川西須家河組三段非均質(zhì)性地層鉆頭研選及優(yōu)化

胡大梁，鐘敬敏，趙雯，伍代金

1.中國石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院（四川德陽 618000）

2.中國石油青海油田分公司采氣二廠技術(shù)中心（甘肅敦煌 736202）

3.中石化江鉆石油機械有限公司（湖北 武漢 430200）

四川盆地須家河組具有大面積含氣特征，是致密砂巖氣藏勘探開發(fā)的主要層系之一，目前已相繼發(fā)現(xiàn)了新場、廣安、合川、通南巴等多個大中型氣田。其中川西新場氣田須家河組氣藏位于川西坳陷中北段，探明儲量1 250×108m3，2020年以來部署實施的X8-2 井、SH201、SH204 井相繼獲高產(chǎn)工業(yè)氣流，最高無阻流量246×104m3/d，證實了氣藏具有良好的開發(fā)前景[1-2]。針對一直以來制約氣藏效益開發(fā)的深部地層可鉆性差、研磨性強、機械鉆速低的問題，在XH8-5 井開展鉆井提速試驗，通過研選高效PDC 鉆頭，開展鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，單趟鉆進尺比優(yōu)化前增加1.6 倍，基本解決須三段非均質(zhì)軟硬交錯地層的鉆井提速難題。

1 須家河組三段巖石力學特征及鉆井難點

川西須家河組深井自上而下鉆遇第四系、蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組、沙溪廟組、千佛崖組、白田壩組和須家河組，其中須家河組埋深約為2 700～5 300 m，厚度2 800 m 左右，分為須五段、須四段、須三段和須二段，須二段為主要目的層。須三段埋深3 850～4 750 m，厚度約為800～900 m，巖性為淺灰、灰色中粒巖屑（石英）砂巖、細粒巖屑（石英）砂巖、粉砂巖與灰黑色頁巖、炭質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖略等厚互層夾泥質(zhì)粉砂巖及黑色煤層（線），如圖1 所示。采集須三段巖心樣品開展巖石力學參數(shù)實驗，包括抗張強度實驗、巖石壓縮實驗、點載荷實驗以及微可鉆實驗[3-6]。實驗結(jié)果表明，須三段巖石密度2.56～2.65 g/cm3，抗張強度9.1～10.1 MPa，泊松比0.21～0.32，抗壓強度81～219 MPa，平均值約157 MPa，在施加圍壓55 MPa條件下，抗壓強度達到392 MPa，巖石軟硬交錯變化頻率非常高。根據(jù)三軸抗壓實驗中抗壓強度和圍壓的關(guān)系，利用應(yīng)力莫爾圓來求取內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，巖石內(nèi)摩擦角一般在39°～46°。微鉆時實驗結(jié)果顯示，須三段可鉆性級值5.9～7.6，屬于中硬-硬地層。

圖1 須三段地層可鉆性剖面圖

前期完鉆井實鉆資料表明，由于須三段地層軟硬交錯、非均質(zhì)性強、可鉆性差，頁巖和砂巖地層對鉆頭特性要求不同，導致鉆頭選型困難，鉆頭型號多樣，應(yīng)用效果參差不齊。如X8-3 井須三段鉆厚908 m，使用5 種型號9 只鉆頭，平均單趟進尺100.8 m；SH101 井須三段鉆厚850 m，使用4 種型號8 只鉆頭，平均單趟進尺106.3 m，均存在進尺短、趟數(shù)多的問題。

2 鉆頭選型及應(yīng)用效果分析

XH8-5 井是部署在川西坳陷新場構(gòu)造的一口水平井，以須家河組為主要目的層，設(shè)計井深5 738 m，水平段長788 m，設(shè)計三開制井身結(jié)構(gòu)，一開Φ444.5 mm 鉆頭鉆至下沙溪廟組頂部，封隔蓬萊鎮(zhèn)組和上沙溪廟組低壓采空區(qū)，井深2 500 m 左右；二開Φ311.2 mm 鉆頭鉆至須三段中部，封造斜點之上30 m 地層，井深4 320 m 左右；三開Φ215.9 mm 鉆頭鉆至設(shè)計井深，下入Φ139.7 mm套管射孔完井。

2.1 鉆頭選型及關(guān)鍵特征

三開造斜段鉆遇地層主要為須三段，巖性以砂巖和頁巖為主，夾有煤層，具有硬度高、可鉆性差的特點。針對地層巖性特點，首先考慮耐磨性，其次是攻擊性，優(yōu)選V616型PDC鉆頭（圖2），它采用6刀翼16 mm 切削齒，雙排布齒，6 個主刀翼布置后排齒；肩部易磨損區(qū)域采用360°可旋轉(zhuǎn)切削齒，保持鉆頭邊緣的鋒利度，實現(xiàn)高研磨性地層的持續(xù)高效破巖，防泥包噴嘴設(shè)計，加強對切削齒的冷卻。備選JSD1662型PDC 鉆頭，6 刀翼16 mm 齒，應(yīng)用復合片超深脫鈷技術(shù)，耐磨性提高30%；采用低應(yīng)力布齒技術(shù)，模擬PDC齒穿越硬夾層的受力峰值狀況，優(yōu)化后傾角和布齒密度，降低穿夾層時單齒受力峰值，關(guān)鍵部位切削齒承擔的鉆壓及扭矩幅值下降15%。

圖2 V616鉆頭及局部特征圖

2.2 現(xiàn)場應(yīng)用情況

1）第1趟鉆。2022年11月4日15:00開始鉆進，鉆具組合為Φ215.9 mmV616 鉆頭+Φ172 mmAuto-Trak 旋導工具+無磁承壓鉆桿+Φ172 mm 旋導馬達+Φ127 mm 加重鉆桿1 根+回壓閥+濾網(wǎng)短節(jié)+Φ127 mm 加重鉆桿2根+旁通閥+Φ127 mm 加重鉆桿2根+震擊器+Φ127 mm 加重鉆桿7 根+Φ139.7 mm 鉆桿，11 月6 日4:40 鉆進至井深4 390 m 由于鉆時變慢起鉆，鉆進井段4 325～4 390 m，進尺65 m，平均機械鉆速2.47 m/h。

鉆井參數(shù)：鉆壓70～170 kN，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速為80 r/min，排量35 L/s，泵壓32 MPa。

鉆井液性能：強封堵白油基鉆井液，密度為1.90 g/cm3，黏度68 s，破乳電壓710 V。

2）第2趟鉆。針對上一趟鉆Φ172 mm馬達扭矩不足（最大扭矩11.5 kN·m），鉆頭存在黏滑現(xiàn)象，第2 趟鉆優(yōu)選Φ172 mm 大扭矩螺桿（最大扭矩19.5 kN·m）配合旋導工具，11月8日6:00開始鉆進，鉆具組合為Φ215.9 mm JSD1662鉆頭+Φ172 mmAutoTrak旋導工具+無磁承壓鉆桿+Φ172 mm 大扭矩旋導馬達+Φ127 mm加重鉆桿1根+回壓閥+濾網(wǎng)短節(jié)+Φ127 mm 加重鉆桿2根+旁通閥+Φ127 mm 加重鉆桿2根+震擊器+Φ127 mm加重鉆桿7根+Φ139.7 mm鉆桿，11月9日0:00鉆至井深4 429 m后鉆時由16 min/m左右升至40～50 min/m，調(diào)整鉆壓和轉(zhuǎn)速，鉆時無明顯改善后起鉆。鉆進井段4 390～4 434 m，進尺44 m，平均機械鉆速2.97 m/h。

鉆井參數(shù)：鉆壓80～130 kN，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速為80 r/min，排量35 L/s，泵壓32 MPa。

鉆井液性能：強封堵白油基鉆井液，密度為1.90 g/cm3，黏度69 s，破乳電壓800 V。

2.3 鉆頭失效特征及原因分析

根據(jù)出井情況，V616鉆頭磨損特征主要以崩齒為主，共計13 顆齒發(fā)生崩齒，包括12 顆平面齒和1顆旋轉(zhuǎn)齒，位置集中在鼻部和肩部，復合片邊緣金剛石層呈現(xiàn)明顯剝落；前排主切削齒未見明顯磨損特征，由于前排發(fā)生崩齒，導致部分后排齒出現(xiàn)磨損。JSD1662 型鉆頭鼻內(nèi)錐到鼻肩部1～2 級磨損，肩部崩齒6顆，如圖3所示。

圖3 出井鉆頭磨損情況

綜合以上分析，2 只鉆頭失效的主要特征均為崩齒，分析原因：①須三段地層砂巖和頁巖互層，頁巖硬度低、砂巖硬度高，導致地層軟硬交錯，鉆頭在交界面處由于吃入深度的變化，易發(fā)生崩齒；②鉆進時按照強化鉆井參數(shù)的技術(shù)思路，采用高鉆壓、高轉(zhuǎn)速、高泵壓、大扭矩、大排量“三高兩大”鉆井參數(shù)，在鉆時變慢時進一步強化鉆壓和轉(zhuǎn)速，如R616 鉆頭在4 356 m 鉆時持續(xù)變慢后，鉆壓由100 kN 增大至160～180 kN，導致切削齒受力過大（圖4）；③鉆頭選型不夠合理，2 只鉆頭都是以攻擊性為主，抗沖擊性略有不足。

圖4 鉆壓-鉆時變化曲線

3 基于地質(zhì)環(huán)境因素分析的鉆頭優(yōu)化改進

3.1 須三段地質(zhì)環(huán)境因素分析

應(yīng)用有限元軟件建立須三段地應(yīng)力分析模型，模擬結(jié)果表明，不同方向巖石骨架應(yīng)力差異達35.5%，向最小水平地應(yīng)力方向鉆進，井底巖石骨架應(yīng)力高，破巖難度更大，而且井壁巖石更易發(fā)生應(yīng)力崩落掉塊。XH8-5 井須三段骨架應(yīng)力與X8-3 井相似，比X8-2井高7.3 MPa（13%），見表1。

表1 不同鉆進方位井底巖石骨架應(yīng)力對比

在地應(yīng)力作用下，井壁因被地應(yīng)力擠壓[7]，呈現(xiàn)一定的橢圓特征，沿最小水平應(yīng)力方向傾斜鉆進時，井筒低邊為橢圓井筒長軸方向，曲率半徑偏小，鉆具靠近井筒低邊并旋轉(zhuǎn)和滑動時，接觸面積大，摩擦阻力大，不利于鉆壓和扭矩傳遞；XH8-5與X8-3 相似，更偏向最小地應(yīng)力方向鉆進，鉆進時鉆壓與扭矩傳遞效率相對較低，如圖5所示。

圖5 井眼形狀與鉆柱形態(tài)示意圖

巖石可鉆性受礦物組分、粒度、膠結(jié)、孔隙度、致密程度等多方面影響，從鉆伽馬值與鉆時變化曲線（圖6）可以看出，隨著伽馬值降低，鉆速變慢，伽馬值大于300對應(yīng)鉆時15.7 min/m，伽馬值200～300對應(yīng)鉆時22.7 min/m，伽馬值小于200 對應(yīng)鉆時27.8 min/m；總體上呈現(xiàn)頁巖鉆速快、砂巖鉆速慢的特點。其中4 662、4 703 m 等井段鉆時特別高，Si 元素含量中等，Ca 和Mg 元素含量明顯偏高，反映了地層有異常膠結(jié)物質(zhì)，鉆頭破巖困難。

圖6 鉆時隨伽馬值變化曲線

3.2 鉆頭優(yōu)化及改進

針對前期出現(xiàn)的鉆頭崩齒、抗沖擊性和耐磨性不足的問題，結(jié)合工程地質(zhì)環(huán)境因素分析結(jié)果，認為須三段地層強非均質(zhì)性地層首要考慮鉆頭的抗沖擊性和耐磨性[8-10]；其次是攻擊性，要求鉆頭具有雙排布齒、力平衡設(shè)計、適合定向的結(jié)構(gòu)特點。優(yōu)選BTS616 型PDC 鉆頭，前排齒配置超耐磨切削齒，采用16 mm+13 mm 齒復配設(shè)計，保徑位置采用13 mm 齒，可減小側(cè)向扭矩；優(yōu)化冠部形狀，增加工具面穩(wěn)定性。對前期使用的KSD1662 鉆頭進行優(yōu)化改進，針對肩部主切削齒崩齒問題，在肩部前排齒和后排齒設(shè)計22顆三棱齒以提高抗沖擊性，鼻部設(shè)計16 mm平面齒以保證攻擊性。優(yōu)化后的KSD1662鉆頭如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的KSD1662鉆頭結(jié)構(gòu)特征

3.3 現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

針對前2 趟鉆加大鉆壓后崩齒的問題，利用Surfer模擬軟件建立鉆井參數(shù)優(yōu)化模型，結(jié)合鉆速敏感性影響因素分析結(jié)果，確定各井段最適宜的鉆井參數(shù)，從前期的鉆井參數(shù)“剛性強化”發(fā)展為“柔性強化”，鉆遇砂巖鉆時變慢后及時降低鉆壓和轉(zhuǎn)速，頁巖鉆壓100～120 kN、轉(zhuǎn)速75～80 r/min，砂巖鉆壓70 ～90 kN、轉(zhuǎn)速60～70 r/min，保證鉆頭平穩(wěn)穿過夾層，避免發(fā)生早期崩齒損壞，如圖8所示。

圖8 鉆壓-轉(zhuǎn)速與鉆速敏感性關(guān)系圖

第3 趟鉆使用優(yōu)選出的Φ215.9 mmBTS616 鉆頭+Φ172 mmAutotrak Curve 旋導工具+Φ172 mm 低速大扭矩螺桿，2022 年11 月9 日4:00 開始鉆進，11月13 日16:00 鉆至井深4 596 m，由于鉆時變慢起鉆，鉆進井段4 434～4 596 m，鉆壓基本控制在90～140 kN，進尺162 m，平均機械鉆速2.75 m/h。第4趟應(yīng)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計加工的KSD1662 鉆頭，配合Φ172 mmAutotrak Curve 旋導工具+Φ172 mm 低速大扭矩螺桿，11 月14 日22:40 開始鉆進，11 月17 日21:50 鉆至井深4 719 m 由于鉆時變慢起鉆，鉆進井段4 596～4 719 m，鉆壓80～120 kN，進尺123 m，平均機械鉆速2.14 m/h。

通過優(yōu)化鉆頭結(jié)構(gòu)特征和鉆井參數(shù)后，2 趟鉆累計進尺285 m，平均單趟進尺142.5 m，與優(yōu)化前2趟鉆相比，回次進尺增加160%，同比鄰井進尺增加40%以上，減少起下鉆2～4 趟，出井基本正常磨損，無崩齒現(xiàn)象，表明優(yōu)化后的PDC 鉆頭和鉆井參數(shù)基本能夠解決須三段非均質(zhì)地層的鉆頭崩齒和進尺短問題。

4 結(jié)論

1）川西須三段地層砂巖和頁巖互層，非均質(zhì)性強、軟硬交錯、砂巖地層研磨性強、鉆頭切削齒吃入困難，鉆頭設(shè)計和選型首要考慮因素是抗沖擊性和耐磨性，其次是攻擊性，正常鉆進時過高的鉆壓和轉(zhuǎn)速易導致鉆頭提前損壞。

2）對于須三段非均質(zhì)性地層，推薦選用6刀翼、切削齒16/13 mm、雙排布齒、肩部采用抗沖擊齒型設(shè)計的PDC 鉆頭；鉆進時適合采用鉆井參數(shù)柔性強化的方式，根據(jù)巖性和鉆時變化實時調(diào)整參數(shù)，避免鉆頭崩齒，有利于延長鉆頭使用壽命。