川西須家河組三段非均質性地層鉆頭研選及優化

胡大梁，鐘敬敏，趙雯，伍代金

1.中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院（四川德陽 618000）

2.中國石油青海油田分公司采氣二廠技術中心（甘肅敦煌 736202）

3.中石化江鉆石油機械有限公司（湖北 武漢 430200）

四川盆地須家河組具有大面積含氣特征，是致密砂巖氣藏勘探開發的主要層系之一，目前已相繼發現了新場、廣安、合川、通南巴等多個大中型氣田。其中川西新場氣田須家河組氣藏位于川西坳陷中北段，探明儲量1 250×108m3，2020年以來部署實施的X8-2 井、SH201、SH204 井相繼獲高產工業氣流，最高無阻流量246×104m3/d，證實了氣藏具有良好的開發前景[1-2]。針對一直以來制約氣藏效益開發的深部地層可鉆性差、研磨性強、機械鉆速低的問題，在XH8-5 井開展鉆井提速試驗，通過研選高效PDC 鉆頭，開展鉆頭結構優化改進，單趟鉆進尺比優化前增加1.6 倍，基本解決須三段非均質軟硬交錯地層的鉆井提速難題。

1 須家河組三段巖石力學特征及鉆井難點

川西須家河組深井自上而下鉆遇第四系、蓬萊鎮組、遂寧組、沙溪廟組、千佛崖組、白田壩組和須家河組，其中須家河組埋深約為2 700～5 300 m，厚度2 800 m 左右，分為須五段、須四段、須三段和須二段，須二段為主要目的層。須三段埋深3 850～4 750 m，厚度約為800～900 m，巖性為淺灰、灰色中粒巖屑（石英）砂巖、細粒巖屑（石英）砂巖、粉砂巖與灰黑色頁巖、炭質頁巖、粉砂質頁巖略等厚互層夾泥質粉砂巖及黑色煤層（線），如圖1 所示。采集須三段巖心樣品開展巖石力學參數實驗，包括抗張強度實驗、巖石壓縮實驗、點載荷實驗以及微可鉆實驗[3-6]。實驗結果表明，須三段巖石密度2.56～2.65 g/cm3，抗張強度9.1～10.1 MPa，泊松比0.21～0.32，抗壓強度81～219 MPa，平均值約157 MPa，在施加圍壓55 MPa條件下，抗壓強度達到392 MPa，巖石軟硬交錯變化頻率非常高。根據三軸抗壓實驗中抗壓強度和圍壓的關系，利用應力莫爾圓來求取內聚力和內摩擦角，巖石內摩擦角一般在39°～46°。微鉆時實驗結果顯示，須三段可鉆性級值5.9～7.6，屬于中硬-硬地層。

圖1 須三段地層可鉆性剖面圖

前期完鉆井實鉆資料表明，由于須三段地層軟硬交錯、非均質性強、可鉆性差，頁巖和砂巖地層對鉆頭特性要求不同，導致鉆頭選型困難，鉆頭型號多樣，應用效果參差不齊。如X8-3 井須三段鉆厚908 m，使用5 種型號9 只鉆頭，平均單趟進尺100.8 m；SH101 井須三段鉆厚850 m，使用4 種型號8 只鉆頭，平均單趟進尺106.3 m，均存在進尺短、趟數多的問題。

2 鉆頭選型及應用效果分析

XH8-5 井是部署在川西坳陷新場構造的一口水平井，以須家河組為主要目的層，設計井深5 738 m，水平段長788 m，設計三開制井身結構，一開Φ444.5 mm 鉆頭鉆至下沙溪廟組頂部，封隔蓬萊鎮組和上沙溪廟組低壓采空區，井深2 500 m 左右；二開Φ311.2 mm 鉆頭鉆至須三段中部，封造斜點之上30 m 地層，井深4 320 m 左右；三開Φ215.9 mm 鉆頭鉆至設計井深，下入Φ139.7 mm套管射孔完井。

2.1 鉆頭選型及關鍵特征

三開造斜段鉆遇地層主要為須三段，巖性以砂巖和頁巖為主，夾有煤層，具有硬度高、可鉆性差的特點。針對地層巖性特點，首先考慮耐磨性，其次是攻擊性，優選V616型PDC鉆頭（圖2），它采用6刀翼16 mm 切削齒，雙排布齒，6 個主刀翼布置后排齒；肩部易磨損區域采用360°可旋轉切削齒，保持鉆頭邊緣的鋒利度，實現高研磨性地層的持續高效破巖，防泥包噴嘴設計，加強對切削齒的冷卻。備選JSD1662型PDC 鉆頭，6 刀翼16 mm 齒，應用復合片超深脫鈷技術，耐磨性提高30%；采用低應力布齒技術，模擬PDC齒穿越硬夾層的受力峰值狀況，優化后傾角和布齒密度，降低穿夾層時單齒受力峰值，關鍵部位切削齒承擔的鉆壓及扭矩幅值下降15%。

圖2 V616鉆頭及局部特征圖

2.2 現場應用情況

1）第1趟鉆。2022年11月4日15:00開始鉆進，鉆具組合為Φ215.9 mmV616 鉆頭+Φ172 mmAuto-Trak 旋導工具+無磁承壓鉆桿+Φ172 mm 旋導馬達+Φ127 mm 加重鉆桿1 根+回壓閥+濾網短節+Φ127 mm 加重鉆桿2根+旁通閥+Φ127 mm 加重鉆桿2根+震擊器+Φ127 mm 加重鉆桿7 根+Φ139.7 mm 鉆桿，11 月6 日4:40 鉆進至井深4 390 m 由于鉆時變慢起鉆，鉆進井段4 325～4 390 m，進尺65 m，平均機械鉆速2.47 m/h。

鉆井參數：鉆壓70～170 kN，頂驅轉速為80 r/min，排量35 L/s，泵壓32 MPa。

鉆井液性能：強封堵白油基鉆井液，密度為1.90 g/cm3，黏度68 s，破乳電壓710 V。

2）第2趟鉆。針對上一趟鉆Φ172 mm馬達扭矩不足（最大扭矩11.5 kN·m），鉆頭存在黏滑現象，第2 趟鉆優選Φ172 mm 大扭矩螺桿（最大扭矩19.5 kN·m）配合旋導工具，11月8日6:00開始鉆進，鉆具組合為Φ215.9 mm JSD1662鉆頭+Φ172 mmAutoTrak旋導工具+無磁承壓鉆桿+Φ172 mm 大扭矩旋導馬達+Φ127 mm加重鉆桿1根+回壓閥+濾網短節+Φ127 mm 加重鉆桿2根+旁通閥+Φ127 mm 加重鉆桿2根+震擊器+Φ127 mm加重鉆桿7根+Φ139.7 mm鉆桿，11月9日0:00鉆至井深4 429 m后鉆時由16 min/m左右升至40～50 min/m，調整鉆壓和轉速，鉆時無明顯改善后起鉆。鉆進井段4 390～4 434 m，進尺44 m，平均機械鉆速2.97 m/h。

鉆井參數：鉆壓80～130 kN，頂驅轉速為80 r/min，排量35 L/s，泵壓32 MPa。

鉆井液性能：強封堵白油基鉆井液，密度為1.90 g/cm3，黏度69 s，破乳電壓800 V。

2.3 鉆頭失效特征及原因分析

根據出井情況，V616鉆頭磨損特征主要以崩齒為主，共計13 顆齒發生崩齒，包括12 顆平面齒和1顆旋轉齒，位置集中在鼻部和肩部，復合片邊緣金剛石層呈現明顯剝落；前排主切削齒未見明顯磨損特征，由于前排發生崩齒，導致部分后排齒出現磨損。JSD1662 型鉆頭鼻內錐到鼻肩部1～2 級磨損，肩部崩齒6顆，如圖3所示。

圖3 出井鉆頭磨損情況

綜合以上分析，2 只鉆頭失效的主要特征均為崩齒，分析原因：①須三段地層砂巖和頁巖互層，頁巖硬度低、砂巖硬度高，導致地層軟硬交錯，鉆頭在交界面處由于吃入深度的變化，易發生崩齒；②鉆進時按照強化鉆井參數的技術思路，采用高鉆壓、高轉速、高泵壓、大扭矩、大排量“三高兩大”鉆井參數，在鉆時變慢時進一步強化鉆壓和轉速，如R616 鉆頭在4 356 m 鉆時持續變慢后，鉆壓由100 kN 增大至160～180 kN，導致切削齒受力過大（圖4）；③鉆頭選型不夠合理，2 只鉆頭都是以攻擊性為主，抗沖擊性略有不足。

圖4 鉆壓-鉆時變化曲線

3 基于地質環境因素分析的鉆頭優化改進

3.1 須三段地質環境因素分析

應用有限元軟件建立須三段地應力分析模型，模擬結果表明，不同方向巖石骨架應力差異達35.5%，向最小水平地應力方向鉆進，井底巖石骨架應力高，破巖難度更大，而且井壁巖石更易發生應力崩落掉塊。XH8-5 井須三段骨架應力與X8-3 井相似，比X8-2井高7.3 MPa（13%），見表1。

表1 不同鉆進方位井底巖石骨架應力對比

在地應力作用下，井壁因被地應力擠壓[7]，呈現一定的橢圓特征，沿最小水平應力方向傾斜鉆進時，井筒低邊為橢圓井筒長軸方向，曲率半徑偏小，鉆具靠近井筒低邊并旋轉和滑動時，接觸面積大，摩擦阻力大，不利于鉆壓和扭矩傳遞；XH8-5與X8-3 相似，更偏向最小地應力方向鉆進，鉆進時鉆壓與扭矩傳遞效率相對較低，如圖5所示。

圖5 井眼形狀與鉆柱形態示意圖

巖石可鉆性受礦物組分、粒度、膠結、孔隙度、致密程度等多方面影響，從鉆伽馬值與鉆時變化曲線（圖6）可以看出，隨著伽馬值降低，鉆速變慢，伽馬值大于300對應鉆時15.7 min/m，伽馬值200～300對應鉆時22.7 min/m，伽馬值小于200 對應鉆時27.8 min/m；總體上呈現頁巖鉆速快、砂巖鉆速慢的特點。其中4 662、4 703 m 等井段鉆時特別高，Si 元素含量中等，Ca 和Mg 元素含量明顯偏高，反映了地層有異常膠結物質，鉆頭破巖困難。

圖6 鉆時隨伽馬值變化曲線

3.2 鉆頭優化及改進

針對前期出現的鉆頭崩齒、抗沖擊性和耐磨性不足的問題，結合工程地質環境因素分析結果，認為須三段地層強非均質性地層首要考慮鉆頭的抗沖擊性和耐磨性[8-10]；其次是攻擊性，要求鉆頭具有雙排布齒、力平衡設計、適合定向的結構特點。優選BTS616 型PDC 鉆頭，前排齒配置超耐磨切削齒，采用16 mm+13 mm 齒復配設計，保徑位置采用13 mm 齒，可減小側向扭矩；優化冠部形狀，增加工具面穩定性。對前期使用的KSD1662 鉆頭進行優化改進，針對肩部主切削齒崩齒問題，在肩部前排齒和后排齒設計22顆三棱齒以提高抗沖擊性，鼻部設計16 mm平面齒以保證攻擊性。優化后的KSD1662鉆頭如圖7所示。

圖7 優化后的KSD1662鉆頭結構特征

3.3 現場應用及效果分析

針對前2 趟鉆加大鉆壓后崩齒的問題，利用Surfer模擬軟件建立鉆井參數優化模型，結合鉆速敏感性影響因素分析結果，確定各井段最適宜的鉆井參數，從前期的鉆井參數“剛性強化”發展為“柔性強化”，鉆遇砂巖鉆時變慢后及時降低鉆壓和轉速，頁巖鉆壓100～120 kN、轉速75～80 r/min，砂巖鉆壓70 ～90 kN、轉速60～70 r/min，保證鉆頭平穩穿過夾層，避免發生早期崩齒損壞，如圖8所示。

圖8 鉆壓-轉速與鉆速敏感性關系圖

第3 趟鉆使用優選出的Φ215.9 mmBTS616 鉆頭+Φ172 mmAutotrak Curve 旋導工具+Φ172 mm 低速大扭矩螺桿，2022 年11 月9 日4:00 開始鉆進，11月13 日16:00 鉆至井深4 596 m，由于鉆時變慢起鉆，鉆進井段4 434～4 596 m，鉆壓基本控制在90～140 kN，進尺162 m，平均機械鉆速2.75 m/h。第4趟應用結構優化設計加工的KSD1662 鉆頭，配合Φ172 mmAutotrak Curve 旋導工具+Φ172 mm 低速大扭矩螺桿，11 月14 日22:40 開始鉆進，11 月17 日21:50 鉆至井深4 719 m 由于鉆時變慢起鉆，鉆進井段4 596～4 719 m，鉆壓80～120 kN，進尺123 m，平均機械鉆速2.14 m/h。

通過優化鉆頭結構特征和鉆井參數后，2 趟鉆累計進尺285 m，平均單趟進尺142.5 m，與優化前2趟鉆相比，回次進尺增加160%，同比鄰井進尺增加40%以上，減少起下鉆2～4 趟，出井基本正常磨損，無崩齒現象，表明優化后的PDC 鉆頭和鉆井參數基本能夠解決須三段非均質地層的鉆頭崩齒和進尺短問題。

4 結論

1）川西須三段地層砂巖和頁巖互層，非均質性強、軟硬交錯、砂巖地層研磨性強、鉆頭切削齒吃入困難，鉆頭設計和選型首要考慮因素是抗沖擊性和耐磨性，其次是攻擊性，正常鉆進時過高的鉆壓和轉速易導致鉆頭提前損壞。

2）對于須三段非均質性地層，推薦選用6刀翼、切削齒16/13 mm、雙排布齒、肩部采用抗沖擊齒型設計的PDC 鉆頭；鉆進時適合采用鉆井參數柔性強化的方式，根據巖性和鉆時變化實時調整參數，避免鉆頭崩齒，有利于延長鉆頭使用壽命。