顧晶 王越之 長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院 434023

輪古地區(qū)鉆頭優(yōu)選技術(shù)研究

顧晶 王越之 長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院 434023

結(jié)合輪古的實(shí)際情況，從利用鉆頭使用資料方面入手開(kāi)展了鉆頭選型的研究與應(yīng)用工作。通過(guò)對(duì)輪古地區(qū)多口井在不同地層使用的鉆頭型號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的高低進(jìn)行對(duì)比，以最優(yōu)鉆速和進(jìn)尺為目標(biāo)對(duì)鉆頭進(jìn)行一個(gè)詳細(xì)的評(píng)價(jià)，結(jié)合輪古油田地層巖石力學(xué)特性參數(shù)計(jì)算結(jié)果，優(yōu)選出適合輪古地區(qū)的鉆頭。

輪古地區(qū)；鉆頭選型；測(cè)井資料；鉆頭資料

鉆頭是破碎巖石的工具，石油鉆井是以鉆頭作為破巖造孔的主要工具的，它的質(zhì)量?jī)?yōu)劣及其與底層、巖性和鉆井工藝條件的舒適程度，直接影響著鉆井速度的高低。鉆頭的選擇主要是從兩個(gè)方面進(jìn)行的，一方面是從巖石的力學(xué)性能入手，尋求與巖石的力學(xué)性能匹配的鉆頭。另方一面是從某地區(qū)已經(jīng)鉆的鉆頭資料入手，分地層對(duì)鉆頭的使用情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，從評(píng)價(jià)的結(jié)果中找出適合該地區(qū)該地層的鉆頭。在對(duì)研究區(qū)塊已用鉆頭綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上結(jié)合輪古地區(qū)地層巖石力學(xué)特性參數(shù)計(jì)算結(jié)果,分層段優(yōu)選出適合該地區(qū)的鉆頭，該方法簡(jiǎn)單易用。

1.輪古地區(qū)基本情況

輪古油田是塔里木盆地輪南古潛山勘探開(kāi)發(fā)一體化油田的簡(jiǎn)稱，屬于油氣滾動(dòng)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。輪古地區(qū)經(jīng)過(guò)幾年持續(xù)勘探，取得了比較豐富的、非常基礎(chǔ)的地層資料與鉆井資料。輪古鉆井井深通常在5500～6000m，全部屬于超深井，而且其地層巖性變化頻繁，因此對(duì)鉆頭選型要求十分嚴(yán)格。

2.對(duì)已用鉆頭的綜合評(píng)價(jià)

首先，從輪古地區(qū)每口井的井史入手，收集了69口井所使用的鉆頭數(shù)據(jù)。對(duì)這些已經(jīng)使用過(guò)的不同類型、不同尺寸的鉆頭按所鉆地層進(jìn)行分類。

然后利用統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)鉆頭使用資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到各類鉆頭的定量使用指標(biāo)，如：機(jī)械鉆速、純鉆時(shí)間、鉆頭進(jìn)尺、每米成本等，根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的高低進(jìn)行對(duì)比，以最低成本為原則，以最優(yōu)鉆速和進(jìn)尺為目標(biāo)對(duì)鉆頭進(jìn)行一個(gè)詳細(xì)的評(píng)價(jià)。

在統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程中, 我們應(yīng)用鉆井成本方程

式中：CPUD—單位深度的鉆井成本；Cb—鉆頭成本；Cr—鉆機(jī)作業(yè)費(fèi)用；tb—鉆頭實(shí)際純鉆時(shí)間；tt，起下鉆和接單根時(shí)間；△D—給定的深度。

按照上面的公式，計(jì)算出每個(gè)地層每種鉆頭的成本，成本最低的就是使用效果最好的鉆頭，評(píng)價(jià)結(jié)果如表1所示。

表1 鉆頭評(píng)價(jià)結(jié)果

3.利用測(cè)井資料計(jì)算地層力學(xué)參數(shù)

巖石力學(xué)參數(shù)包括巖石硬度、巖石抗壓強(qiáng)度、巖石抗剪強(qiáng)度、巖石的可鉆性等。它們反映了巖石抗破碎的特征。鉆頭選型的工作就是選擇與地層類型相匹配的鉆頭，因此地層巖石的力學(xué)性質(zhì)是研究鉆頭選型的基礎(chǔ)。準(zhǔn)確地獲得巖石的力學(xué)性能，將是準(zhǔn)確推薦鉆頭的基礎(chǔ)和前提。

采用測(cè)井資料來(lái)預(yù)測(cè)巖石的強(qiáng)度和可鉆性有它的優(yōu)點(diǎn)，測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)是在地層壓力、溫度及一定的鉆井條件下沿整個(gè)井身剖面逐點(diǎn)進(jìn)行的，因此，由測(cè)井資料得到的巖石動(dòng)態(tài)彈性模量和泊松比包含了地層在鉆井過(guò)程中受到的各種擾動(dòng)，能夠反映巖石強(qiáng)度隨環(huán)境變化而變化的特征。

利用測(cè)井資料計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù),可取得沿整個(gè)井深分布的巖石力學(xué)參數(shù)剖面。根據(jù)彈性波理論,無(wú)限介質(zhì)中縱波和橫波的傳播速度為

式中：

Vp 為縱波速度,m/ s ; Vs 為橫波速度,m/s ;μ d為動(dòng)態(tài)泊松比;ρ為介質(zhì)密度,g/cm3;Ed為動(dòng)態(tài)彈性模量,MPa。

巖石的縱波時(shí)差、橫波時(shí)差、體積密度、自然伽馬值是進(jìn)行一系列計(jì)算的基本數(shù)據(jù)。但一般測(cè)井資料中，缺少橫波、體積密度或其中的某一個(gè)，此時(shí)橫波時(shí)差、體積密度就需要用已知的其它數(shù)據(jù)求出。在求取巖石的各種強(qiáng)度時(shí)還會(huì)用到其他的一些參數(shù)。

利用自然伽馬、補(bǔ)償聲波以及補(bǔ)償密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),計(jì)算,可計(jì)算出以下參數(shù):地層抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、巖石內(nèi)摩擦角、巖石硬度、塑性系數(shù)、泥質(zhì)含量、巖石可鉆性等。

對(duì)收集到輪古地區(qū)的組合測(cè)井中聲波時(shí)差、伽瑪和地層密度資料進(jìn)行處理，參考國(guó)外有關(guān)公司對(duì)計(jì)算公式中有關(guān)“邊界系數(shù)”標(biāo)定，使計(jì)算結(jié)果盡量接近地層實(shí)際的可鉆性力學(xué)參數(shù)。由于輪古地區(qū)上部地層缺乏密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算僅用下部的部分?jǐn)?shù)據(jù)，參加計(jì)算的各井情況如表2。

依照表2，根據(jù)國(guó)內(nèi)外專家對(duì)計(jì)算結(jié)果判斷準(zhǔn)則，當(dāng)抗壓強(qiáng)度大于122MPa，巖石內(nèi)摩擦角大于42度的大段地層建議不使用常規(guī)PDC鉆頭，即使要使用PDC鉆頭，建議進(jìn)行地下巖石樣品的進(jìn)一步分析，并與鉆頭廠家溝通，對(duì)PDC鉆頭切削齒和鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。

表2 利用測(cè)井資料評(píng)估地層力學(xué)參數(shù)的各井情況

由上述準(zhǔn)則可以判斷在該地區(qū)奧陶系不適合用PDC鉆頭，只實(shí)用于牙輪鉆頭鉆井。在石炭系由于只有輪古9井的部分?jǐn)?shù)據(jù)，從計(jì)算結(jié)果看也不適合用PDC鉆頭。該地區(qū)需要進(jìn)一步收集上部地層的測(cè)井資料。

綜合考慮以上分析以及在該區(qū)塊鉆頭實(shí)際使用效果,推薦的鉆頭型號(hào)如表3所示。

表3 鉆頭優(yōu)選結(jié)果

4.結(jié)論和建議

1）、優(yōu)選出與鉆進(jìn)地層相適應(yīng)的鉆頭,一方面可以提高機(jī)械鉆速,另一方面可以減少起下鉆時(shí)間,從而可以節(jié)約鉆井綜合成本；

2）、建立鉆頭數(shù)據(jù)庫(kù)能快速準(zhǔn)確地查出鉆頭數(shù)據(jù)，對(duì)研究鉆頭優(yōu)選方法具有很好的積極作用；

3）、輪古地區(qū)只有在白堊系后使用PDC鉆頭效果較好。過(guò)早使用PDC鉆頭會(huì)造成鉆頭過(guò)早的損傷；

4）、先對(duì)所使用過(guò)的鉆頭進(jìn)行評(píng)價(jià),然后根據(jù)鉆遇地層的巖石力學(xué)特性進(jìn)行鉆頭選型,這樣選出的鉆頭與實(shí)際情況比較符合。

[1] 彭安華.輪古地區(qū)地層特征及認(rèn)識(shí).石油工業(yè)出版社.2007

[2] 何君.塔里木盆地輪古油田勘探開(kāi)發(fā)一體化研究與實(shí)踐. 石油工業(yè)出版社.2007

[3] 劉希圣.鉆井工藝原理.北京：石油工業(yè)出版社.1981

[4] 張厚美，張良萬(wàn)，劉天生.鉆頭選型的方法研究[J].天然氣工業(yè).1994

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.14.014