哈拉哈塘地區深井PDC鉆頭優選技術

陶思才，楊 坤，趙 通，張 楊

（1.川慶鉆探公司塔里木工程公司，新疆庫爾勒841000；2.西南石油大學石油工程學院，四川成都610500）

哈拉哈塘地區深井PDC鉆頭優選技術

陶思才*1，楊 坤1，趙 通1，張 楊2

（1.川慶鉆探公司塔里木工程公司，新疆庫爾勒841000；2.西南石油大學石油工程學院，四川成都610500）

針對塔北哈拉哈塘油田深井構造特征,利用鉆井、測井和實驗室資料等對哈拉哈塘區塊的巖石可鉆性和PDC鉆頭選型進行了研究，得出地層的PDC鉆頭可鉆性級值、硬度、抗壓強度、抗剪強度和研磨性等力學參數,建立了哈拉哈塘區塊可鉆性剖面，對區塊部分完鉆井鉆頭使用情況進行分析,并結合可鉆性剖面優選了PDC鉆頭。通過現場試驗取得了良好的效果，證明優選的鉆頭經濟實用,能夠有效提高機械鉆速。

PDC鉆頭優選；可鉆性；機械鉆速；深井；哈拉哈塘地區

塔北哈拉哈塘油田油層埋藏深，地質情況較為復雜。該區地層自上而下主要為第四系、新近系、古近系、白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系、泥盆系、志留系、奧陶系，部分區塊地層存在缺失。該區塊上部地層可鉆性較好、但地層傾角較大，鉆井中易導致井斜；下部地層巖石硬度大，可鉆性較差，實鉆資料也顯示該區塊二疊系及以下地層機械鉆速低，鉆井周期長。因此嚴格控制井斜、確保井眼質量，提高機械鉆速指標，是該區鉆井工作的重要任務。在鉆井施工中，若能預測并建立整個區塊的可鉆性剖面，并根據可鉆性剖面優選鉆頭，對于提高鉆井速度、降低鉆井風險、節約鉆井成本都具有重要的意義。

1 哈拉哈塘區塊地層可鉆性剖面的建立

1.1 巖芯巖石力學參數的室內測定

試驗與研究表明，測井資料可較好地體現巖石的物理機械力學特性。地層的橫波時差反映了地層的剪切變形特性，地層的縱波時差反映了地層的拉伸和壓縮變形特性及強度特性，因此巖石的縱橫波時差必然能反映出巖石的力學特性，由估算縱橫波時差的散射模型理論知：巖石的縱波時差ΔTp和泥質含量Vcl(與自然伽馬值有關)是影響巖石橫波時差最主要、最直接的因素，而且從理論來講，從常規測井資料中得到的ΔTp和自然伽馬值必然和巖石力學特性有內在的聯系[1]。

為了找出巖石力學特性參數與縱波時差和自然伽馬值的內部聯系，收集了哈拉哈塘區塊幾口典型井的測井和錄井資料，并對這些井10塊不同深度、不同層位、不同巖性等具有廣泛代表性的巖芯，在實驗室內分別測定了它們的PDC鉆頭可鉆性、硬度、單軸抗壓強度、研磨性、抗剪強度等特性參數。巖石可鉆性采用采用巖石可鉆性測定儀進行測定，硬度采用用史立涅爾圓柱壓入法進行測定，抗壓強度和抗剪強度在巖石抗壓抗剪試驗機上進行測定[2]。巖芯實驗結果見表1。

1.2 哈拉哈塘區塊鉆井巖石力學特性參數預測模型及可鉆性剖面的建立

我們對上述巖樣的各項巖石力學特性參數與縱波時差和自然伽馬值的關系作散點圖并進行相關性分析，根據《現代統計分析方法與應用》中的相關系數理論[3]，得出巖石的各項抗鉆特性與縱波時差有顯著的線性關系，而與自然伽馬值則沒有明顯的線性關系。

因此，以縱波時差ΔTp為自變量，分別以PDC鉆頭可鉆性級值Kdpdc、硬度Kh、研磨性ω、單軸抗壓強度Kc、抗剪強度Kv為因變量，按直線函數、冪函數、對數函數、指數函數和多項式模型進行回歸分析，按數理統計中的單因素方差分析理論，以相關系數R、標準差S和統計檢驗值F為判斷標準，對回歸結果進行分析驗證，最后選擇最優擬合曲線。

根據上述方法我們得到了哈拉哈塘區塊鉆井巖石力學特性參數與測井聲波時差的關系（見表2）。

根據上述研究成果，基于哈拉哈塘區塊典型井的測井參數，采用逐點處理與解釋，建立了工區地層的可鉆性剖面如圖1所示，由圖可知：二疊系玄武巖可鉆性差，泥盆系、志留系含石英砂巖層段研磨性強，與這些層段機械鉆速較低、鉆頭損傷較嚴重等實際情況相符合。根據該油田可鉆性測定值范圍及其分布規律預測，結合大量鉆頭統計資料可以確定地層可鉆性級別與鉆頭類型之間的對應關系[4]?；跍y井資料求得的巖石可鉆性級值、研磨性參數值與巖石力學試驗結果和現場實鉆資料對比，符合度較高，驗證了計算模型的正確性，研究成果可滿足工程應用，具有一定的實用價值。

表1 哈拉哈塘區塊試驗巖芯測井與錄井原始數據與巖芯實驗結果

表2 哈拉哈塘區塊巖石力學特性參數與測井聲波時差的關系

2 PDC鉆頭優選

2.1 哈拉哈塘區塊鉆頭優選難點

根據該區塊實鉆資料、巖芯室內試驗結果以及區塊巖石可鉆性剖面圖，總結出哈拉哈塘區塊鉆頭優選的難點為：

（1）三疊系泥巖膠粘性很強，地層夾層較多，且含礫砂巖對PDC鉆頭具有較大破壞性，鉆頭選型困難；

（2）二疊系至石炭系上部地層巖性致密、抗壓強度高，間雜含有礫巖，且在二疊系存在火成巖，可鉆性差，PDC牙齒不易吃入，易造成PDC鉆頭切削齒崩壞；

（3）二疊系以下含鈣質礫巖井段，泥盆系、志留系細砂巖，志留系含石英砂巖，研磨性強，常規PDC鉆頭在高研磨性地層鉆進使用壽命短，機械鉆速低，起下鉆頻繁。

2.2 哈拉哈塘區塊鉆頭優選思路

鉆頭的選擇與使用原則是：選擇適應地層硬度、抗壓強度和地層可鉆性的鉆頭型號，使鉆頭的鉆速和進尺達到最高，綜合鉆井成本降到最低。以地層巖石可鉆性剖面作為PDC鉆頭優選的主要標準，并結合抗壓強度等巖石力學特性參數和已鉆井各地層鉆頭使用效果，對研究工區PDC鉆頭進行優選[5]。

（1）一開?406.4mm井段以粘土、砂泥巖為主，地層可鉆性好，因此優選19mm5刀翼適用于快速鉆進的鋼體鉆頭STS915K（可使用牙輪開眼）。

（2）二開?241.3mm新近系—三疊系井段鉆進中裸眼段長，鉆遇地層多，針對侏羅系、三疊系地層夾層較多，鉆頭選型困難，三疊系以泥巖為主，易造成PDC鉆頭泥包的特點，故宜優選采用防泥包設計的19mm大復合片5刀翼的鋼體鉆頭：STS915K、SF56H3、SP1935L、CKS605Z，與常規PDC鉆頭相比，這些鉆頭攻擊性更高、適合于快速鉆進。

（3）針對二開?241.3mm二疊系—石炭系上部泥巖井段地層巖石性硬、脆，且在二疊系存在火成巖，PDC鉆頭在此層段使用效果較差，常規鉆進需用2～3只牙輪鉆頭的現狀，試用扭力沖擊器+專用鉆頭U513M，與常規鉆井技術相比，扭力沖擊器可將鉆井液的流體能量轉換成頻率高且穩定均勻的扭向沖擊能并直接傳遞到PDC鉆頭，使得PDC鉆頭上有轉盤提供的扭力和扭力沖擊器提供的扭向沖擊力2個力來切削地層，實現高效破巖，提高機械鉆速和鉆井效率。

圖1 哈拉哈塘區塊巖石可鉆性剖面

（4）針對二開?241.3mm二疊系以下井段（石炭系—中完井深或造斜點）鉆進中常規PDC鉆頭鉆進壽命短，機械鉆速低的特點，優選采用16mm復合片5刀翼（3主刀翼和2輔刀翼）強化保徑的鋼體鉆頭：FX55sX3、FX55DX3、STS615K、SP1635L、CK505 (D)。其中，優選的FX55sX3和FX55DX3通過調整刀翼角度和布齒密度，具有更高的攻擊性、較強的抗研磨及抗沖擊能力。

（5）三開?171.5mm井段以灰巖為主，可鉆性中等，根據該區鉆頭統計資料，優選采用13mm主切削齒6刀翼，具有高抗研磨性和熱穩定性的PDC鉆頭M1365D或CK406D。

2.3 哈拉哈塘區塊鉆頭優選結果

根據優選思路，得出了適合哈拉哈塘區塊不同層位的鉆頭型號（見表3）。

表3 鉆頭優選結果

3 現場試驗與應用效果分析

優選的PDC鉆頭在哈拉哈塘油田部分井進行了現場試驗，取得了較好的應用效果。

3.1 ?241.30mm PDC鉆頭STS915K試驗情況

在H802-1井新近系—三疊系井段試驗?241.30mm PDC鉆頭STS915K，實現總進尺4101m，機械鉆速13.38m/h。圖2為H802-1井與鄰井鉆頭使用情況對比圖。由圖2可知，與區塊鄰井同地層單只鉆頭平均進尺為1774.79m相比，提高了131.1%，區塊鄰井同地層平均機械鉆速為8.72m/h，同比提高了53.44%。試驗結果表明該系列鉆頭非常適合在該地層鉆進。大大節省了鉆井周期和鉆頭費用。

圖2 H802-1井?241.30mm PDC鉆頭（STS915K）與鄰井鉆頭使用情況對比圖

3.2 扭力沖擊器+?241.30mm專用PDC鉆頭試驗情況

在Q2井和H121-2井二疊系—石炭系上部井段試驗扭力沖擊器配合?241.30mm專用PDC鉆頭U513M鉆進，實現一趟鉆穿二疊系，并獲得較高機械鉆速。圖3為Q2、H121-2井扭力沖擊器+?241.30mm專用PDC鉆頭與鄰井鉆頭使用情況對比圖。由圖可知，Q2井獲單只鉆頭進尺757m，機械鉆速3.8m/h，H121-2井獲單只鉆頭進尺439m，機械鉆速3.72m/h，與區塊鄰井相比，節約2～3趟鉆。與區塊同地層單只鉆頭平均進尺202.89m和區塊同地層平均機械鉆速1.80m/h相比，提速效果明顯，節省了鉆井周期和鉆頭費用。

圖3 Q2、H121-2井扭力沖擊器+?241.30mm專用PDC鉆頭與鄰井鉆頭使用情況對比圖

3.3 ?241.30mm FX55X3系列PDC鉆頭試驗情況

3.3.1 Q2井與H121-2井試驗情況

自石炭系開始試驗?241.30mmPDC鉆頭FX55sX3常規鉆進。實現兩只鉆頭鉆至中完井深（或造斜點），相比鄰井節約了2～4趟鉆，并獲得了較高的單只鉆頭進尺和機械鉆速。

圖4為Q2、H121-2井241.3mm(FX55sX3)與鄰井鉆頭使用情況對比圖。其中Q2井實現單只鉆頭進尺424.5m，機械鉆速5.09m/h。與區塊鄰井同地層單只鉆頭平均進尺176.3m相比，提高了140.78%，區塊鄰井同地層平均機械鉆速為1.80m/h，同比提高了182.8%。試驗結果表明該系列鉆頭非常適合在該地層鉆進。

圖4 Q2、H121-2井241.3mm(FX55sX3)與鄰井鉆頭使用情況對比圖

3.3.2 RP7004井與XK5002井試驗情況

在RP7004井和XK5002井二疊系以下井段試驗241.3mmFX55DX3和FX55sX3，它們都是3個主刀翼、2個副刀翼設計，具有更強的攻擊力和較高的穩定性。如圖5所示，RP7004井FX55DX3和FX55sX3平均進尺是鄰井平均進尺的2.92倍，平均機械鉆速是鄰井平均機械鉆速的1.78倍；XK5002井FX55DX3進尺是鄰井平均進尺的2.95倍，機械鉆速是鄰井平均機械鉆速的1.40倍。這大大節省了鉆井周期和鉆頭費用。

圖5 RP7004井、XK5002井241.3mm(FX55sX3、FX55DX3)鉆頭與鄰井鉆頭使用情況對比

4 結論 （1）利用測井資料建立了研究工區的地層可鉆性剖面，并根據該區塊的鉆頭實際使用資料，優選出了與地層特性相適應的PDC鉆頭。

（2）通過PDC鉆頭優選，將優選的鉆頭在哈拉哈塘油田進行試驗，取得了較好的應用效果，新近系—三疊系井段單只鉆頭平均進尺較區塊鄰井同地層提高了131.1%，平均機械鉆速比區塊鄰井同地層提高了53.44%；在二疊系井段實現了一趟鉆鉆穿二疊系，比區塊鄰井節約2～3趟鉆，提速效果明顯；二疊系以下地層至中完井深（或造斜點）單只鉆頭平均進尺較區塊同地層提高140.78%，機械鉆速較區塊平均機械鉆速提高182.8%。成功解決了三疊系底部、二疊系及以下地層機械鉆速慢、單只鉆頭進尺短的問題。

（3）建議結合區塊各試驗鉆頭的實鉆情況，繼續開展新型鉆井提速工具的優選與試驗，以進一步提高鉆井速度，實現優快鉆井。

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TE922

A

1004-5716(2015)08-0074-05

2014-08-25

陶思才（1965-），男（漢族），四川廣安人，高級工程師，現從事鉆井工程的管理和科研工作。