混合鉆頭在涪陵頁(yè)巖氣田的應(yīng)用

陳星星

(中石化重慶涪陵頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有限公司，重慶 408014)

0 引言

涪陵頁(yè)巖氣田主體地處重慶市涪陵區(qū)境內(nèi)，西、北臨長(zhǎng)江，南跨烏江，東到礦權(quán)邊界，屬山地喀斯特地貌，地面海拔300～1000 m。涪陵頁(yè)巖氣田二期主要包括江東、平橋、梓里場(chǎng)、白濤、白馬等五個(gè)區(qū)塊，通過(guò)前期勘探開(kāi)發(fā)展現(xiàn)出了良好的產(chǎn)能前景。

2016年以來(lái)，啟動(dòng)了二期江東和平橋兩個(gè)區(qū)塊的產(chǎn)能建設(shè)，通過(guò)近期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在焦石壩區(qū)塊外圍的平橋區(qū)塊、江東區(qū)塊新建鉆井平臺(tái)40個(gè)，完鉆89口，平均完鉆井深5158 m，平均垂深3259 m，垂深較一期產(chǎn)能建設(shè)階段增加383 m[1-4]。平均完井周期99.17d，鉆井周期延長(zhǎng)了23.5%。與涪陵一期相比，二期頁(yè)巖氣井垂深不斷加深，水平段越來(lái)越長(zhǎng)，井眼軌跡越來(lái)越復(fù)雜，地質(zhì)條件更復(fù)雜。施工中，鉆速慢、定向托壓、摩阻大等難題比較突出，為涪陵二期鉆井施工帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[5-7]。

1 鉆頭優(yōu)選研究

1.1 復(fù)雜地層鉆頭使用情況

平橋小河壩組地層平均垂厚約200 m，巖性以泥巖為主，砂巖較發(fā)育，粉砂巖占比10%～30%，較一期明顯增加，砂泥巖互層，非均質(zhì)性強(qiáng)，可鉆性較差，鉆時(shí)由主體區(qū)域的5 min/m上升至30 min/m。牙輪鉆頭極不適應(yīng)小河壩組地層，焦頁(yè)182-xHF井3193～3404 m，進(jìn)尺211 m，共使用5只牙輪鉆頭，耗時(shí)13.41 d，平均單只鉆頭進(jìn)尺42.2 m，平均機(jī)械鉆速1.51 m/h。采用常規(guī)PDC鉆頭一般需要3只才能鉆穿小河壩組地層，平均單只鉆頭進(jìn)尺100 m，平均機(jī)械鉆速3.5 m/h。

龍馬溪組地層濁積砂段平均垂厚約20 m，巖性以灰色-灰黑色粉砂巖和灰黑色泥質(zhì)粉砂巖為主，夾深灰色泥巖，常發(fā)育1～2套箱體狀灰黑色泥質(zhì)粉砂巖，砂巖致密，硅質(zhì)含量普遍較高，可鉆性較差，鉆時(shí)30～40 min/m。焦頁(yè)93-xHF井PDC鉆頭鉆遇濁積砂地層僅1 m左右，鉆頭報(bào)廢，改用牙輪鉆頭鉆穿后，單只牙輪鉆頭能鉆穿一套濁積砂地層，但牙齒全部磨損50%以上，平均鉆速僅1.42 m/h。考慮濁積砂上部地層需要PDC鉆頭過(guò)渡及發(fā)育兩套濁積砂的可能性，鉆穿濁積砂至A靶需要2～4趟鉆。

通過(guò)測(cè)井曲線及巖石力學(xué)分析，平橋小河壩組地層強(qiáng)度整體偏高(120～180 MPa)，地層軟硬交錯(cuò)指數(shù)普遍大于3(最大達(dá)10)，地層軟硬程度顯著，可鉆性差(級(jí)值在7～8之間)。濁積砂地層硬度高，可鉆性級(jí)值在7～8之間。具體情況見(jiàn)圖1。

圖1巖石可鉆性分析
Fig.1Rock drillability analysis

1.2 二開(kāi)大三維井定向難點(diǎn)分析

為實(shí)現(xiàn)地下井網(wǎng)全覆蓋，多動(dòng)用儲(chǔ)量，涪陵區(qū)塊采用交錯(cuò)式井網(wǎng)，為最大限度利用好地下空間，一般采取縮短前后鄰井之間水平段距離的方式，具體表現(xiàn)為靶前距的大幅度減小，形成反向位移三維水平井(魚(yú)鉤井)。

這類(lèi)井普遍具有大偏移距、小靶前距的特點(diǎn)，施工中造成較大的扭方位工作量，偏移距越大(超過(guò)200 m)，穩(wěn)斜井段越長(zhǎng)(超過(guò)900 m)，只要具備其中一項(xiàng)，二開(kāi)后期扭方位時(shí)表現(xiàn)的摩阻就會(huì)越大，據(jù)統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表1)，出現(xiàn)輕微托壓的井中，78.57%的井摩阻在80～100 kN，出現(xiàn)嚴(yán)重托壓的井，86.67%的井摩阻達(dá)到100 kN以上。

表1 大三維井托壓-摩阻統(tǒng)計(jì)Table 1 Long reach 3D well drag forces statistics

定向施工過(guò)程中，上提下放摩阻較大，使用PDC定向托壓憋泵情況嚴(yán)重，使用水力振蕩器也效果不佳，定向托壓得不到緩解，扭方位井段PDC鉆頭易發(fā)生早期磨損，甚至形成環(huán)形槽，鉆頭磨損后形成小井眼，定向托壓明顯，且易發(fā)生卡鉆。對(duì)于二期區(qū)塊三維水平井而言，小河壩組地層屬于扭方位的主要井段，PDC鉆頭的不適應(yīng)性極大地影響了井眼軌跡控制的精度和效率，雖然通過(guò)對(duì)PDC鉆頭的改進(jìn)，鉆頭耐磨性增強(qiáng)，使用2只KSD1663DRT鉆頭可以鉆穿小河壩組含砂地層。但鉆頭保徑仍然磨損較快，保徑齒磨損之后，定向托壓、卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)明顯增大。

1.3 鉆頭優(yōu)選

牙輪鉆頭失效特征表現(xiàn)為牙輪曠動(dòng)、掌尖和掌背磨損；鉆頭鉆遇軟硬交錯(cuò)的夾層時(shí)跳鉆嚴(yán)重，造成牙輪鉆頭切削齒斷齒；定向段易發(fā)生偏心旋轉(zhuǎn)造成掌尖、掌背以及牙輪齒槽磨損；資料分析表明，鉆具剛性和強(qiáng)化鉆井參數(shù)引起的跳鉆，對(duì)鉆頭軸承的早期失效影響較大。PDC鉆頭失效特征為鉆頭鼻部、肩部崩齒，同時(shí)復(fù)合片磨損較多。其失效原因?yàn)榈貙榆浻步诲e(cuò)，互層較多，巖性變化頻繁，PDC鉆頭復(fù)合片受到的沖擊作用強(qiáng)，復(fù)合片易崩碎，鉆頭損壞較快，失去PDC鉆頭在定向段鉆進(jìn)優(yōu)勢(shì)；PDC鉆頭造斜能力差、工具面極為不穩(wěn)定，制約了定向段的機(jī)械鉆速[8-10]。

借鑒川渝其他工區(qū)復(fù)雜難鉆地層混合鉆頭施工經(jīng)驗(yàn)，推出新型結(jié)構(gòu)的混合鉆頭，該結(jié)構(gòu)同時(shí)包含牙輪和PDC刀翼，將牙輪沖擊破碎與PDC復(fù)合片的剪切破碎有機(jī)結(jié)合，以達(dá)到提高切削效率目的。在不均勻及軟硬交錯(cuò)地層，混合鉆頭上的牙輪切削齒對(duì)巖石產(chǎn)生預(yù)破碎，一方面，提高了對(duì)硬質(zhì)塊或硬夾層的切削效率，使得混合鉆頭在不均勻及軟硬交錯(cuò)地層中具有較高機(jī)械鉆速；另一方面，降低了PDC切削齒的切削載荷變化幅度，減輕鉆頭產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，PDC切削齒不易破裂，故混合鉆頭的使用壽命長(zhǎng)，進(jìn)尺多。在硬塑性地層及硬脆性地層，牙輪切削齒能對(duì)巖石產(chǎn)生預(yù)破碎，PDC切削齒能對(duì)地層形成有效切削，從而形成完整的破碎環(huán)帶，使得混合鉆頭在硬塑性地層及硬脆性地層中具有較高機(jī)械鉆速；由于PDC切削齒能對(duì)地層形成有效切削，混合鉆頭工作平穩(wěn)，PDC切削齒不易破裂，故混合鉆頭的使用壽命長(zhǎng)，進(jìn)尺多[11-12]。

針對(duì)二開(kāi)平橋區(qū)塊小河壩組非均質(zhì)高研磨地層及大三維井定向困難地層，優(yōu)選了12in KPM1633DST系列高研磨及高效定向混合鉆頭，見(jiàn)圖2、圖3。該系列鉆頭采用3PDC刀翼+3牙輪設(shè)計(jì)，具有以下特點(diǎn)，采用“滾動(dòng)牙輪+固定刀翼”復(fù)合破巖技術(shù)；牙輪齒預(yù)破碎，降低巖石強(qiáng)度，提高復(fù)合片切削效率，減輕復(fù)合片損壞程度；采用滾動(dòng)破巖結(jié)構(gòu)，扭矩波動(dòng)小；設(shè)計(jì)牙輪防掉結(jié)構(gòu)，較普通牙輪鉆頭更可靠；PDC復(fù)合片強(qiáng)化保徑，增強(qiáng)鉆頭抗磨性能。高效定向鉆頭較同系列高研磨混合鉆頭相比，有以下兩個(gè)特點(diǎn)，一是減少了合金齒的排布，增強(qiáng)了鉆頭的攻擊性，增強(qiáng)了定向能力；二是淺內(nèi)錐設(shè)計(jì)，輔助提高了定向能力。

圖2 12 in KPM1633DST高研磨混合鉆頭Fig.2 High abrasive hybrid drill bit

圖3 12 in KPM1633DST高效定向混合鉆頭Fig.3 High efficient directional hybrid drill bit

圖4 8 in KPM1642ART硬質(zhì)定向混合鉆頭Fig.4 Directional hard hybrid drill bit

該鉆頭直徑215.9 mm由2個(gè)牙輪和4個(gè)PDC刀翼組成(主切削齒直徑16 mm)，共有6個(gè)水眼，保徑長(zhǎng)度100 mm[13-14]。具有以下特點(diǎn)，采用混合切削結(jié)構(gòu)(4刀翼+2牙輪)；淺內(nèi)錐設(shè)計(jì)，輔助提高定向能力；優(yōu)化減震齒設(shè)計(jì)，使用抗研磨型齒材；使用鑲齒牙輪金屬密封軸承技術(shù)，延長(zhǎng)軸承壽命。

2 應(yīng)用分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

截止目前，3種型號(hào)混合鉆頭在涪陵工區(qū)累計(jì)使用200余井次，平均每井減少起下鉆4～5趟次，縮短鉆井周期6～7 d。

2.2 應(yīng)用評(píng)價(jià)

鉆頭比能是指鉆頭從井底地層破碎單位體積巖石所需要做的功，鉆頭比能越低，說(shuō)明鉆頭的破巖效率越高，鉆頭使用效果越好[15]。但現(xiàn)場(chǎng)由于起下鉆時(shí)間較長(zhǎng)，因此鉆頭選型不僅要考慮鉆速，而且要兼顧進(jìn)尺，以減少起下鉆次數(shù)，由于比能法未考慮鉆頭進(jìn)尺因素，評(píng)價(jià)不夠全面。因此，為綜合考慮比能和進(jìn)尺，以鉆頭鉆進(jìn)每米進(jìn)尺消耗的比能作為鉆頭的評(píng)判選擇依據(jù)，以真正反映鉆頭的進(jìn)尺和使用效果。基于常規(guī)鉆頭及混合鉆頭的使用數(shù)據(jù)，通過(guò)比能算法得到鉆頭比能，比能/進(jìn)尺值越小表明該鉆頭應(yīng)用效果越佳。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 鉆頭比能/進(jìn)尺統(tǒng)計(jì)Table 2 Bit specific energy/footage statistics

3 結(jié)論

針對(duì)二期目的層垂深較深，裸眼井段長(zhǎng)，存在摩阻扭矩大、部分地層可鉆性較差的特點(diǎn)，基于混合破巖理論，優(yōu)選了適合涪陵頁(yè)巖氣二期復(fù)雜地層的混合鉆頭，提高了機(jī)械鉆速及鉆頭進(jìn)尺，形成了針對(duì)平橋區(qū)塊小河壩組及龍馬溪組濁積砂難鉆地層和大三維井定向復(fù)雜工況的有效解決方案。為二期產(chǎn)建鉆井提速提效提供了技術(shù)保障。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用，客觀地反映了混合鉆頭的應(yīng)用效果，相比常規(guī)鉆頭技術(shù)，提速效果顯著。12in KPM1633DST系列抗研磨性、高效定向混合鉆頭及8in KPM1642ART系列硬質(zhì)定向混合鉆頭，已在涪陵頁(yè)巖氣井田全面推廣應(yīng)用。

通過(guò)比能法對(duì)混合鉆頭進(jìn)行了應(yīng)用評(píng)價(jià)，技術(shù)指標(biāo)全面超越常規(guī)鉆頭，應(yīng)用效果顯著，能夠滿足平橋區(qū)塊小河壩組及龍馬溪組濁積砂難鉆地層和大三維井定向復(fù)雜工況的使用要求。