深層水平井鉆頭優選與應用

張 孟

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413）

大慶地區深井分布于松遼盆地北部，集中在徐家圍子、安達等斷陷。深層天然氣勘探開發目的層為登婁庫、營城組、沙河子等，埋深在3800～5000m。深層巖石可鉆性差，鉆頭的選型成為深層提速首要解決的問題。

1 深部地層鉆頭選型難點

1.1 PDC鉆頭

目前，在大慶深層使用的國內外PDC 鉆頭都有局限性，始終未解決硬地層抗沖擊、抗研磨的難題。

1.2 復合鉆頭

雖然在W 深、X 深區塊水平段取得一定的提速效果，但鉆頭的可靠性、安全性有待提高，先后共發生多次掉牙輪事故，處理事故損失時間較多。此外，在Y深等其它區塊營城組地層還沒有使用，效果如何還有待于驗證。

1.3 牙輪鉆頭

由于營城組流紋巖、凝灰巖和沙河子組礫巖研磨性強，導致鉆頭鉆速低、壽命短、用量大，平均單井三開鉆頭用量25～30只。國內外617～737級別的牙輪鉆頭整體使用效率不高，鉆頭斷齒、掉齒、縮徑、磨尖等現象嚴重。

1.4 孕鑲鉆頭

渦輪鉆提速的關鍵是優選合適的配套鉆頭，針對強研磨性流紋巖、凝灰巖地層以及礫巖地層，目前還沒有合適的孕鑲鉆頭。

1.5 大斜度定向井及水平井大井眼定向施工效率低

深層大斜度定向井及水平井在?311mm 大井眼造斜，受造斜率和破巖面積影響，定向鉆速較慢。?311mm 井眼效率只有?215.9mm 井眼的62%，制約了鉆井提速。

2 深部地層鉆頭優選

2.1 開展多學科鉆前地層可鉆性預測

針對深層地層特性差異大的特點，綜合應用探、測、錄技術，開展了以三壓力、巖性剖面、可鉆性為主的多學科地質預測技術研究，優選了計算方法，形成了數據平臺。應用該平臺計算了119 口已鉆井巖石可鉆性級值等數據，繪制了平面分布圖。可預測區塊待鉆井巖石可鉆性，為井身結構優化、鉆頭優選與改進提速技術提供了依據。

2.2 各種類型鉆頭持續優選

針對松遼盆地各區塊開展了巖石力學和地層特性分析，依據巖石力學分析結果、PDC鉆頭吃入極限理論（抗壓強度≤18000psi）和地層含礫情況，建立了松遼盆地各區塊常規PDC 使用極限深度（詳見表1），持續進行了鉆頭優選。

表1 松遼盆地各區塊常規PDC使用極限深度數據表

2.2.1 牙輪鉆頭優選

一是國產牙輪鉆頭改進。針對牙輪鉆頭出芯和縮徑兩個主要問題，與江漢鉆頭廠一起專門立項研究。經過加強保徑、優化齒型、牙輪體保護、采用高速軸承等多次改進，提高了抗研磨抗沖擊能力。目前江漢?215.9mm 牙輪鉆頭仍是營城組使用的主要鉆頭。改進后牙輪鉆頭平均進尺僅有74m，純鉆時間60h，平均鉆速1.43m/h。

二是引進牙輪鉆頭試驗。針對登婁庫—營城組難鉆地層水平井，先后引進了史密斯、休斯、瑞德公司的不同型號牙輪鉆頭，試驗表明，?215.9mm引進牙輪鉆頭鉆速與國產鉆頭相當，進尺是國產的1.3 倍，價格是國產的3倍。

在水平段?152.4mm 井眼和?118mm 井眼，開展小尺寸引進牙輪鉆頭的試驗和優選。從統計數據看，引進牙輪鉆頭與江鉆牙輪相比沒有太大的優勢（詳見表2）。

表2 ?152.4mm引進牙輪鉆頭與江鉆牙輪鉆頭數據對比表

2.2.2 PDC鉆頭優選

針對不同尺寸井眼，通過持續開展國內外PDC 鉆頭試驗優選：

?311mm井眼：2500m左右的技套井段，可實現兩只國產PDC 鉆頭（M1951SGU/T1951DB+CK506/CK606）完鉆；2800m完鉆的技套，D深區塊使用液力旋沖工具可實現PDC 完鉆，X 深、Y 深等區塊，尚需液力旋沖工具+兩只PDC+3～4只牙輪鉆頭才能完鉆。

?215.9mm 井眼：PDC 鉆頭基本取代牙輪鉆頭。D 深區塊使用液力旋沖工具+PDC 或渦輪鉆具+孕鑲鉆頭可鉆穿登婁庫地層，實現了營城沙河子組地層PDC鉆頭完鉆，但在Y深、X深等難鉆區塊只能鉆進到登二段，營城組PDC鉆頭尚不適應。

?152.4mm 井 眼：PDC 鉆 頭 在S 深12H、S 深103H、D深24等5口井使用23只。引進哈里伯頓鉆頭使用效果要好于國產，液動旋沖工具+PDC 效果好于常規鉆井方式，但X深區塊仍以牙輪為主。

2.2.3 復合鉆頭試驗

KM524 復合鉆頭:自2014年以來，主要在貝克休斯公司外包的水平井上得到應用，截止2016年底累計使用158只，水平段提速見到了明顯效果。

江鉆復合鉆頭：近兩年累計試驗了4 只，平均鉆頭進尺98m，平均鉆速1.90m/h；方23 井相比本井同層位牙輪鉆速提高65%，較好地解決了礫石發育地層鉆速慢、磨損嚴重的問題，可進一步推廣應用（詳見表3）。

表3 江鉆復合鉆頭與牙輪鉆頭使用數據對比表

自主研制的復合鉆頭：針對深井巖性復雜多變、夾層交互的特點，自主研制了牙輪+PDC 復合鉆頭，在S66 井現場試驗，進尺103m，平均鉆速3.11m/h，相比鄰井最高指標進尺提高155%，機械鉆速提高9%。

2.2.4 非平面齒PDC鉆頭試驗

為探索基巖地層提速，突破PDC 使用極限，引進試驗了休斯頓研發中心非平面齒PDC 鉆頭。試驗表明，在LT-1井進尺和鉆速指標較好，可進一步試驗應用；但在LT-2 井的花崗巖地層鉆進，鉆頭磨損嚴重，尚不適應該地層(詳見表4）。

表4 休斯頓研發中心非平面齒PDC鉆頭試驗數據統計表

3 結論與認識

通過開展個性化鉆頭優選改進與試驗，形成了大慶深層高效鉆頭序列，現場應用取得較好效果：2500m技套2只PDC鉆頭完鉆，登婁庫PDC鉆頭部分取代牙輪，水平段復合鉆頭見到好效果，高速牙輪鉆頭壽命延長。