的原則。

PDC鉆頭的冠部形狀一般分為內錐、冠頂和外錐三部分，冠部形狀一般為圓弧形、短拋物線形和雙圓弧形[6-8]。地層硬度越高，冠部應越短，以提高鉆頭的耐磨性。

3.2.2 切削齒參數

切削齒的齒數是PDC鉆頭機械鉆速和使用壽命的重要決定因素，若齒數過少，則造成切削齒過早磨損，導致鉆頭使用壽命縮短；若齒數過多，則會造成鉆頭攻擊性下降，導致機械鉆速降低。因此，需要根據地層特點并結合下式合理確定鉆頭齒數：

式中："、$為系數，不同地區取值不同。

兩個或兩個以上層段為：

表2 切削齒尺寸與巖石抗壓強度關系

PDC鉆頭的切削齒尺寸由巖石抗壓強度或可鉆性確定，對軟-中硬地層，選用尺寸較大的PDC復合片；對于中硬到堅硬地層，則選用尺寸小的PDC復合片。根據地層巖石力學實驗結果，確定沙溪廟組-新田溝組地層選用16.0～19.0 mm切削齒，自流井組-須家河組及海相地層選用16.0 mm切削齒。

3.2.3 刀翼數量

PDC鉆頭的刀翼數決定鉆頭的攻擊性。刀翼數越多，則作用在切削齒上的沖擊載荷越小，能提高鉆頭的可控性，延長鉆頭壽命；反之，刀翼數減少，則鉆頭的鉆進性能提高，具有較高的鉆速。一般來說，地層強度越大，則切削齒數越多，刀翼數就越多。對完鉆井使用的鉆頭進行統計分析，得到齒數與刀翼數的關系，并對其進行擬合后得到刀翼數的基本公式：

式中：/!為刀翼數量；!為切削齒數；a、b、c為常數。

計算得出沙溪廟組～新田溝組地層適合 4～5刀翼，自流井-須家河組地層6刀翼，海相地層5刀翼。研磨性強的茅口組-石牛欄組地層選用3刀翼+3牙輪的混合式鉆頭，造斜段選用6刀翼PDC鉆頭以利于定向。

3.2.4 保徑長度

鉆頭保徑長度主要根據鉆頭穩定性和可控性能進行選擇。保徑長度增加，鉆頭穩定性增加，可控性能降低。保徑材料也是鉆頭選型的一個因素，在小斜度井一般用碳化鎢保徑材料，對于大斜度井和井下動力鉆進中一般使用金剛石保徑材料。

式中：12、12 m56、12 m:;分別為保徑長度、最大和最小保徑長度，mm（PDC鉆頭一般為25.0～110.0 mm）；,<:、,.分別為定向進尺和井深，m。

3.3 鉆頭選型方案

在地層可鉆性基礎上，應用鉆頭設計理論確定適合各段地層特征的鉆頭關鍵技術，據此優選適合的鉆頭型號。一開井段以攻擊性強的5刀翼鋼體PDC鉆頭為主；二開陸相地層使用耐磨性強的6刀翼胎體PDC鉆頭，海相以5刀翼鋼體PDC為主，3刀翼+3牙輪混合鉆頭為輔[9-14]；三開造斜段使用短保徑定向專用鉆頭，水平段使用5刀翼、長保徑鉆頭。

3.4 現場應用效果

W23-2井按照鉆頭選型推薦方案，一開選用KS1662鉆頭配合大扭矩等壁厚螺桿。鉆進井段32～501 m，進尺469 m，平均鉆速29.02 m/h，比前期指標9.22 m/h提高215%。二開使用5只PDC鉆頭和1只混合鉆頭配合等壁厚螺桿，累計進尺2984 m，成功鉆穿飛仙關組、龍潭組、茅口組等復雜層段，平均鉆速8.55 m/h，比前期平均指標4.09 m/h提高109%，創威榮氣田頁巖氣井鉆速最高，日進尺最長等9項區域工程紀錄。在第一輪井基礎上優化鉆頭選型和配套技術方案，預計全井9趟鉆完，其中一開1趟鉆、二開4趟鉆、三開4趟鉆，預測全井平均鉆速約為7.19 m/h，比前期4.03 m/h，提高78%，預計鉆完井周期可以控制在90 d以內。

4 結論

（1）威榮氣田頁巖氣水平井二開井段起下鉆趟數較多，需結合地層巖性特點，有針對性地開展鉆頭與鉆具組合優化設計研究，以進一步減少起下鉆趟數，提高生產效率。

（2）應用鉆頭設計理論，不同地層特點確定鉆頭的關鍵技術在 W23-2井鉆進中的初步應用收到良好效果。

（3）威榮氣田頁巖氣水平井一開沙溪廟組-新田溝組地層適合攻擊性強的5刀翼鋼體PDC鉆頭。二開陸相地層使用耐磨性強的 6刀翼胎體 PDC鉆頭，海相地層以6刀翼鋼體PDC為主，高研磨性地層使用混合鉆頭。三開造斜段使用6刀翼、短保徑PDC鉆頭提高定向能力，水平段使用5刀翼、長保徑PDC鉆頭提高穩定性。