川東北高磨砂巖地層高效PDC鉆頭個性化設計
——以五寶場沙溪廟地層為例

榮 準, 鄧 旭, 張 琦, 陳鵬舉, 姚建林, 張 楊， 顏 爽

1中國石油西南油氣田分公司川東北氣礦 2成都理工大學能源學院 3中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院

0 引言

五寶場構造位于四川東北部大巴山構造帶,沙溪廟組沙二段儲層致密砂巖氣豐富，氣藏埋深約2 000 m。由于沙二段儲層巖性復雜，地層強度高且研磨性強，鉆井過程中普遍出現鉆速低、鉆頭磨損快等問題，給鉆井作業帶來了巨大的挑戰[1]。區域內W006- 1-H1井水平段長645 m，耗費PDC鉆頭6只；W004- 1-H1井水平段長1 647 m，進入水平段后共耗費PDC鉆頭13只，同時頻繁起下鉆、等待及更換鉆頭導致非生產時間過長，進一步制約了兩口井的鉆井提速。對比同樣以沙二段為目的層的八角場區塊，其平均完鉆周期卻僅為五寶場區塊的1/5，甚至更短。因此，亟待針對五寶場區塊沙二段儲層巖性特征，研發高效個性化鉆頭，提高鉆頭攻擊性及抗磨性，縮短鉆井周期，降低開發成本。

大量研究表明，根據鉆井實際需求，基于地層與鉆頭的匹配性和適用性進行鉆頭個性化設計，可以有效提高機械鉆速并縮短作業周期[2- 3]。李貴賓等[4]基于大港油田地層特征設計的個性化鉆頭，使鉆井機械鉆速提高了20%以上。王文等[5]針對秋林區塊砂泥互層問題優選出的鉆頭，使全井平均機械鉆速提升57.1%，平均鉆井周期減少46.4%～49.7%。

本文針對五寶場區塊鉆頭磨損快、鉆井周期長等難題，通過研究五寶場沙二段地層巖石特征，并結合現場鉆頭的使用情況，設計一款適用于川東北高研磨性地層的高效PDC鉆頭，并進行現場試驗，以指導該區域鉆頭設計。文章研究成果對其他區塊個性化PDC鉆頭設計及相似地層的鉆井提速研究都具有一定的參考價值。

1 五寶場沙二段地層巖石特征

1.1 儲層巖石礦物組分

通過對W004- 1-H1井的不同井深返出巖屑開展礦物組成進行分析，發現五寶場沙二段儲層中超過80%的巖屑中石英含量超過50%，部分井段高達70%，加之地層含有1%～7%的硅質膠結物，因此五寶場沙二段儲層整體表現出高研磨性的特點。

1.2 儲層巖石強度

表1為W006- 1-H1井沙二段取心巖樣的三軸巖石力學實驗的結果。實驗中設置上覆巖層壓力44～46 MPa、圍壓35～36 MPa，孔隙壓力20 MPa，測得平均地層抗壓強度為409 MPa，楊氏模量52 GPa，由此可見，五寶場沙二段地層巖石強度整體較高。此外，實驗過程中觀察到高圍壓下巖石表現出一定的塑性特征，但整體呈脆性破壞。

表1 W006- 1-H1井三軸巖石力學實驗結果

1.3 儲層抗鉆特性分析

基于五寶場區塊已鉆老井的測井數據，根據計算出鉆遇地層的單軸抗壓強度(UCS)[6]和Cerchar研磨性指數(CAI)[7]：

(1)

CAI=-0.05+0.03UCS-8×10-4vp+0.08E

(2)

式中:c0—巖石內聚力，MPa；φ—巖石內摩擦角，(°)；vp—地層縱波時差，m/s；E—地層彈性模量，GPa。

巖石內聚力c0，內摩擦角φ，彈性模量E和動態泊松比νd同樣根據聲波測井曲線計算[7- 8]:

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:ρ—巖石密度,g/cm3；Vcl—地層泥質含量,%。

表2計算結果表明，五寶場構造沙二段儲層單軸抗壓強度(UCS)普遍100～200 MPa，平均約155 MPa；Cerchar研磨指數(CAI)2.0～6.0，平均約4.2。與相鄰區塊典型井計算結果相比，可發現五寶場區塊沙二段地層高強度、磨性強。

表2 五寶場區塊老井與相鄰區塊典型井抗壓強度、研磨指數部分計算結果

2 現場鉆頭使用情況分析

對五寶場區塊新鉆的W006- 1-H1井和W004- 1-H1井水平段PDC鉆頭使用情況及對應地層巖性如表3、表4所示。整體上，出井PDC鉆頭主要的損傷類型為磨損，而切削齒的損傷類型主要包括：平滑磨損、表面剝落和掉齒。

表3 W006- 1-H1水平段?215.9 mm鉆頭使用統計

表4 W004- 1-H1水平段?215.9 mm鉆頭使用統計

圖1為W006- 1-H1井水平段出井的NOV TK59和哈里伯頓SPEE55五刀翼鉆頭照片及鉆時記錄，新入井時鉆頭初始鉆時較低，入井后鉆頭鉆時逐漸增加，反映出鉆頭逐漸磨損；同時鉆頭切削齒基本磨平，其中鼻部與肩部切削齒表面有裂痕、溝槽等明顯的磨損痕跡；除磨損外，部分切削齒表面剝落，可推斷鉆頭在井下振動劇烈，導致側向沖擊載荷過大，因而損傷切削齒表面。結合前文計算出的該地層特征參數、鉆頭磨損可知，主要是由于地層的強研磨性造成的。由于PDC斧型齒相對常規齒有較好的抗磨性和抗沖擊性[8]，因此在該地層的鉆頭設計中應考慮使用斧型齒。

圖1 W006- 1-H1井TK59(上)和SPEE55(下)鉆頭出井照片及鉆時記錄

圖2為W004- 1-H1井水平段第2趟和第3趟鉆頭的出井照片。如圖2所示，六刀翼鉆頭切削齒以磨損為主；而五刀翼鉆頭切削齒有明顯的表面剝落、斷裂；同時六刀翼鉆頭出井新度明顯高于五刀翼鉆頭，且進尺更大。因此在沙二段儲層中，應考慮選用六刀翼以上PDC鉆頭，以提高鉆頭的穩定性，進而提高鉆頭進尺。

圖2 W004- 1-H1井Smith六刀翼鉆頭(左)和瓦銳五刀翼鉆頭(右)出井照片

此外，兩只PDC鉆頭的肩部切削齒普遍磨損嚴重，而內錐處的切削齒新度則相對較高，這是由于在鉆遇沙二段儲層時，鉆頭肩部切削齒運動速度更快，切削巖石量更大，導致磨損更明顯。因此在設計PDC鉆頭時，應考慮肩部雙排布齒，增加外肩布齒密度，提高鉆頭抗磨性，同時采用淺錐面，改善肩部和內錐PDC切削齒磨損不同步問題，同時增加鉆頭對攻擊性。

3 高效個性化PDC鉆頭設計

3.1 鉆頭切削齒選擇

由于W004- 1-H1井出井鉆頭肩部齒磨損嚴重，內錐及保徑齒相對完整，因此，肩部齒應選擇高端材質PDC齒，內錐及保徑齒使用常規材質即可。齒形同樣對切削齒抗磨性及破巖效率有較大的影響。Fang等[9]通過PDC切削齒測試系統(VTL立車)，比較了常規圓齒、尖圓齒和斧形齒的相對抗磨性，其中斧型齒抗磨性最好；同時開展了PDC常規齒、尖圓齒和斧型齒可鉆性實驗，來研究不同齒形的破巖效率。結果表明，尖圓齒破巖效率最高，斧型齒次之，常規圓齒最末。綜合考慮沙溪廟儲層高研磨性的特點，切削齒應兼顧破巖效率和抗磨性，因此，建議加裝斧型齒。

3.2 鉆頭整體設計方案選擇

基于上述鉆頭設計思路，考慮不同刀翼數量、內錐角、刀翼螺旋角、冠頂半徑等設計參數，共生成個性化PDC鉆頭設計方案6種(六、七、八刀翼PDC鉆頭各兩種)。

運用相關理論模型[10- 11]，考慮井底巖石力學性質、地應力狀態；鉆頭直徑、保徑長度、刀翼剖面、不同布齒方案，包括不同切削齒位置坐標、后傾角、側傾角等，以及鉆頭轉速、鉆速等參數，開展鉆頭與地層互作用模擬，計算不同設計鉆頭所需的鉆壓、鉆頭扭矩和不平衡力等。

根據W006- 1-H1井和W004- 1-H1井實際工況，取垂深1 600 m，井斜88°，方位角222°，鉆井液密度1.2 g/cm3，頂驅轉速60 r/min、螺桿轉速120 r/min。所用巖石力學參數(來源：聲波測井解釋，沙二段三軸實驗)和井眼相關參數(來源：W004- 1-H1鉆井設計)如表5所示。圖3～圖5為不同鉆頭設計方案與地層互作用力學模擬后得到的不同鉆速下鉆頭所需的鉆壓、扭矩及不平衡力大小。

表5 模擬相關參數

圖3 設計鉆頭機械鉆速與鉆壓關系曲線

圖4 設計鉆頭機械鉆速與扭矩關系曲線

圖5 設計鉆頭機械鉆速與不平衡力關系曲線

由圖3～圖5所示，當機械鉆速在2～4 m/h之間時，六刀翼鉆頭需要的鉆壓相對較小，但不平衡力也相應較大；而八刀翼鉆頭所需鉆壓最大，但不平衡力較小。根據現場經驗鉆頭不平衡力過大易導致切削齒側向沖擊過大，造成切削齒掉齒、表面剝落等情況。因此，綜合考慮以上6種設計方案，為兼顧鉆頭穩定性和機械鉆速，最終采用方案4的七刀翼PDC鉆頭，該鉆頭在相同鉆壓下易獲得較高鉆速，且不平衡力整體較小。鉆頭設計模型如圖6所示。

圖6 采用的七刀翼PDC鉆頭設計模型圖

該鉆頭采用七刀翼(三長刀翼+四短刀翼)PDC復合片切削結構設計，按照淺內錐平冠型設計，且鉆頭內錐使用PDC斧型齒，提高鉆頭對地層攻擊性；鉆頭外肩部使用深脫鈷耐磨型復合片，且長刀翼采用雙排布齒，短刀翼肩部采用抗沖節設計，強化鉆頭外肩抗磨性；采用強化保徑設計，增加鉆頭在研磨地層保徑強度，同時，采用微型噴嘴設計，適應旋導高壓降鉆進需求。

4 現場應用

設計鉆頭(型號CAS7135HDC)在W004- 1-H1井開展了現場試驗，鉆進井段2 673～2 878 m,見表4中第9趟鉆，底部鉆具組合采用旋轉導向工具，同時根據模擬結果及該區塊鉆井資料，推薦施工參數：鉆壓12～16 kN，頂驅轉速75～90 r/min，排量28～35 L/s。試驗結果表明，該鉆頭進尺高達205 m，機械鉆速高達3.7 m/h，相對于該井使用的其他鉆頭(表4)，平均單只鉆頭進尺提高69%，平均機械鉆速提高68%，提速效果明顯，出井鉆頭照片如圖7所示。

圖7 所研鉆頭出井照片

隨后又下入該型號鉆頭兩只，見表4中第11、12趟鉆，平均機械鉆速為3.48 m/h和3.80 m/h，機械鉆速表現仍較好。然而相對于趟鉆9，該兩只鉆頭進尺有所降低，分別為134 m和175 m，其原因在于該兩只鉆頭使用螺桿鉆進而非旋轉導向工具，螺桿彎角造成鉆頭肩部磨損加劇，導致提前起鉆。

5 結論

(1)五寶場區塊沙二段儲層石英含量普遍高達50%，部分井段高達70%，且地層硅質膠結，致使地層研磨性強；平均地層抗壓強度為409 MPa，楊氏模量52 GPa；單軸抗壓強度(UCS)平均155 MPa，Cerchar研磨指數平均4.2，地層的高強度和強研磨性導致鉆頭吃入地層能力普遍較差，鉆頭磨損快。

(2)基于儲層巖石特征和現場出井鉆頭損傷特征分析，開展個性化PDC鉆頭設計、設計鉆頭與地層的互作用模擬，預測了設計鉆頭鉆速與鉆壓、扭矩及不平衡力的關系曲線，并以此為依據優選最佳鉆頭設計方案，最終研發出一款更穩定、抗磨性更強的七刀翼PDC鉆頭。在現場應用中，實現了單只進尺205 m，機械鉆速3.7 m/h，平均單只進尺提高69%，平均機械鉆速提高68%，提速效果明顯。