川東北高磨砂巖地層高效PDC鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)
——以五寶場(chǎng)沙溪廟地層為例

榮 準(zhǔn), 鄧 旭, 張 琦, 陳鵬舉, 姚建林, 張 楊， 顏 爽

1中國(guó)石油西南油氣田分公司川東北氣礦 2成都理工大學(xué)能源學(xué)院 3中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院

0 引言

五寶場(chǎng)構(gòu)造位于四川東北部大巴山構(gòu)造帶,沙溪廟組沙二段儲(chǔ)層致密砂巖氣豐富，氣藏埋深約2 000 m。由于沙二段儲(chǔ)層巖性復(fù)雜，地層強(qiáng)度高且研磨性強(qiáng)，鉆井過(guò)程中普遍出現(xiàn)鉆速低、鉆頭磨損快等問(wèn)題，給鉆井作業(yè)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)[1]。區(qū)域內(nèi)W006- 1-H1井水平段長(zhǎng)645 m，耗費(fèi)PDC鉆頭6只；W004- 1-H1井水平段長(zhǎng)1 647 m，進(jìn)入水平段后共耗費(fèi)PDC鉆頭13只，同時(shí)頻繁起下鉆、等待及更換鉆頭導(dǎo)致非生產(chǎn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，進(jìn)一步制約了兩口井的鉆井提速。對(duì)比同樣以沙二段為目的層的八角場(chǎng)區(qū)塊，其平均完鉆周期卻僅為五寶場(chǎng)區(qū)塊的1/5，甚至更短。因此，亟待針對(duì)五寶場(chǎng)區(qū)塊沙二段儲(chǔ)層巖性特征，研發(fā)高效個(gè)性化鉆頭，提高鉆頭攻擊性及抗磨性，縮短鉆井周期，降低開(kāi)發(fā)成本。

大量研究表明，根據(jù)鉆井實(shí)際需求，基于地層與鉆頭的匹配性和適用性進(jìn)行鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)，可以有效提高機(jī)械鉆速并縮短作業(yè)周期[2- 3]。李貴賓等[4]基于大港油田地層特征設(shè)計(jì)的個(gè)性化鉆頭，使鉆井機(jī)械鉆速提高了20%以上。王文等[5]針對(duì)秋林區(qū)塊砂泥互層問(wèn)題優(yōu)選出的鉆頭，使全井平均機(jī)械鉆速提升57.1%，平均鉆井周期減少46.4%～49.7%。

本文針對(duì)五寶場(chǎng)區(qū)塊鉆頭磨損快、鉆井周期長(zhǎng)等難題，通過(guò)研究五寶場(chǎng)沙二段地層巖石特征，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆頭的使用情況，設(shè)計(jì)一款適用于川東北高研磨性地層的高效PDC鉆頭，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以指導(dǎo)該區(qū)域鉆頭設(shè)計(jì)。文章研究成果對(duì)其他區(qū)塊個(gè)性化PDC鉆頭設(shè)計(jì)及相似地層的鉆井提速研究都具有一定的參考價(jià)值。

1 五寶場(chǎng)沙二段地層巖石特征

1.1 儲(chǔ)層巖石礦物組分

通過(guò)對(duì)W004- 1-H1井的不同井深返出巖屑開(kāi)展礦物組成進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)五寶場(chǎng)沙二段儲(chǔ)層中超過(guò)80%的巖屑中石英含量超過(guò)50%，部分井段高達(dá)70%，加之地層含有1%～7%的硅質(zhì)膠結(jié)物，因此五寶場(chǎng)沙二段儲(chǔ)層整體表現(xiàn)出高研磨性的特點(diǎn)。

1.2 儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度

表1為W006- 1-H1井沙二段取心巖樣的三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置上覆巖層壓力44～46 MPa、圍壓35～36 MPa，孔隙壓力20 MPa，測(cè)得平均地層抗壓強(qiáng)度為409 MPa，楊氏模量52 GPa，由此可見(jiàn)，五寶場(chǎng)沙二段地層巖石強(qiáng)度整體較高。此外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察到高圍壓下巖石表現(xiàn)出一定的塑性特征，但整體呈脆性破壞。

表1 W006- 1-H1井三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.3 儲(chǔ)層抗鉆特性分析

基于五寶場(chǎng)區(qū)塊已鉆老井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，根據(jù)計(jì)算出鉆遇地層的單軸抗壓強(qiáng)度(UCS)[6]和Cerchar研磨性指數(shù)(CAI)[7]：

(1)

CAI=-0.05+0.03UCS-8×10-4vp+0.08E

(2)

式中:c0—巖石內(nèi)聚力，MPa；φ—巖石內(nèi)摩擦角，(°)；vp—地層縱波時(shí)差，m/s；E—地層彈性模量，GPa。

巖石內(nèi)聚力c0，內(nèi)摩擦角φ，彈性模量E和動(dòng)態(tài)泊松比νd同樣根據(jù)聲波測(cè)井曲線(xiàn)計(jì)算[7- 8]:

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:ρ—巖石密度,g/cm3；Vcl—地層泥質(zhì)含量,%。

表2計(jì)算結(jié)果表明，五寶場(chǎng)構(gòu)造沙二段儲(chǔ)層單軸抗壓強(qiáng)度(UCS)普遍100～200 MPa，平均約155 MPa；Cerchar研磨指數(shù)(CAI)2.0～6.0，平均約4.2。與相鄰區(qū)塊典型井計(jì)算結(jié)果相比，可發(fā)現(xiàn)五寶場(chǎng)區(qū)塊沙二段地層高強(qiáng)度、磨性強(qiáng)。

表2 五寶場(chǎng)區(qū)塊老井與相鄰區(qū)塊典型井抗壓強(qiáng)度、研磨指數(shù)部分計(jì)算結(jié)果

2 現(xiàn)場(chǎng)鉆頭使用情況分析

對(duì)五寶場(chǎng)區(qū)塊新鉆的W006- 1-H1井和W004- 1-H1井水平段PDC鉆頭使用情況及對(duì)應(yīng)地層巖性如表3、表4所示。整體上，出井PDC鉆頭主要的損傷類(lèi)型為磨損，而切削齒的損傷類(lèi)型主要包括：平滑磨損、表面剝落和掉齒。

表3 W006- 1-H1水平段?215.9 mm鉆頭使用統(tǒng)計(jì)

表4 W004- 1-H1水平段?215.9 mm鉆頭使用統(tǒng)計(jì)

圖1為W006- 1-H1井水平段出井的NOV TK59和哈里伯頓SPEE55五刀翼鉆頭照片及鉆時(shí)記錄，新入井時(shí)鉆頭初始鉆時(shí)較低，入井后鉆頭鉆時(shí)逐漸增加，反映出鉆頭逐漸磨損；同時(shí)鉆頭切削齒基本磨平，其中鼻部與肩部切削齒表面有裂痕、溝槽等明顯的磨損痕跡；除磨損外，部分切削齒表面剝落，可推斷鉆頭在井下振動(dòng)劇烈，導(dǎo)致側(cè)向沖擊載荷過(guò)大，因而損傷切削齒表面。結(jié)合前文計(jì)算出的該地層特征參數(shù)、鉆頭磨損可知，主要是由于地層的強(qiáng)研磨性造成的。由于PDC斧型齒相對(duì)常規(guī)齒有較好的抗磨性和抗沖擊性[8]，因此在該地層的鉆頭設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮使用斧型齒。

圖1 W006- 1-H1井TK59(上)和SPEE55(下)鉆頭出井照片及鉆時(shí)記錄

圖2為W004- 1-H1井水平段第2趟和第3趟鉆頭的出井照片。如圖2所示，六刀翼鉆頭切削齒以磨損為主；而五刀翼鉆頭切削齒有明顯的表面剝落、斷裂；同時(shí)六刀翼鉆頭出井新度明顯高于五刀翼鉆頭，且進(jìn)尺更大。因此在沙二段儲(chǔ)層中，應(yīng)考慮選用六刀翼以上PDC鉆頭，以提高鉆頭的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高鉆頭進(jìn)尺。

圖2 W004- 1-H1井Smith六刀翼鉆頭(左)和瓦銳五刀翼鉆頭(右)出井照片

此外，兩只PDC鉆頭的肩部切削齒普遍磨損嚴(yán)重，而內(nèi)錐處的切削齒新度則相對(duì)較高，這是由于在鉆遇沙二段儲(chǔ)層時(shí)，鉆頭肩部切削齒運(yùn)動(dòng)速度更快，切削巖石量更大，導(dǎo)致磨損更明顯。因此在設(shè)計(jì)PDC鉆頭時(shí)，應(yīng)考慮肩部雙排布齒，增加外肩布齒密度，提高鉆頭抗磨性，同時(shí)采用淺錐面，改善肩部和內(nèi)錐PDC切削齒磨損不同步問(wèn)題，同時(shí)增加鉆頭對(duì)攻擊性。

3 高效個(gè)性化PDC鉆頭設(shè)計(jì)

3.1 鉆頭切削齒選擇

由于W004- 1-H1井出井鉆頭肩部齒磨損嚴(yán)重，內(nèi)錐及保徑齒相對(duì)完整，因此，肩部齒應(yīng)選擇高端材質(zhì)PDC齒，內(nèi)錐及保徑齒使用常規(guī)材質(zhì)即可。齒形同樣對(duì)切削齒抗磨性及破巖效率有較大的影響。Fang等[9]通過(guò)PDC切削齒測(cè)試系統(tǒng)(VTL立車(chē))，比較了常規(guī)圓齒、尖圓齒和斧形齒的相對(duì)抗磨性，其中斧型齒抗磨性最好；同時(shí)開(kāi)展了PDC常規(guī)齒、尖圓齒和斧型齒可鉆性實(shí)驗(yàn)，來(lái)研究不同齒形的破巖效率。結(jié)果表明，尖圓齒破巖效率最高，斧型齒次之，常規(guī)圓齒最末。綜合考慮沙溪廟儲(chǔ)層高研磨性的特點(diǎn)，切削齒應(yīng)兼顧破巖效率和抗磨性，因此，建議加裝斧型齒。

3.2 鉆頭整體設(shè)計(jì)方案選擇

基于上述鉆頭設(shè)計(jì)思路，考慮不同刀翼數(shù)量、內(nèi)錐角、刀翼螺旋角、冠頂半徑等設(shè)計(jì)參數(shù)，共生成個(gè)性化PDC鉆頭設(shè)計(jì)方案6種(六、七、八刀翼PDC鉆頭各兩種)。

運(yùn)用相關(guān)理論模型[10- 11]，考慮井底巖石力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力狀態(tài)；鉆頭直徑、保徑長(zhǎng)度、刀翼剖面、不同布齒方案，包括不同切削齒位置坐標(biāo)、后傾角、側(cè)傾角等，以及鉆頭轉(zhuǎn)速、鉆速等參數(shù)，開(kāi)展鉆頭與地層互作用模擬，計(jì)算不同設(shè)計(jì)鉆頭所需的鉆壓、鉆頭扭矩和不平衡力等。

根據(jù)W006- 1-H1井和W004- 1-H1井實(shí)際工況，取垂深1 600 m，井斜88°，方位角222°，鉆井液密度1.2 g/cm3，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速60 r/min、螺桿轉(zhuǎn)速120 r/min。所用巖石力學(xué)參數(shù)(來(lái)源：聲波測(cè)井解釋?zhuān)扯稳S實(shí)驗(yàn))和井眼相關(guān)參數(shù)(來(lái)源：W004- 1-H1鉆井設(shè)計(jì))如表5所示。圖3～圖5為不同鉆頭設(shè)計(jì)方案與地層互作用力學(xué)模擬后得到的不同鉆速下鉆頭所需的鉆壓、扭矩及不平衡力大小。

表5 模擬相關(guān)參數(shù)

圖3 設(shè)計(jì)鉆頭機(jī)械鉆速與鉆壓關(guān)系曲線(xiàn)

圖4 設(shè)計(jì)鉆頭機(jī)械鉆速與扭矩關(guān)系曲線(xiàn)

圖5 設(shè)計(jì)鉆頭機(jī)械鉆速與不平衡力關(guān)系曲線(xiàn)

由圖3～圖5所示，當(dāng)機(jī)械鉆速在2～4 m/h之間時(shí)，六刀翼鉆頭需要的鉆壓相對(duì)較小，但不平衡力也相應(yīng)較大；而八刀翼鉆頭所需鉆壓最大，但不平衡力較小。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)鉆頭不平衡力過(guò)大易導(dǎo)致切削齒側(cè)向沖擊過(guò)大，造成切削齒掉齒、表面剝落等情況。因此，綜合考慮以上6種設(shè)計(jì)方案，為兼顧鉆頭穩(wěn)定性和機(jī)械鉆速，最終采用方案4的七刀翼PDC鉆頭，該鉆頭在相同鉆壓下易獲得較高鉆速，且不平衡力整體較小。鉆頭設(shè)計(jì)模型如圖6所示。

圖6 采用的七刀翼PDC鉆頭設(shè)計(jì)模型圖

該鉆頭采用七刀翼(三長(zhǎng)刀翼+四短刀翼)PDC復(fù)合片切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，按照淺內(nèi)錐平冠型設(shè)計(jì)，且鉆頭內(nèi)錐使用PDC斧型齒，提高鉆頭對(duì)地層攻擊性；鉆頭外肩部使用深脫鈷耐磨型復(fù)合片，且長(zhǎng)刀翼采用雙排布齒，短刀翼肩部采用抗沖節(jié)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化鉆頭外肩抗磨性；采用強(qiáng)化保徑設(shè)計(jì)，增加鉆頭在研磨地層保徑強(qiáng)度，同時(shí)，采用微型噴嘴設(shè)計(jì)，適應(yīng)旋導(dǎo)高壓降鉆進(jìn)需求。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

設(shè)計(jì)鉆頭(型號(hào)CAS7135HDC)在W004- 1-H1井開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，鉆進(jìn)井段2 673～2 878 m,見(jiàn)表4中第9趟鉆，底部鉆具組合采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，同時(shí)根據(jù)模擬結(jié)果及該區(qū)塊鉆井資料，推薦施工參數(shù)：鉆壓12～16 kN，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速75～90 r/min，排量28～35 L/s。試驗(yàn)結(jié)果表明，該鉆頭進(jìn)尺高達(dá)205 m，機(jī)械鉆速高達(dá)3.7 m/h，相對(duì)于該井使用的其他鉆頭(表4)，平均單只鉆頭進(jìn)尺提高69%，平均機(jī)械鉆速提高68%，提速效果明顯，出井鉆頭照片如圖7所示。

圖7 所研鉆頭出井照片

隨后又下入該型號(hào)鉆頭兩只，見(jiàn)表4中第11、12趟鉆，平均機(jī)械鉆速為3.48 m/h和3.80 m/h，機(jī)械鉆速表現(xiàn)仍較好。然而相對(duì)于趟鉆9，該兩只鉆頭進(jìn)尺有所降低，分別為134 m和175 m，其原因在于該兩只鉆頭使用螺桿鉆進(jìn)而非旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，螺桿彎角造成鉆頭肩部磨損加劇，導(dǎo)致提前起鉆。

5 結(jié)論

(1)五寶場(chǎng)區(qū)塊沙二段儲(chǔ)層石英含量普遍高達(dá)50%，部分井段高達(dá)70%，且地層硅質(zhì)膠結(jié)，致使地層研磨性強(qiáng)；平均地層抗壓強(qiáng)度為409 MPa，楊氏模量52 GPa；單軸抗壓強(qiáng)度(UCS)平均155 MPa，Cerchar研磨指數(shù)平均4.2，地層的高強(qiáng)度和強(qiáng)研磨性導(dǎo)致鉆頭吃入地層能力普遍較差，鉆頭磨損快。

(2)基于儲(chǔ)層巖石特征和現(xiàn)場(chǎng)出井鉆頭損傷特征分析，開(kāi)展個(gè)性化PDC鉆頭設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)鉆頭與地層的互作用模擬，預(yù)測(cè)了設(shè)計(jì)鉆頭鉆速與鉆壓、扭矩及不平衡力的關(guān)系曲線(xiàn)，并以此為依據(jù)優(yōu)選最佳鉆頭設(shè)計(jì)方案，最終研發(fā)出一款更穩(wěn)定、抗磨性更強(qiáng)的七刀翼PDC鉆頭。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)了單只進(jìn)尺205 m，機(jī)械鉆速3.7 m/h，平均單只進(jìn)尺提高69%，平均機(jī)械鉆速提高68%，提速效果明顯。