涪陵頁巖氣特殊地層鉆頭優選技術

王寶元 張勇

【摘 要】2017年以來，重慶涪陵頁巖氣勘探開發已經逐步分布在江東外圍和平橋區域，該地區地質構造復雜、地層傾角和地層差異較大，除常規PDC鉆頭優選應用之外，部分特殊地層因巖性結構比較復雜鉆頭選型困難，嚴重制約了鉆井速度。根據涪陵頁巖氣鉆井數據庫及以往使用的PDC鉆頭與地層的適應性分析，通過技術分析和攻關創新，及數個平臺井施工，基本攻克了這些特殊地層PDC鉆頭選型問題，進一步完善了涪陵頁巖氣鉆井數據庫，為涪陵頁巖氣提速挖潛增效做出了貢獻。

【關鍵詞】構造復雜;鉆頭優選;機械鉆速;抗研磨性;提速提效

1 概述

自重慶涪陵頁巖氣二期產建實施以來，位于邊緣地帶的江東和平橋地區，因地質構造復雜，地層傾角偏大，儲層埋藏不斷加深，導致同平臺同類地層埋藏深度和巖性特征都存在較大差異，給鉆頭選型造成很大困難，實現優快鉆井難度不斷加大。涪陵地區地層主要為灰巖地層，但是這些特殊地層因含有不同類型的石英砂巖、粉砂巖、粗砂巖等，地層研磨性強，導致PDC鉆頭外徑、冠部外排齒磨損，換鉆頭頻繁，嚴重制約了鉆井速度，主要包括：龍潭組、茅口組、梁山組、黃龍組、韓家店上部等地層。只有通過細致的分析，找出影響鉆頭行程鉆速的主要因素，通過技術攻關和優選適應地層的鉆頭來解決這些制約鉆井速度的難題。

2 特殊地層鉆頭選型難點

2.1 針對平橋地區上部飛仙關至長興組地層主要以灰巖為主，井段長達1100m，常規PDC鉆頭攻擊性偏低，復合片質量存在缺陷，需兩只方可鉆穿，且機械鉆速僅有8～11m/h，制約了鉆井速度。

2.2 涪陵地區龍潭組和茅口組上部地層灰巖中含石英砂巖、粗砂巖、角礫巖和炭質泥巖，不宜使用PDC鉆頭。

2.3 梁山、黃龍組地層含黃銅礦，研磨性強。韓家店組上部地層粉砂質泥巖和泥質粉砂巖發育，研磨性較強，極易損害PDC鉆頭保徑和冠部齒;小河壩組地層埋藏相對較深，地層粉砂質泥巖發育，研磨鉆頭和定向托壓比較嚴重，導致鉆頭行程鉆速低，起下鉆換鉆頭頻繁。

2.4 三開目的層龍馬溪組地層發育一段濁積砂，厚度10～90m不等，其巖性主要以灰黑色、黑色粉砂巖為主，研磨性強，鉆頭選型困難。

3 現場應用

3.1 平橋地區焦頁190平臺鉆頭優選

平橋地區飛仙關至長興組地層灰巖和泥頁巖發育，埋藏較江東地區相對要淺400-500m，可鉆性相對較好。通過平臺鉆井數據對比，焦頁190-4HF井二開選用SFD65DH型PDC鉆頭，增強了鉆頭攻擊性，提高了復合片質量，在飛仙關至長興組1060-2154m井段鉆進，進尺1094m，機械鉆速16.58m/h，創平橋工區最快指標，較焦頁190-1HF井使用兩只江鉆PDC鉆頭平均鉆速9.82m/h提高68.84%，節約一趟鉆一個鉆頭，鉆井周期同比節約3.5天。

3.2 龍潭、茅口組牙輪鉆頭優選

該地層灰巖中富含石英砂巖、角礫巖和黑色炭質泥巖，地層膠結不整合蹩跳鉆嚴重，使用HJT537GK鉆頭雖然初始鉆時略高，但因楔形齒牙齒偏大，易斷齒和磨損，純鉆時間短，行程鉆速低;于是選擇使用HJT637GL鉆頭，利用其錐型齒牙齒小、抗研磨和抗沖擊破碎能力強等特點，解決了選型難題。

3.3 梁山、黃龍組地層鉆頭優選

梁山、黃龍組地層累計厚度約20m左右，均含黃銅礦，常規PDC鉆頭一旦鉆遇黃銅礦，鉆時立即由4-8min/m激增至60min/m以上，鉆頭快速磨損，刀翼磨成“錐型”或“臺肩型”導致鉆頭報廢，因此需用牙輪穿過該層后再下PDC鉆頭鉆進。

針對黃銅礦地層強研磨特性，調研分析發現KMD1663DFRT“斧型齒”鉆頭復合片中間加厚呈屋脊狀，復合片切削地層時會產生尖端效應（類似斧頭劈裂和船頭劈浪效應），復合片受力向兩側分解，增強了鉆頭的攻擊性、抗研磨性及抗沖擊破碎能力。

焦頁87-6HF井在茅口組（2295m）下入該型鉆頭，一趟鉆鉆穿梁山、黃龍組地層（2550m-2567m）進入韓家店，進尺368米，機械鉆速6.95m/s，相比焦頁87-4HF、焦頁87-5HF井使用牙輪鉆頭鉆速提高80%，節約一只牙輪鉆頭、一趟鉆和鉆井周期2天。

3.4 韓家店上部地層鉆頭優選

韓家店組上部地層粉砂質泥巖和泥質粉砂巖互層發育，研磨性較強，厚度約300m，常規PDC鉆頭進尺僅100m左右，機械鉆速5-6m/h。通過分析該地層PDC鉆頭使用情況發現：常規PDC鉆頭刀翼上只有2-3顆保徑齒，鉆進過程中，保徑齒和冠部外排復合片因線速度高，易沖擊破碎和磨損，導致鉆頭外徑磨小（Φ306-308mm），出現蹩鉆、鉆時大幅上升而頻繁起下鉆換鉆頭，造成鉆頭行程鉆速低，而起出鉆頭底部切削齒因線速度偏低、復合片量多受力較均勻而大多完好。

通過地層巖性特征和鉆頭磨損情況分析，我們要求鉆頭廠家在刀翼上加布保徑齒、側翼及冠部切削齒，進一步增加布齒密度，強化刀翼保徑齒和外排齒結構，提高鉆頭抗研磨性、抗沖擊破碎特性和使用壽命。改進的S5566TA型PDC鉆頭，每個刀翼加布3-4顆復合片，實鉆證明效果顯著。

由上表對比看出，焦頁87-4HF井韓家店組2530m～3460m井段用了五趟鉆五只常規PDC鉆頭，進尺930m，平均機械鉆速5.94m/h，周期13天;焦頁87-5HF井韓家店組2550m～3450m井段使用一只改進型PDC鉆頭，一趟鉆進尺900m，機械鉆速7.26m/h，周期7天，鉆速提高22.22%，節約周期6天;焦頁87-1HF井韓家店組2650m～3743m井段使用兩只改進型PDC鉆頭，兩趟鉆進尺1093m，平均機械鉆速9.34m/h，周期8天，鉆速提高57.24%，節約周期7天，綜合效益顯著。

3.5 小河壩組地層鉆頭優選

小河壩組位于韓家店組下部埋藏相對較深，粉砂質泥巖發育，由于接近中完，井身軌跡調整比較頻繁，隨鉆定向工作量較大，鉆速滿造成鉆頭外徑磨損和定向托壓比較嚴重，導致鉆頭行程鉆速低。優選使用KPM1633DST型混合鉆頭，解決了鉆頭外徑磨損和隨鉆托壓，實現一只鉆頭即可順利達到中完井深。

3.6 水平段鉆頭優選

為加快頁巖氣水平井施工進度，保證入窗后水平段一趟鉆完成。通過前期調研和實鉆應用，優選使用KSD1652AGR和KMD1652ADGR兩種型號鉆頭，分別在焦頁27平臺（水平段平均機械鉆速18-21m/h），焦頁190平臺（水平段平均機械鉆速8.75m/h）和焦頁82平臺（水平段平均機械鉆速7.28m/h），三個平臺四口井實現了水平段一趟鉆完成，加快了鉆井速度和施工進度。

4 結論與認識

4.1 綜上所述，通過技術創新攻關和現場實踐應用，基本解決了涪陵頁巖氣邊緣地區特殊地層鉆頭選型難題，實現了提速提效目標。

4.2 進一步完善了涪陵頁巖氣鉆井數據庫，簡化了鉆頭、鉆具組合優選程序，降低了查閱鄰井資料工作量，提高了技術方案制定速度和準確性。

4.3 通過鉆頭優選技術的實踐應用，降低了井下復雜，提高了鉆井速度和施工進度。新一輪施工井鉆井速度提升超過20%，單井節約鉆井周期最高近10天，較前期施工井累計節約近30天，70型電動鉆機按日費11萬元/天測算，累計節約成本30天*11萬元/天=330萬元，取得了良好的經濟效益和社會效益。

（作者單位：中石化中原工程公司鉆井二公司技術發展中心）