高研磨性地層特征與鉆頭研究應用

摘" 要：川北地區陸相須家河組天然氣資源豐富，但須家河組地層具有巖性致密、地層高研磨性、可鉆性差的特征，導致鉆頭磨損嚴重，機械鉆速慢。該文在分析各類鉆頭適應性的基礎上，本著提速增效的目標，開展鉆頭優選研究，提出PDC+牙輪復合式鉆頭，并進行應用實踐，現場應用取得良好的試驗效果，PDC+牙輪復合式鉆頭在地層中具有較高機械鉆速、進尺和使用壽命。

關鍵詞：高研磨性地層;復合式鉆頭;PDC鉆頭;牙輪鉆頭;提速增效

中圖分類號：P634.4" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）18-0177-04

Abstract： The continental Xujiahe formation in northern Sichuan is rich in natural gas resources， but the Xujiahe formation is characterized by tight lithology， high grindability and poor drillability， which leads to serious bit wear and slow mechanical drilling rate. Based on the analysis of the adaptability of all kinds of bits and with the goal of increasing speed and increasing efficiency， this paper carries out the research on bit optimization， puts forward the PDC+ cone composite bit， and carries on the application practice， and the field application has achieved good test results. The PDC+ cone composite bit has higher mechanical penetration rate， footage and service life in the formation.

Keywords： highly abrasive formation; compound bit; PDC bit; cone bit; increasing speed and increasing efficiency

隨著我國油氣資源勘探開發工作的不斷深入，中深井、深井鉆井比例進一步擴大，深部地層巖性復雜，鉆井難度持續增強，倒逼我國深部鉆井技術與裝備水平不斷提升，與國外技術與裝備的差距持續縮小[1-2]。川北地區陸相須家河組天然氣資源豐富，但須家河組地層具有巖性致密、地層高研磨性、可鉆性差的特征[3]，導致鉆井的機械鉆速慢、鉆井效率低等難題，極大地制約了川北地區天然氣勘探的開發[4-5]。鉆井工程中，牙輪鉆頭、PDC鉆頭、孕鑲金剛石鉆頭等已經形成系列化、規模化應用。本文基于川北地區陸相須家河組地層地質特性，本著提高鉆井效率和降低鉆井成本的目標，開展鉆頭優選研究，并進行了應用實踐，以期為高研磨性地層鉆井的提速增效提供參考。

1" 區域地質背景

四川盆地作為揚子準地臺的次一級構造單元，在中上元古界基底基礎上，主要經歷了加里東、海西、印支、燕山和喜山5個主要的構造旋回[6-8]。其中，加里東和海西旋回主要表現為垂直升降運動，主要造成地層缺失和上下地層間的假整合接觸，如燈影組與寒武系之間、中晚奧陶系之間，以及志留系上部等均出現假整合現象，印支運動從中三疊世初一直延續到晚三疊世末，早印支運動以抬升為主，早中三疊世海水退出上揚子地臺，大規模海侵基本結束，晚印支運動始于三疊紀末，導致三疊系及下伏地層的全面回返，并伴隨中酸性巖漿侵入，形成區域性地層變質;燕山運動具有3個主要活動期，其中以中燕山運動最為明顯，晚侏羅世的中燕山運動導致盆地內部再次上隆和侏羅系上部地層大面積剝蝕，在盆地邊緣擠壓成褶，盆地范圍進一步縮小;早喜山構造幕是導致盆地沉積蓋層發生明顯褶皺的主要時期，其使四川盆地從震旦紀至早第三紀以來的沉積蓋層全面褶皺;晚喜山期為主要的構造定型期。進入第四紀以后，新構造運動仍然持續，但是主要表現為間歇性上升運動。經歷以上多期構造運動的四川盆地總體劃分為盆地周邊構造區和盆地內部構造區[7，9-11]（圖1）。

川北地區整體為一個大型的構造帶，與四川盆地大部分地區類似，為陸相地層，地層縱向上層系齊全，具有多層系、多旋回特點，自上而下分別為白堊系下統劍門關組（K1j），侏羅系上統蓬萊鎮組（J3p）、遂寧組（J3sn），侏羅系中統上沙溪廟組（J2s）、下沙溪廟組（J2x）、千佛崖組（J2q），侏羅系下統自流井組（J1z），三疊系上統須家河組（T3x）。

2" 巖石地層特征

2.1" 地層特征

本次研究對象為須家河組地層，根據地層巖性特征，須家河組可以劃分為6段（表1），其總體上為一套礫巖、砂礫巖、含礫砂巖及泥巖層的組合，堅硬的礫巖、砂礫巖、含礫砂巖與軟的泥巖軟硬交替，形成不均勻的地層。根據地層巖性礫石和砂巖石英含量高低和地層內摩擦角大小，并結合巖石研磨性分級可知，川北地區須家河組地層為高研磨性地層[12]。

2.2" 巖性特征

統計已有鉆井的須家河組地層巖性資料，并分析石英、礫巖含量（表2）。由表2可知，須家河組地層巖性的礫巖、砂礫巖、含礫砂巖可鉆性差，巖石極為堅硬，加上與泥巖軟硬交替成互層對鉆頭的損傷極大。

2.3" 巖石特征

陸相地層由于巖性的復雜性，巖石可鉆性級值變化明顯，總體上表現出隨深度增加而逐漸增加的態勢，須家河組地層可鉆性級值7.5～9.1。川北地區地層從進入自流井組后出現異常高壓特征，且地壓梯度隨深度逐漸增加，根據已有數據資料，須家河組地壓梯度達到了2.10 MPa/100 m以上，具有壓力高、壓力變化大的特征。應用測井與地震資料綜合分析，川北地區地層破裂壓力的平面上變化不大，縱向上陸相地層破裂壓力大于2.5 MPa/100 m。川北地區地層坍塌壓力在平面上無明顯地變化，須家河組坍塌壓力梯度在1.450～1.80 MPa/100 m，屬于中-高坍塌壓力地層。

3" 鉆頭類型

鉆井工程中所使用的鉆頭主要有牙輪鉆頭、PDC鉆頭、孕鑲金剛石鉆頭。牙輪鉆頭在鉆井工程中的運用廣泛，具有以下特點：使用壽命較短，機械鉆速較低，進尺較少。由于牙輪帶有軸承結構，屬于非固定結構鉆頭，鉆頭切削齒容易在早期破碎斷齒，導致其使用壽命較短，機械鉆速較低，進尺較少。PDC鉆頭在鉆井工程中的運用較為廣泛，具有以下特點：機械鉆速與進尺較高，鉆壓較小，壽命較短。此類鉆頭金剛石層厚度不足，對于高研磨性地層來說，PDC鉆頭的PDC復合片容易磨損甚至脆裂失效，大大縮短了其使用壽命[2]。孕鑲金剛石鉆頭在鉆井工程中的運用也較為廣泛，具有以下特點：機械鉆速較低，壽命較長，進尺較多。其工作原理是磨削巖石，孕鑲金剛石鉆頭的抗研磨性與以下2個因素有關：金剛石顆粒大小、金剛石鑲焊濃度[13-15]。

4" 鉆頭優選

4.1" 鉆頭選型

須家河組地層可鉆性差，巖石極為堅硬，加上與泥巖軟硬交替成互層對鉆頭的損傷極大，結合須家河組總體巖性特征，開展鉆頭優選。選擇思路是綜合地層的多種巖石力學特性與鉆頭經濟效益，結合不同鉆頭的技術優勢，形成具有普遍適用性的鉆頭選型方法。

影響鉆頭評價指標的因素眾多，但其中只有少數因素對指標的影響重大，影響鉆頭的評價指標的主要影響因素有轉速、鉆壓、排量、井深和泵壓5個，鉆頭評價指標主要包括鉆速、進尺和成本，在相同鉆井參數條件下，獲得的鉆速、進尺、成本綜合最優，即為優選的鉆頭類型或組合。

須家河組總厚度近千米，石英含量約為50%～70%，以中等-高-極高研磨性地層為主，須家河組地層具有致密性、軟硬交錯等地質特征，使用PDC鉆頭適應性差，齒吃入深度不夠，鉆頭上的切削載荷會產生大幅變化，引起PDC鉆頭產生劇烈的扭轉振動，切削齒的切削效率低，遇硬夾層易崩片，機械鉆速非常低，不適合PDC鉆頭鉆進。鉆頭的選擇，原則上以提高鉆頭攻擊性，提高機械鉆速為主。使用普通的牙輪鉆頭，地層太硬導致不能使巖石發生體積破碎，鉆頭在巖石上形成齒坑小，機械鉆速較低，遇硬夾層易斷齒，必須解決鉆頭早期斷齒失效入手，提高牙輪鉆頭的壽命。

最終確定采用牙輪+PDC復合式鉆頭，此類復合式鉆頭同時包含牙輪和刀翼，將PDC鉆頭和牙輪鉆頭兩者的優勢結合起來，牙輪切削齒只存在于PDC鉆頭的鼻部和肩部，牙輪齒與PDC鉆頭的鼻部和肩部的切削齒共同切削位于PDC鉆頭的鼻部和肩部的巖石。牙輪切削齒對巖石產生預破碎，降低PDC切削齒的切削載荷。PDC切削齒能對地層形成有效切削，既提高了對硬質塊或硬夾層的切削效率，又降低了PDC切削齒的切向載荷變化幅度，減輕鉆頭產生的振動。PDC切削齒不易破裂，使得復合式鉆頭在地層中具有較高的機械鉆速、進尺和使用壽命。

4.2" 鉆頭設計與試制

為探索復合式鉆頭切削效率影響因素，通過觀察實驗鉆頭鉆進過程，發現牙輪切削齒相對于PDC切削齒的高低差在-6.0～6.0 mm范圍內，牙輪切削齒相對于PDC切削齒才能同時切削巖石，形成的井底比較光滑。

1）牙輪切削齒與PDC切削齒高低差。根據測試，隨著牙輪切削齒相對于PDC切削齒高低差增大，單位載荷單位轉速下的機械鉆速呈下降趨勢。

2）牙輪與刀翼的方位角。根據測試，牙輪在同軌刀翼的后面時，混合鉆頭的切削效率最高，牙輪在同軌刀翼的前面時，混合鉆頭的切削效率次高，當牙輪在同軌刀翼的對面時，混合鉆頭的切削效率最低，但3種牙輪排列方式的混合鉆頭的切削效率相差不大。

3）鉆壓。根據測試，與采用低鉆壓鉆進相比，采用高鉆壓鉆進時，單位載荷單位轉速下的機械鉆速有大幅度提高。這說明要對巖石產生高效的體積破碎，鉆壓必須達到某一門檻值。

4.3" 鉆頭參數選取

按牙輪切削齒與PDC切削齒的高低差在-6.0～6.0 mm（負值：牙輪切削齒在PDC切削齒輪廓線之內，正值：牙輪切削齒在PDC切削齒輪廓線之外），牙輪切削齒與PDC切削齒同軌或在2個PDC切削齒之間切削，確定牙輪切削齒在PDC鉆頭體輪廓圖上的位置，并預留牙輪壁厚、牙輪切削齒與PDC鉆頭和漿孔之間的距離，確定牙輪軸承在PDC鉆頭體輪廓圖上的位置，鉆壓范圍160～60 kN，轉速范圍50～200 r/min。

4.4" 鉆頭性能特點

在不均勻的地層（含礫砂巖、頁巖、石英砂巖）及軟硬交錯的地層（硬夾層）[6]，復合式鉆頭機械鉆速高、進尺長。由于混合鉆頭同時包含牙輪和刀翼，在不均勻及軟硬交錯地層，牙輪切削齒對巖石產生預破碎，降低了PDC切削齒的切削載荷，PDC切削齒能對地層形成有效切削，因而混合鉆頭機械鉆速高、進尺長。由于PDC切削齒分擔了部分載荷，牙輪軸承上的載荷降低了，所以牙輪軸承壽命長。牙輪切削齒采用耐磨性較強的硬質合金齒，可較長時間保持銳利，可較長時間保持對巖石的預破碎能力。由于存在滾動的牙輪，在定向井段，相對于PDC鉆頭，混合鉆頭的導向性能好，造斜率高。相對于PDC鉆頭，該混合鉆頭扭矩小、扭矩波動幅度小，在造斜井段，鉆具工具面的穩定性高。由于鉆頭結構對稱，鉆頭穩定性高，防井斜效果好。

5" 現場運用

須家河組地層含礫石較多，地層可鉆性級值高，地層研磨性強、可鉆性差，且存在硬夾層，機械鉆速低。使用牙輪+PDC復合式鉆頭之后，相較于鄰井相近層段地層使用的牙輪、PDC鉆頭的鉆井效果，牙輪+PDC復合式鉆頭的鉆井進尺提高46.27%、機械鉆速提高18.33%，鉆頭磨損程度有效降低（表3）。

6" 結論

1）牙輪+PDC復合式鉆頭采用牙輪和刀翼復合式結構設計，將PDC鉆頭和牙輪鉆頭兩者的優勢結合起來，形成沖擊破碎和剪切破碎，大幅提升致密性巖層的破碎效率，使得復合式鉆頭在地層中具有較高機械鉆速、進尺和使用壽命。

2）牙輪+PDC復合式鉆頭在川北須家河組五—六段地層試驗效果良好，具有較好的推廣應用前景，建議在更深井段更進一步開展試驗。

參考文獻：

[1] 汪海閣，黃洪春，畢文欣，等.深井超深井油氣鉆井技術進展與展望[J].天然氣工業，2021，41（8）：163-177.

[2] 蘇義腦，路保平，劉巖生，等.中國陸上深井超深井鉆完井技術現狀及攻關建議[J].石油鉆采工藝，2020，42（5）：527-542.

[3] 代鋒，曾桂元，李林，等.元壩高研磨性地層提速提效集成鉆井技術[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2018，45（4）：27-30.

[4] 智慧文.元壩陸相工程地質難點及鉆井工藝對策[J].西部探礦工程，2014，26（11）：93-95.

[5] 楊玉坤，翟建明.四川盆地元壩氣田超深水平井井身結構優化與應用技術[J].天然氣工業，2015，35（5）：79-84.

[6] 陳會霞，潘蓓，季春輝，等.四川盆地元壩地區茅三段巖溶體精細刻畫[J].天然氣技術與經濟，2022，16（6）：9-15.

[7] 劉宣威，田亞銘，張慧，等.川北地區中二疊統茅二段儲層特征及控制因素分析[J].斷塊油氣田，2022，29（4）：463-468.

[8] 李素華，胡昊，朱蘭，等.川北元壩地區茅口組生屑灘巖溶儲層識別及預測[J].石油物探，2021，60（4）：584-594.

[9] 翟常博.川北地區棲霞組白云巖儲層特征及主控因素[J].成都理工大學學報（自然科學版），2022，49（2）：162-174.

[10] 王良軍.川北地區燈影組四段優質儲層特征及控制因素[J].巖性油氣藏，2019，31（2）：35-45.

[11] 高健，林良彪，任天龍，等.川北地區下侏羅統東岳廟段頁巖氣富集主控因素研究[J].巖性油氣藏，2016，28（5）：67-75.

[12] 龍剛，劉偉，管志川，等.元壩地區陸相地層鉆井提速配套技術[J].天然氣工業，2013，33（7）：80-84.

[13] 王希勇.高研磨性地層異形加長齒PDC鉆頭研發及應用[J].鉆采工藝，2012，35（1）：60-63.

[14] 王興忠，劉強，陸忠華，等.防泥包高效PDC鉆頭研制與應用[J].鉆采工藝，2016，39（2）：91-94.

[15] 蔡家品，賈美玲，史強.元壩地區新型金剛石鉆頭的研究與應用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2010，37（11）：70-72.