優快鉆井條件下地質錄井技術探討

王許艷

（大慶鉆探工程公司地質錄井一公司，黑龍江 大慶 163411）

石油是我國重要的礦產能源，是我國社會經濟發展的保障型能源。近年來我國油田進入了中后期的開發開采階段，在該階段油田開發開采的難度逐步提高，鉆井工程需要面臨更為復雜的地質環境，傳統鉆井技術已經不能滿足實際的施工需求。PDC鉆頭逐步普及應用，目前我國多數鉆井企業已經普及應用了PDC鉆頭技術，鉆井效率以及鉆井質量進入了全新的階段，但優快鉆井技術也為錄井工作帶來新的問題與挑戰，需要進一步的研究和完善。

1 PDC鉆頭工作原理以及技術優勢

1.1 PDC鉆頭技術優勢

PDC 鉆頭全程聚晶金剛石復合片鉆頭，近年來已經逐步取代了牙輪鉆頭成為了我國鉆井工程的主要破巖鉆頭。相比牙輪鉆頭PDC 鉆頭有著明顯的提速降本優勢，目前已經處于鉆井設備市場的主導地位。PDC 鉆頭最早由CE 公司研發并投入市場，前身為Stratapax 系列石油地質鉆頭產品，經過數十年的不斷完善發展逐步發展為現今使用的PDC鉆頭。

目前我國以頁巖為首的塑性巖層開采項目數量逐步增加，牙輪鉆頭在塑性巖層的鉆進過程中受鉆頭結構原因決定，會在壓持作用下出現井底泥包的現象，導致鉆進效率降低以及設備損壞的問題出現。近年來鉆井中使用的泥漿比重不斷增加，泥包現象造成的問題更為凸顯。該問題一度成為鉆井設備技術攻關的重要方向，許多鉆井設備的生產企業，針對該問題研發設計大量的完善措施但始終收效甚微，直到PDC系列鉆頭的推廣應用，才徹底地解決了該問題。早期的PDC鉆頭極大地解決了泥包問題的出現，同時伴隨PDC切削齒的問世，PDC 鉆頭逐步在多種地層的鉆井中取代了牙輪鉆頭。但受PDC 材料特點決定，dpc 鉆頭硬度以及抗高溫、高壓能力上均弱于牙輪鉆頭，導致在堅硬、研磨類地層的鉆井中仍無法取代牙輪鉆頭。為了更好地發揮PDC鉆頭的優勢和特點，貝克休斯公司率先研發出牙輪與PDC鉆頭相結合的復合型PDC鉆頭，在保留PDC鉆頭諸多技術優勢的同時，也有效地提高了鉆頭硬度以及溫度、壓力的耐受性，提高了鉆頭的應用空間。現推出的復合鉆頭共有兩種設計，一種是小尺寸兩刀翼、雙牙輪鉆頭，另一種為稍大尺寸的三刀翼、三牙輪鉆頭。這些鉆頭的設計基于四刀翼和六刀翼PDC 鉆頭，而副刀翼的位置則被短尺寸的牙輪所替代。這樣，井眼的中心位置是由位于主刀翼上的PDC切削齒完成破巖的，而井眼外圍部分的鉆進由牙輪和刀翼上的切削齒共同完成，井眼外圍部分的破巖難度較高，破巖效果主要取決于牙輪與刀翼的配合。

1.2 PDC鉆頭的工作原理

PDC 鉆頭的核心工作原理就是通過與動力端相連接獲取動力，通過對鉆頭加壓和旋轉，不斷對地面進行切削，最終實現破碎和穿越地層的目的。鉆頭穿越巖層時屬于對巖層進行機械擠壓作業，從本質上看鉆頭將動力端提供的力量通過旋轉的機械作用傳遞至巖層中，導致巖層發生滑移變形碎裂，逐步將巖石轉化為巖屑，這與牙輪型鉆頭的工作原理顯著不同。牙輪型鉆頭主要依靠沖擊力破碎巖石達到穿越的目的，牙輪鉆頭在鉆進過程中產生的巖屑通常體積較大，而PDC鉆頭產生的巖屑則十分細小接近粉末的狀態。因此PDC 鉆頭具有更高的穿越性能以及穿越效率，同時由于使用過程中沖擊力較小，設備承壓較低其使用成本以及使用壽命均優于牙輪鉆頭，同時施工過程中設備穩定性較高，可以有效降低井斜現象的產生。

2 PDC鉆頭對地質錄井效果的影響

2.1 巖屑采集

根據前文所述受PDC 鉆頭的工作原理決定，PDC鉆頭在鉆進過程中會產生大量的粉末狀巖屑，巖屑顆粒粒徑較小，目前鉆井工程中使用的震動篩設備篩布孔隙較大，會造成篩濾時大量的細小巖屑流失，導致巖屑采集量小于真實巖屑產生量，巖屑樣本采集失去意義，達不到巖屑取樣的標準，同時也會對后續錄井工作的精度以及應用效果造成較大的影響，也直接影響了剖面符合率。

2.2 利用鉆井時劃分巖性和地層

在使用牙輪鉆頭時進行鉆井時，一般需要使用相應的測量設備以及傳感器設備對鉆井設備的工作狀態以及地下情況進行全面的監控和測量，根據鉆進中參數變化來判斷巖石性質，并進行地層類型的劃分。但在使用PDC 鉆頭以后，由于鉆頭工作原理不同，鉆進過程中產生的砂、泥、鉆屑等固體顆粒的變化不夠明顯。在使用牙輪鉆頭系列設備時，砂巖鉆時通常在5～10min/m，泥巖則是15～20min/m。使用PDC 鉆頭后，鉆時有了明顯的變化，尤其是帶有螺桿的復合鉆井工程鉆時更是明顯的縮短，因此在使用PDC 鉆頭時，工作人員很難對巖性以及地層情況進行精準的判斷。

2.3 巖屑描述和判別油氣顯示

如前文所述使用PDC 鉆頭鉆井時產生的巖屑粒徑較小，導致錄井中對巖屑信息描述十分困難，工作難度增加。例如某鉆井工程在鉆進施工中，該地層的巖性組合特性為灰色泥巖夾雜灰色粉末以及細砂巖，但在使用PDC鉆頭后，由于PDC鉆頭的深度研磨作用產生的巖屑十分細小，導致兩種巖屑極難通過視覺以及手感直接分辨，為后期的描述工作來帶極大的障礙。

3 優快鉆井條件下地質錄井技術的改進措施

3.1 巖屑撈取和清洗的方式

在使用PDC鉆頭的鉆井錄井工作中，由于PDC鉆頭產生的巖屑較為細小，因此在粗過濾階段應使用最低80目以上的震動篩，從而規避細小巖屑在初篩時流失的可能。在松軟地層的鉆井過程中，有此類地層巖石密度較低巖性較差鉆進過程中容易產生大量的泥漿，錄井工作人員需要在工藝的緩沖槽位置，從泥漿中獲得巖屑進行分析描述。在巖石密度大的超深井鉆井過程中，錄井工作人員一般需要根據震動篩返砂的細節變化來判斷取樣筒的具體位置，因此為了確保錄井描述的客觀性與準確性，鉆井工藝需要確保振動篩可以穩定高效地將巖屑篩選后輸送至取樣筒中，為此每次取樣后，工作人員需要對取樣系統進行清理和恢復，為連續取樣提供環境基礎。

目前我國鉆井工程隊伍中使用的震動篩多數為直面邊緣結構，而多數鉆井隊伍中使用的取樣桶卻為圓形桶，兩種設備的匹配度以及兼容度較低，圓形取樣筒的開口厚度較高，在與振動篩進行連接時無法緊密結合，導致泥漿會從振動篩與取樣筒口之間的縫隙大量流失，導致巖屑取樣失真影響到下一步的描述工作。針對此類情況鉆井施工隊伍應根據自身的工藝現狀，對兩者的兼容度進行優化和完善，使用方形取樣盆，從而讓取樣容器可以和振動篩形成良好的密封，增加取樣器具與振動篩之間的接觸區間，從而最大限度降低取樣過程中泥漿的流失，從而有效地提升真巖屑的收集量。

此外，巖屑的清洗工作中，工作人員也應嚴格按照操作流程進行操作，遵循各項清洗原則。首先在初步清洗中應嚴格控制清洗用水的水壓，避免清洗過程中對巖屑產生較高的沖擊力破壞巖屑結構造成巖屑流失。其次，在水槍的沖洗過程中，要對巖屑不斷地攪拌，逐步清洗雜志還原巖屑原本的顏色，避免靜態沖洗造成巖屑清洗不均的現象發生。最后，在清洗的過程中操作人員應實時地觀察洗砂水顏色變化過程，判斷是否存在疏松砂巖、含油巖屑等物質，減少其流失的可能。

如果在清洗過程中通過對洗砂水的觀察推斷出存在含油巖屑以及疏松砂巖，需要及時終止清洗對巖屑進行分類，其中常規巖屑繼續進行沖洗，疏松砂巖以及含油巖屑則進行沖擊力更小的簡單漂洗，減少清洗巖屑造成的損失。

3.2 提高鉆時可利用性

受PDC鉆頭的破巖原理決定，PDC鉆頭在鉆進過程中由于PDC鉆頭的高研磨特征，鉆進過程中產生的砂、泥巖在鉆時特征都十分模糊難以區分。但PDC鉆頭鉆進過程中返出的巖屑的特征則可以直接反映出地層巖性的相關作用。因此在優快鉆井條件下進行鉆進施工時，需要擺脫傳統工作方法的束縛，充分地考量鉆時巖性以及地層劃分是否存在不適應、不匹配、不精確的情況。在油藏深度較低，成巖沒有受到較強的壓實作用的地層鉆井中，由于地層特點決定鉆頭旋轉阻力較小，機械鉆速高，此時鉆時的參考價值也受到了影響，鉆井過程中產生的巖屑更加粉碎，砂泥巖的特性不夠明顯難以區分。但伴隨油藏深度的不斷增加，巖石在形成過程中受到更大的地層壓力，巖石密度顯著提高，此時使用PDC鉆頭鉆井產生的鉆時則具有鮮明的特點，具有較強的可描述特征。同時地層巖性的變化分界線也能夠從鉆時的突變界線當中展現出其變化細節，顯然此時的鉆時極具備比較明顯的分層參考價值。但在實際鉆進工作當中，工作人員依舊需要根據實際工程中巖屑巖性以及巖石中各類礦物質的組成成分以及參數變化特點，與鉆時充分結合，對巖性和地層的界限進行現場的矯正。

在目前的鉆井施工隊伍中，多數施工隊伍都普及和應用了復合型鉆具，其中以PDC鉆頭和螺桿鉆具組合的復合型鉆具占比最高。螺桿鉆具可以有效提高PDC 鉆頭的機械鉆速，從而提高鉆進效率。以某油田鉆井隊伍為例，該鉆井隊使用的是241.3mmPDC 鉆頭+197mm 的動力鉆具+177.8mm 鉆鋌+240mm 扶正器等[3]。施工井段為1494.86～3 864.25m 之間，機械鉆速為24.47m/h，最終的最大井斜為1.12°，控制效果十分優秀。該技術的最大優勢是可以有效利用機械能量，提高鉆頭的機械效率，在全面提高鉆井效率的同時也有效降低了鉆頭事故的產生可能性。根據相關研究數據表明，該技術在與之匹配的巖層中，相比傳統鉆井工藝，鉆井效率可以提高60%。

4 結束語

PDC 鉆頭以及相關高新鉆井技術的應用，有效地提高鉆井工程的施工效率以及施工質量，但也對巖屑描述以及地層巖性分析的結果帶來了較大的影響。為了確保錄井工作質量，錄井工作人員就必須與時俱進，不斷對工作方法進行整改完善，不斷創新鉆井技術，為地質錄井技術在優快鉆井條件下迅速穩定的發展提供穩定保障。