輪古地區鉆頭優選技術研究

顧晶 王越之 長江大學石油工程學院 434023

輪古地區鉆頭優選技術研究

顧晶 王越之 長江大學石油工程學院 434023

結合輪古的實際情況，從利用鉆頭使用資料方面入手開展了鉆頭選型的研究與應用工作。通過對輪古地區多口井在不同地層使用的鉆頭型號的數據進行統計分析，根據各項指標的高低進行對比，以最優鉆速和進尺為目標對鉆頭進行一個詳細的評價，結合輪古油田地層巖石力學特性參數計算結果，優選出適合輪古地區的鉆頭。

輪古地區；鉆頭選型；測井資料；鉆頭資料

鉆頭是破碎巖石的工具，石油鉆井是以鉆頭作為破巖造孔的主要工具的，它的質量優劣及其與底層、巖性和鉆井工藝條件的舒適程度，直接影響著鉆井速度的高低。鉆頭的選擇主要是從兩個方面進行的，一方面是從巖石的力學性能入手，尋求與巖石的力學性能匹配的鉆頭。另方一面是從某地區已經鉆的鉆頭資料入手，分地層對鉆頭的使用情況進行評價，從評價的結果中找出適合該地區該地層的鉆頭。在對研究區塊已用鉆頭綜合評價的基礎上結合輪古地區地層巖石力學特性參數計算結果,分層段優選出適合該地區的鉆頭，該方法簡單易用。

1.輪古地區基本情況

輪古油田是塔里木盆地輪南古潛山勘探開發一體化油田的簡稱，屬于油氣滾動開發項目。輪古地區經過幾年持續勘探，取得了比較豐富的、非常基礎的地層資料與鉆井資料。輪古鉆井井深通常在5500～6000m，全部屬于超深井，而且其地層巖性變化頻繁，因此對鉆頭選型要求十分嚴格。

2.對已用鉆頭的綜合評價

首先，從輪古地區每口井的井史入手，收集了69口井所使用的鉆頭數據。對這些已經使用過的不同類型、不同尺寸的鉆頭按所鉆地層進行分類。

然后利用統計方法，對鉆頭使用資料進行統計分析，得到各類鉆頭的定量使用指標，如：機械鉆速、純鉆時間、鉆頭進尺、每米成本等，根據各項指標的高低進行對比，以最低成本為原則，以最優鉆速和進尺為目標對鉆頭進行一個詳細的評價。

在統計分析過程中, 我們應用鉆井成本方程

式中：CPUD—單位深度的鉆井成本；Cb—鉆頭成本；Cr—鉆機作業費用；tb—鉆頭實際純鉆時間；tt，起下鉆和接單根時間；△D—給定的深度。

按照上面的公式，計算出每個地層每種鉆頭的成本，成本最低的就是使用效果最好的鉆頭，評價結果如表1所示。

表1 鉆頭評價結果

3.利用測井資料計算地層力學參數

巖石力學參數包括巖石硬度、巖石抗壓強度、巖石抗剪強度、巖石的可鉆性等。它們反映了巖石抗破碎的特征。鉆頭選型的工作就是選擇與地層類型相匹配的鉆頭，因此地層巖石的力學性質是研究鉆頭選型的基礎。準確地獲得巖石的力學性能，將是準確推薦鉆頭的基礎和前提。

采用測井資料來預測巖石的強度和可鉆性有它的優點，測井數據是在地層壓力、溫度及一定的鉆井條件下沿整個井身剖面逐點進行的，因此，由測井資料得到的巖石動態彈性模量和泊松比包含了地層在鉆井過程中受到的各種擾動，能夠反映巖石強度隨環境變化而變化的特征。

利用測井資料計算巖石力學參數,可取得沿整個井深分布的巖石力學參數剖面。根據彈性波理論,無限介質中縱波和橫波的傳播速度為

式中：

Vp 為縱波速度,m/ s ; Vs 為橫波速度,m/s ;μ d為動態泊松比;ρ為介質密度,g/cm3;Ed為動態彈性模量,MPa。

巖石的縱波時差、橫波時差、體積密度、自然伽馬值是進行一系列計算的基本數據。但一般測井資料中，缺少橫波、體積密度或其中的某一個，此時橫波時差、體積密度就需要用已知的其它數據求出。在求取巖石的各種強度時還會用到其他的一些參數。

利用自然伽馬、補償聲波以及補償密度測井數據,計算,可計算出以下參數:地層抗壓強度、抗剪強度、巖石內摩擦角、巖石硬度、塑性系數、泥質含量、巖石可鉆性等。

對收集到輪古地區的組合測井中聲波時差、伽瑪和地層密度資料進行處理，參考國外有關公司對計算公式中有關“邊界系數”標定，使計算結果盡量接近地層實際的可鉆性力學參數。由于輪古地區上部地層缺乏密度測井數據，計算僅用下部的部分數據，參加計算的各井情況如表2。

依照表2，根據國內外專家對計算結果判斷準則，當抗壓強度大于122MPa，巖石內摩擦角大于42度的大段地層建議不使用常規PDC鉆頭，即使要使用PDC鉆頭，建議進行地下巖石樣品的進一步分析，并與鉆頭廠家溝通，對PDC鉆頭切削齒和鉆頭結構進行個性化設計。

表2 利用測井資料評估地層力學參數的各井情況

由上述準則可以判斷在該地區奧陶系不適合用PDC鉆頭，只實用于牙輪鉆頭鉆井。在石炭系由于只有輪古9井的部分數據，從計算結果看也不適合用PDC鉆頭。該地區需要進一步收集上部地層的測井資料。

綜合考慮以上分析以及在該區塊鉆頭實際使用效果,推薦的鉆頭型號如表3所示。

表3 鉆頭優選結果

4.結論和建議

1）、優選出與鉆進地層相適應的鉆頭,一方面可以提高機械鉆速,另一方面可以減少起下鉆時間,從而可以節約鉆井綜合成本；

2）、建立鉆頭數據庫能快速準確地查出鉆頭數據，對研究鉆頭優選方法具有很好的積極作用；

3）、輪古地區只有在白堊系后使用PDC鉆頭效果較好。過早使用PDC鉆頭會造成鉆頭過早的損傷；

4）、先對所使用過的鉆頭進行評價,然后根據鉆遇地層的巖石力學特性進行鉆頭選型,這樣選出的鉆頭與實際情況比較符合。

[1] 彭安華.輪古地區地層特征及認識.石油工業出版社.2007

[2] 何君.塔里木盆地輪古油田勘探開發一體化研究與實踐. 石油工業出版社.2007

[3] 劉希圣.鉆井工藝原理.北京：石油工業出版社.1981

[4] 張厚美，張良萬，劉天生.鉆頭選型的方法研究[J].天然氣工業.1994

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.14.014