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(xué)石油工程學(xué)院，四川成都610500）

哈拉哈塘地區(qū)深井PDC鉆頭優(yōu)選技術(shù)

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(xué)石油工程學(xué)院，四川成都610500）

針對塔北哈拉哈塘油田深井構(gòu)造特征,利用鉆井、測井和實(shí)驗(yàn)室資料等對哈拉哈塘區(qū)塊的巖石可鉆性和PDC鉆頭選型進(jìn)行了研究，得出地層的PDC鉆頭可鉆性級值、硬度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和研磨性等力學(xué)參數(shù),建立了哈拉哈塘區(qū)塊可鉆性剖面，對區(qū)塊部分完鉆井鉆頭使用情況進(jìn)行分析,并結(jié)合可鉆性剖面優(yōu)選了PDC鉆頭。通過現(xiàn)場試驗(yàn)取得了良好的效果，證明優(yōu)選的鉆頭經(jīng)濟(jì)實(shí)用,能夠有效提高機(jī)械鉆速。

PDC鉆頭優(yōu)選；可鉆性；機(jī)械鉆速；深井；哈拉哈塘地區(qū)

塔北哈拉哈塘油田油層埋藏深，地質(zhì)情況較為復(fù)雜。該區(qū)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(qū)塊地層存在缺失。該區(qū)塊上部地層可鉆性較好、但地層傾角較大，鉆井中易導(dǎo)致井斜；下部地層巖石硬度大，可鉆性較差，實(shí)鉆資料也顯示該區(qū)塊二疊系及以下地層機(jī)械鉆速低，鉆井周期長。因此嚴(yán)格控制井斜、確保井眼質(zhì)量，提高機(jī)械鉆速指標(biāo)，是該區(qū)鉆井工作的重要任務(wù)。在鉆井施工中，若能預(yù)測并建立整個區(qū)塊的可鉆性剖面，并根據(jù)可鉆性剖面優(yōu)選鉆頭，對于提高鉆井速度、降低鉆井風(fēng)險、節(jié)約鉆井成本都具有重要的意義。

1 哈拉哈塘區(qū)塊地層可鉆性剖面的建立

1.1 巖芯巖石力學(xué)參數(shù)的室內(nèi)測定

試驗(yàn)與研究表明，測井資料可較好地體現(xiàn)巖石的物理機(jī)械力學(xué)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(qiáng)度特性，因此巖石的縱橫波時差必然能反映出巖石的力學(xué)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(zhì)含量Vcl(與自然伽馬值有關(guān))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(guī)測井資料中得到的ΔTp和自然伽馬值必然和巖石力學(xué)特性有內(nèi)在的聯(lián)系[1]。

為了找出巖石力學(xué)特性參數(shù)與縱波時差和自然伽馬值的內(nèi)部聯(lián)系，收集了哈拉哈塘區(qū)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)分別測定了它們的PDC鉆頭可鉆性、硬度、單軸抗壓強(qiáng)度、研磨性、抗剪強(qiáng)度等特性參數(shù)。巖石可鉆性采用采用巖石可鉆性測定儀進(jìn)行測定，硬度采用用史立涅爾圓柱壓入法進(jìn)行測定，抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度在巖石抗壓抗剪試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測定[2]。巖芯實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

1.2 哈拉哈塘區(qū)塊鉆井巖石力學(xué)特性參數(shù)預(yù)測模型及可鉆性剖面的建立

我們對上述巖樣的各項(xiàng)巖石力學(xué)特性參數(shù)與縱波時差和自然伽馬值的關(guān)系作散點(diǎn)圖并進(jìn)行相關(guān)性分析，根據(jù)《現(xiàn)代統(tǒng)計分析方法與應(yīng)用》中的相關(guān)系數(shù)理論[3]，得出巖石的各項(xiàng)抗鉆特性與縱波時差有顯著的線性關(guān)系，而與自然伽馬值則沒有明顯的線性關(guān)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(qiáng)度Kc、抗剪強(qiáng)度Kv為因變量，按直線函數(shù)、冪函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和多項(xiàng)式模型進(jìn)行回歸分析，按數(shù)理統(tǒng)計中的單因素方差分析理論，以相關(guān)系數(shù)R、標(biāo)準(zhǔn)差S和統(tǒng)計檢驗(yàn)值F為判斷標(biāo)準(zhǔn)，對回歸結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證，最后選擇最優(yōu)擬合曲線。

根據(jù)上述方法我們得到了哈拉哈塘區(qū)塊鉆井巖石力學(xué)特性參數(shù)與測井聲波時差的關(guān)系（見表2）。

根據(jù)上述研究成果，基于哈拉哈塘區(qū)塊典型井的測井參數(shù)，采用逐點(diǎn)處理與解釋，建立了工區(qū)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(qiáng)，與這些層段機(jī)械鉆速較低、鉆頭損傷較嚴(yán)重等實(shí)際情況相符合。根據(jù)該油田可鉆性測定值范圍及其分布規(guī)律預(yù)測，結(jié)合大量鉆頭統(tǒng)計資料可以確定地層可鉆性級別與鉆頭類型之間的對應(yīng)關(guān)系[4]?；跍y井資料求得的巖石可鉆性級值、研磨性參數(shù)值與巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)鉆資料對比，符合度較高，驗(yàn)證了計算模型的正確性，研究成果可滿足工程應(yīng)用，具有一定的實(shí)用價值。

表1 哈拉哈塘區(qū)塊試驗(yàn)巖芯測井與錄井原始數(shù)據(jù)與巖芯實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 哈拉哈塘區(qū)塊巖石力學(xué)特性參數(shù)與測井聲波時差的關(guān)系

2 PDC鉆頭優(yōu)選

2.1 哈拉哈塘區(qū)塊鉆頭優(yōu)選難點(diǎn)

根據(jù)該區(qū)塊實(shí)鉆資料、巖芯室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果以及區(qū)塊巖石可鉆性剖面圖，總結(jié)出哈拉哈塘區(qū)塊鉆頭優(yōu)選的難點(diǎn)為：

（1）三疊系泥巖膠粘性很強(qiáng)，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(qiáng)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(zhì)礫巖井段，泥盆系、志留系細(xì)砂巖，志留系含石英砂巖，研磨性強(qiáng)，常規(guī)PDC鉆頭在高研磨性地層鉆進(jìn)使用壽命短，機(jī)械鉆速低，起下鉆頻繁。

2.2 哈拉哈塘區(qū)塊鉆頭優(yōu)選思路

鉆頭的選擇與使用原則是：選擇適應(yīng)地層硬度、抗壓強(qiáng)度和地層可鉆性的鉆頭型號，使鉆頭的鉆速和進(jìn)尺達(dá)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(yōu)選的主要標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合抗壓強(qiáng)度等巖石力學(xué)特性參數(shù)和已鉆井各地層鉆頭使用效果，對研究工區(qū)PDC鉆頭進(jìn)行優(yōu)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(yōu)選19mm5刀翼適用于快速鉆進(jìn)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(jìn)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(diǎn)，故宜優(yōu)選采用防泥包設(shè)計的19mm大復(fù)合片5刀翼的鋼體鉆頭：STS915K、SF56H3、SP1935L、CKS605Z，與常規(guī)PDC鉆頭相比，這些鉆頭攻擊性更高、適合于快速鉆進(jìn)。

（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(guī)鉆進(jìn)需用2～3只牙輪鉆頭的現(xiàn)狀，試用扭力沖擊器+專用鉆頭U513M，與常規(guī)鉆井技術(shù)相比，扭力沖擊器可將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)換成頻率高且穩(wěn)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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)高效破巖，提高機(jī)械鉆速和鉆井效率。

圖1 哈拉哈塘區(qū)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(diǎn)）鉆進(jìn)中常規(guī)PDC鉆頭鉆進(jìn)壽命短，機(jī)械鉆速低的特點(diǎn)，優(yōu)選采用16mm復(fù)合片5刀翼（3主刀翼和2輔刀翼）強(qiáng)化保徑的鋼體鉆頭：FX55sX3、FX55DX3、STS615K、SP1635L、CK505 (D)。其中，優(yōu)選的FX55sX3和FX55DX3通過調(diào)整刀翼角度和布齒密度，具有更高的攻擊性、較強(qiáng)的抗研磨及抗沖擊能力。

（5）三開?171.5mm井段以灰?guī)r為主，可鉆性中等，根據(jù)該區(qū)鉆頭統(tǒng)計資料，優(yōu)選采用13mm主切削齒6刀翼，具有高抗研磨性和熱穩(wěn)定性的PDC鉆頭M1365D或CK406D。

2.3 哈拉哈塘區(qū)塊鉆頭優(yōu)選結(jié)果

根據(jù)優(yōu)選思路，得出了適合哈拉哈塘區(qū)塊不同層位的鉆頭型號（見表3）。

表3 鉆頭優(yōu)選結(jié)果

3 現(xiàn)場試驗(yàn)與應(yīng)用效果分析

優(yōu)選的PDC鉆頭在哈拉哈塘油田部分井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，取得了較好的應(yīng)用效果。

3.1 ?241.30mm PDC鉆頭STS915K試驗(yàn)情況

在H802-1井新近系—三疊系井段試驗(yàn)?241.30mm PDC鉆頭STS915K，實(shí)現(xiàn)總進(jìn)尺4101m，機(jī)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(qū)塊鄰井同地層單只鉆頭平均進(jìn)尺為1774.79m相比，提高了131.1%，區(qū)塊鄰井同地層平均機(jī)械鉆速為8.72m/h，同比提高了53.44%。試驗(yàn)結(jié)果表明該系列鉆頭非常適合在該地層鉆進(jìn)。大大節(jié)省了鉆井周期和鉆頭費(fèi)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(yàn)情況

在Q2井和H121-2井二疊系—石炭系上部井段試驗(yàn)扭力沖擊器配合?241.30mm專用PDC鉆頭U513M鉆進(jìn)，實(shí)現(xiàn)一趟鉆穿二疊系，并獲得較高機(jī)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(jìn)尺757m，機(jī)械鉆速3.8m/h，H121-2井獲單只鉆頭進(jìn)尺439m，機(jī)械鉆速3.72m/h，與區(qū)塊鄰井相比，節(jié)約2～3趟鉆。與區(qū)塊同地層單只鉆頭平均進(jìn)尺202.89m和區(qū)塊同地層平均機(jī)械鉆速1.80m/h相比，提速效果明顯，節(jié)省了鉆井周期和鉆頭費(fèi)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(yàn)情況

3.3.1 Q2井與H121-2井試驗(yàn)情況

自石炭系開始試驗(yàn)?241.30mmPDC鉆頭FX55sX3常規(guī)鉆進(jìn)。實(shí)現(xiàn)兩只鉆頭鉆至中完井深（或造斜點(diǎn)），相比鄰井節(jié)約了2～4趟鉆，并獲得了較高的單只鉆頭進(jìn)尺和機(jī)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(shí)現(xiàn)單只鉆頭進(jìn)尺424.5m，機(jī)械鉆速5.09m/h。與區(qū)塊鄰井同地層單只鉆頭平均進(jìn)尺176.3m相比，提高了140.78%，區(qū)塊鄰井同地層平均機(jī)械鉆速為1.80m/h，同比提高了182.8%。試驗(yàn)結(jié)果表明該系列鉆頭非常適合在該地層鉆進(jìn)。

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(yàn)情況

在RP7004井和XK5002井二疊系以下井段試驗(yàn)241.3mmFX55DX3和FX55sX3，它們都是3個主刀翼、2個副刀翼設(shè)計，具有更強(qiáng)的攻擊力和較高的穩(wěn)定性。如圖5所示，RP7004井FX55DX3和FX55sX3平均進(jìn)尺是鄰井平均進(jìn)尺的2.92倍，平均機(jī)械鉆速是鄰井平均機(jī)械鉆速的1.78倍；XK5002井FX55DX3進(jìn)尺是鄰井平均進(jìn)尺的2.95倍，機(jī)械鉆速是鄰井平均機(jī)械鉆速的1.40倍。這大大節(jié)省了鉆井周期和鉆頭費(fèi)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(jié)論 （1）利用測井資料建立了研究工區(qū)的地層可鉆性剖面，并根據(jù)該區(qū)塊的鉆頭實(shí)際使用資料，優(yōu)選出了與地層特性相適應(yīng)的PDC鉆頭。

（2）通過PDC鉆頭優(yōu)選，將優(yōu)選的鉆頭在哈拉哈塘油田進(jìn)行試驗(yàn)，取得了較好的應(yīng)用效果，新近系—三疊系井段單只鉆頭平均進(jìn)尺較區(qū)塊鄰井同地層提高了131.1%，平均機(jī)械鉆速比區(qū)塊鄰井同地層提高了53.44%；在二疊系井段實(shí)現(xiàn)了一趟鉆鉆穿二疊系，比區(qū)塊鄰井節(jié)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(diǎn)）單只鉆頭平均進(jìn)尺較區(qū)塊同地層提高140.78%，機(jī)械鉆速較區(qū)塊平均機(jī)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(jī)械鉆速慢、單只鉆頭進(jìn)尺短的問題。

（3）建議結(jié)合區(qū)塊各試驗(yàn)鉆頭的實(shí)鉆情況，繼續(xù)開展新型鉆井提速工具的優(yōu)選與試驗(yàn)，以進(jìn)一步提高鉆井速度，實(shí)現(xiàn)優(yōu)快鉆井。

[1]張磊，等.英買力地區(qū)巖石抗鉆特性巖性預(yù)測和地層可鉆性剖面研究[J].鉆采工藝，2007,30(4):26-28.

[2]滕學(xué)清,文志明,王克雄,張德龍.塔中巖石可鉆性剖面建立和鉆頭選型研究[J].西部探礦工程,2010(11).

[3]吳羽,李永樂,胡慶軍.應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計[M].北京:國防科技大學(xué)出版社,1995.

[4]聶榮國，等.伊朗阿扎德甘油田地層三壓力及巖石可鉆性研究[J].鉆采工藝,2012,35(5):22-24.

[5]歐陽勇,吳學(xué)升.蘇里格氣田PDC鉆頭的優(yōu)選與應(yīng)用[J].鉆采工藝,2008,31(2):13-15.

[6]王克雄,魏鳳奇.測井資料在地層抗鉆特性參數(shù)預(yù)測中的應(yīng)用研究[J].石油鉆探技術(shù),2003(5).

[7]李貴賓，等.哈拉哈塘地區(qū)鉆井難點(diǎn)分析與提速關(guān)鍵技術(shù)[J].石油鉆采工藝,2012(6).

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(xiàn)從事鉆井工程的管理和科研工作。