川南威榮氣田深層頁巖氣水平井鉆頭優(yōu)選及應(yīng)用

胡大梁，郭治良，李 果，譚 瑋，黃 敏

（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）

川南威遠(yuǎn)-榮縣區(qū)塊地處四川省內(nèi)江市威遠(yuǎn)縣、市中區(qū)和自貢市大安區(qū)、貢井區(qū)，構(gòu)造位置位于威遠(yuǎn)隆起南斜坡與自流井背斜之間的白馬向斜[1]，頁巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量超過千億方，威頁 1HF井測試獲17.5×104m3/d工業(yè)氣流，表明該區(qū)塊具有良好的勘探開發(fā)潛力。研究區(qū)屬丘陵地貌，構(gòu)造主體部位海拔300～450 m，儲(chǔ)層埋深3600～3800 m，屬于深層頁巖氣，面臨地層老、巖性復(fù)雜多變、可鉆性差等多個(gè)難點(diǎn)[2-3]。本文在分析完鉆井鉆頭使用效果的基礎(chǔ)上，應(yīng)用鉆頭設(shè)計(jì)理論確定鉆頭的關(guān)鍵技術(shù)，優(yōu)選適合本區(qū)塊地層特點(diǎn)的鉆頭型號(hào)。

1 地質(zhì)概況及鉆井難點(diǎn)

地面出露層為沙溪廟組，縱向鉆遇陸相4套（沙溪廟組～須家河組）、海相12套（雷口坡組～五峰組），地質(zhì)預(yù)測地層壓力系數(shù)1.1～1.9（表1），基本呈隨井深增加而逐漸增大的趨勢。陸相地層砂泥巖互層，夾灰?guī)r、頁巖及煤線，海相地層為灰?guī)r、泥頁巖，夾粉砂巖及少量石膏。頁巖氣主力儲(chǔ)層為志留系龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖，平均厚度40 m，平均含氣量3.77 m3/t，地層壓力系數(shù)1.9～2.0。

表1 地層壓力預(yù)測

根據(jù)區(qū)域工程地質(zhì)條件，結(jié)合前期完鉆井鉆頭使用情況，分析鉆頭選型和使用難點(diǎn)如下：侏羅系地層厚度大，巖性以泥巖、砂巖為主，若鉆頭選型不合理，易發(fā)生鉆頭泥包，嚴(yán)重影響機(jī)械鉆速；自流井組和須家河組部分層段石英砂巖含量較高、研磨性強(qiáng)、憋跳鉆嚴(yán)重，PDC鉆頭易發(fā)生過早損壞[4-5]；龍?zhí)督M-石牛欄組厚度約 560 m（占二開井段25%），龍?zhí)督M地層巖性為鋁土質(zhì)泥巖，茅口組下部和棲霞組含燧石結(jié)核、黃鐵礦，巖性致密堅(jiān)硬、可鉆性差，易造成PDC崩片，需要2～3趟鉆完成，平均鉆速低于 1.50 m/h，鉆井施工時(shí)間 12～15 d（占二開井段50%），是制約二開提速的瓶頸井段。

2 前期鉆頭應(yīng)用效果

分析威榮區(qū)塊完鉆的W1井、W23-1井、W29-1井等6口頁巖氣水平井的鉆頭使用情況和效果，找出存在的問題，確定鉆頭選型的優(yōu)化改進(jìn)方向。

2.1 分地層鉆速對比

W23-1井完鉆井深5555 m，平均機(jī)械鉆速4.82 m/h，全井使用19只鉆頭。從各地層鉆速可以看出，制約全井提速的井段主要有三段：自流井組-須家河組地層，平均機(jī)械鉆速4.30 m/h；飛仙關(guān)組致密泥巖地層，平均機(jī)械鉆速2.88 m/h；龍?zhí)督M-石牛欄組地層，平均機(jī)械鉆速 3.50 m/h，部分井段鉆速低于1.00 m/h（圖 1）。

圖1 W23-1井鉆時(shí)曲線

2.2 各開次鉆速及鉆頭使用情況

一開鉆遇沙溪廟組、新田溝組、自流井組地層。沙溪廟組下段地層泥巖致密，鉆頭吃入能力差，制約機(jī)械鉆速。自流井組砂巖石英含量高，研磨性強(qiáng)，可鉆性差，PDC易磨損；地層泥巖、砂巖交替頻繁，夾層較多，易井斜。5口井使用3種8只PDC鉆頭，單只鉆頭平均進(jìn)尺569 m，平均鉆速9.47 m/h，進(jìn)入須家河組地層后，研磨性增強(qiáng)，鉆頭磨損加劇，機(jī)械鉆速普遍降至5.00 m/h以下。部分鉆頭對地層適應(yīng)性不強(qiáng)，進(jìn)尺和鉆速均低于其他型號(hào)（圖2）。

圖2 一開鉆頭使用進(jìn)尺和鉆速對比

二開鉆遇陸相須家河組地層及海相嘉陵江組-石牛欄組地層：須家河組地層以砂巖和頁巖為主，砂巖研磨性較強(qiáng)，可鉆性較差，平均機(jī)械鉆速 6.27 m/h。雷口坡組地層可鉆性較好，飛仙關(guān)組-長興組以灰?guī)r、泥巖為主。龍?zhí)督M以灰?guī)r、鋁土質(zhì)泥巖為主，泥巖致密且含量較高，常規(guī) PDC鉆頭難吃入，機(jī)械鉆速一般低于4.00 m/h。茅口組-棲霞組含黃鐵礦、隧石結(jié)核，沖擊性和研磨性強(qiáng)，PDC容易崩片和磨損，單只鉆頭平均進(jìn)尺 253 m，平均鉆速 2.98 m/h；梁山組-龍馬溪組為灰色泥巖、綠灰色泥巖，質(zhì)純，塑性強(qiáng)，常規(guī)PDC鉆頭吃入性差。

三開主要鉆遇龍馬溪組和五峰組地層，上部為綠灰色泥巖，中部為綠灰色泥巖、灰色頁巖，下部為深灰色、黑色頁巖，因工具面不穩(wěn)、托壓等問題，定向鉆進(jìn)時(shí)平均進(jìn)尺188 m、平均機(jī)械鉆速2.30 m/h，水平段黑色頁巖中礦物含量高（如硅、黃鐵礦），研磨性較強(qiáng)，單只PDC鉆頭平均進(jìn)尺438 m，平均機(jī)械鉆速4.17 m/h。

2.3 鉆頭使用情況

對完鉆井鉆頭的使用情況統(tǒng)計(jì)表明，前期完鉆井使用鉆頭型號(hào)多而雜，如5口井的二開井段累計(jì)使用36只鉆頭，型號(hào)多達(dá)13種；60%的鉆頭進(jìn)尺為200～600 m，單只鉆頭最長進(jìn)尺871 m，最短進(jìn)尺不足100 m。

部分型號(hào)鉆頭與地層的匹配性差，破巖效率與進(jìn)尺不能兼顧，實(shí)際使用效果差別大，亟待開展鉆頭個(gè)性化選型研究。優(yōu)選適合本區(qū)塊的高效鉆頭，提高鉆井效率（圖3）。

圖3 二開井段鉆頭使用數(shù)量及進(jìn)尺統(tǒng)計(jì)

3 鉆頭選型優(yōu)化及應(yīng)用

3.1 地層可鉆性研究

采集研究區(qū)鄰近露頭巖樣，包括須家河組、龍?zhí)督M、茅口組、棲霞組、韓家店組、石牛欄組、龍馬溪組等層位，進(jìn)行地層條件下的巖石可鉆性測試，建立區(qū)塊的巖石可鉆性剖面。除韓家店組地層為軟地層外，須家河組-龍馬溪組地層硬度均為中軟-中硬級(jí)別。PDC可鉆性級(jí)值4.00～7.00，常壓與圍壓條件測試差異不大；牙輪可鉆性級(jí)值常壓測試為4.50～6.30，平均 4.95；圍壓條件測試為 5.80～9.60，平均8.27，圍壓對可鉆性測試結(jié)果影響較大。

3.2 鉆頭設(shè)計(jì)

3.2.1 冠部輪廓形狀

PDC鉆頭的冠部形狀直接影響鉆頭的攻擊性和各部位切削齒的受力狀態(tài)，設(shè)計(jì)冠部輪廓時(shí)，應(yīng)滿足“易于布齒，便于加工，保證質(zhì)量，提高效率”的原則。

PDC鉆頭的冠部形狀一般分為內(nèi)錐、冠頂和外錐三部分，冠部形狀一般為圓弧形、短拋物線形和雙圓弧形[6-8]。地層硬度越高，冠部應(yīng)越短，以提高鉆頭的耐磨性。

3.2.2 切削齒參數(shù)

切削齒的齒數(shù)是PDC鉆頭機(jī)械鉆速和使用壽命的重要決定因素，若齒數(shù)過少，則造成切削齒過早磨損，導(dǎo)致鉆頭使用壽命縮短；若齒數(shù)過多，則會(huì)造成鉆頭攻擊性下降，導(dǎo)致機(jī)械鉆速降低。因此，需要根據(jù)地層特點(diǎn)并結(jié)合下式合理確定鉆頭齒數(shù)：

式中："、$為系數(shù)，不同地區(qū)取值不同。

兩個(gè)或兩個(gè)以上層段為：

表2 切削齒尺寸與巖石抗壓強(qiáng)度關(guān)系

PDC鉆頭的切削齒尺寸由巖石抗壓強(qiáng)度或可鉆性確定，對軟-中硬地層，選用尺寸較大的PDC復(fù)合片；對于中硬到堅(jiān)硬地層，則選用尺寸小的PDC復(fù)合片。根據(jù)地層巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定沙溪廟組-新田溝組地層選用16.0～19.0 mm切削齒，自流井組-須家河組及海相地層選用16.0 mm切削齒。

3.2.3 刀翼數(shù)量

PDC鉆頭的刀翼數(shù)決定鉆頭的攻擊性。刀翼數(shù)越多，則作用在切削齒上的沖擊載荷越小，能提高鉆頭的可控性，延長鉆頭壽命；反之，刀翼數(shù)減少，則鉆頭的鉆進(jìn)性能提高，具有較高的鉆速。一般來說，地層強(qiáng)度越大，則切削齒數(shù)越多，刀翼數(shù)就越多。對完鉆井使用的鉆頭進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到齒數(shù)與刀翼數(shù)的關(guān)系，并對其進(jìn)行擬合后得到刀翼數(shù)的基本公式：

式中：/!為刀翼數(shù)量；!為切削齒數(shù)；a、b、c為常數(shù)。

計(jì)算得出沙溪廟組～新田溝組地層適合 4～5刀翼，自流井-須家河組地層6刀翼，海相地層5刀翼。研磨性強(qiáng)的茅口組-石牛欄組地層選用3刀翼+3牙輪的混合式鉆頭，造斜段選用6刀翼PDC鉆頭以利于定向。

3.2.4 保徑長度

鉆頭保徑長度主要根據(jù)鉆頭穩(wěn)定性和可控性能進(jìn)行選擇。保徑長度增加，鉆頭穩(wěn)定性增加，可控性能降低。保徑材料也是鉆頭選型的一個(gè)因素，在小斜度井一般用碳化鎢保徑材料，對于大斜度井和井下動(dòng)力鉆進(jìn)中一般使用金剛石保徑材料。

式中：12、12 m56、12 m:;分別為保徑長度、最大和最小保徑長度，mm（PDC鉆頭一般為25.0～110.0 mm）；,<:、,.分別為定向進(jìn)尺和井深，m。

3.3 鉆頭選型方案

在地層可鉆性基礎(chǔ)上，應(yīng)用鉆頭設(shè)計(jì)理論確定適合各段地層特征的鉆頭關(guān)鍵技術(shù)，據(jù)此優(yōu)選適合的鉆頭型號(hào)。一開井段以攻擊性強(qiáng)的5刀翼鋼體PDC鉆頭為主；二開陸相地層使用耐磨性強(qiáng)的6刀翼胎體PDC鉆頭，海相以5刀翼鋼體PDC為主，3刀翼+3牙輪混合鉆頭為輔[9-14]；三開造斜段使用短保徑定向?qū)Ｓ勉@頭，水平段使用5刀翼、長保徑鉆頭。

3.4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

W23-2井按照鉆頭選型推薦方案，一開選用KS1662鉆頭配合大扭矩等壁厚螺桿。鉆進(jìn)井段32～501 m，進(jìn)尺469 m，平均鉆速29.02 m/h，比前期指標(biāo)9.22 m/h提高215%。二開使用5只PDC鉆頭和1只混合鉆頭配合等壁厚螺桿，累計(jì)進(jìn)尺2984 m，成功鉆穿飛仙關(guān)組、龍?zhí)督M、茅口組等復(fù)雜層段，平均鉆速8.55 m/h，比前期平均指標(biāo)4.09 m/h提高109%，創(chuàng)威榮氣田頁巖氣井鉆速最高，日進(jìn)尺最長等9項(xiàng)區(qū)域工程紀(jì)錄。在第一輪井基礎(chǔ)上優(yōu)化鉆頭選型和配套技術(shù)方案，預(yù)計(jì)全井9趟鉆完，其中一開1趟鉆、二開4趟鉆、三開4趟鉆，預(yù)測全井平均鉆速約為7.19 m/h，比前期4.03 m/h，提高78%，預(yù)計(jì)鉆完井周期可以控制在90 d以內(nèi)。

4 結(jié)論

（1）威榮氣田頁巖氣水平井二開井段起下鉆趟數(shù)較多，需結(jié)合地層巖性特點(diǎn)，有針對性地開展鉆頭與鉆具組合優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，以進(jìn)一步減少起下鉆趟數(shù)，提高生產(chǎn)效率。

（2）應(yīng)用鉆頭設(shè)計(jì)理論，不同地層特點(diǎn)確定鉆頭的關(guān)鍵技術(shù)在 W23-2井鉆進(jìn)中的初步應(yīng)用收到良好效果。

（3）威榮氣田頁巖氣水平井一開沙溪廟組-新田溝組地層適合攻擊性強(qiáng)的5刀翼鋼體PDC鉆頭。二開陸相地層使用耐磨性強(qiáng)的 6刀翼胎體 PDC鉆頭，海相地層以6刀翼鋼體PDC為主，高研磨性地層使用混合鉆頭。三開造斜段使用6刀翼、短保徑PDC鉆頭提高定向能力，水平段使用5刀翼、長保徑PDC鉆頭提高穩(wěn)定性。