定北區(qū)塊鉆頭選型的難點及對策

周 權(quán)，張建麗，張喜民，徐永斌

（1.中國石化勝利石油管理局黃河鉆井北方分公司，山東東營257000；2.中國石化勝利石油管理局鉆井職工培訓(xùn)中心）

定北區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡與天環(huán)坳陷的交接部位，目前該區(qū)塊鉆井的井型主要為直井，井深在4 000 m左右，完鉆層位為馬家溝組，一開采用311.2 mm鉆頭，二開使用215.9 mm鉆頭。在本區(qū)塊的鉆井施工中，存在著鉆井周期長，機械鉆速慢，鉆頭磨損嚴(yán)重，頻繁起下鉆換鉆頭、斷鉆具等問題。針對上述情況，雖然頻繁更換鉆頭，調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，但機械鉆速仍沒有較大幅度的提高。本文針對本區(qū)塊地層的特性，利用鉆頭優(yōu)選的方法結(jié)合現(xiàn)場大量的實鉆參數(shù)及測井資料進(jìn)行本區(qū)塊的鉆頭優(yōu)選。

1 地層特點及鉆頭選型情況

1.1 0～500m（第四系－志丹群）

地層特點及難點：一開井深為500 m左右，井眼尺寸為311.2 mm，上部有10～30 m的黃土層，下部500 m為泥巖及少量粉砂巖，聲波值在330μs／m，地質(zhì)疏松。中下部有礫石夾層，同時本段地層傾角較大，易發(fā)生井斜。

鉆頭選型原則：選擇大齒低密度PDC鉆頭（19～22 mm），增強鉆頭的攻擊性，附帶減震齒來平衡井底產(chǎn)生的徑向與軸向震動載荷，同時采用大螺旋刀翼來增大與井底的接觸面積，降底鉆頭扭矩，提高鉆頭壽命。由于地層中含有砂礫巖，使用螺桿鉆具易造成鉆頭的先期損壞。

鉆具組合：常規(guī)18米單扶φ311.2 mmPDC＋203 mmNMDC×1＋φ203 mmDC×1＋φ309 mmSTB＋φ178 mmDC×7＋φ159 mmDC×12＋φ127 mmDP。鉆壓50～70 kN，轉(zhuǎn)速70 r／min，排量35～40 L／s。

由表1可知，①PDC鉆頭比牙輪鉆頭在本段地層有更好的適應(yīng)性；②同型號PDC鉆頭低轉(zhuǎn)速比高轉(zhuǎn)速有較高的機械鉆速，帶有螺桿鉆具的鉆頭阻礙了鉆壓的釋放，起出的鉆頭可以發(fā)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速鉆頭的磨損遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高轉(zhuǎn)速。③由于F1638采用大齒，大螺旋刀翼，配合較大鉆壓，機械鉆速比采用大齒、中等螺旋刀翼的P5312MD高了近一倍。所以此段選擇F1638可以提高機械鉆速。

表1 定北區(qū)塊0～800m鉆頭使用對比情況

1.2 500～2 650m（志丹群－延長組）

地層特點及難點：此段依次穿過志丹群、安定組、直羅組、延安組、延長組等地層，巖性主要以粉、細(xì)砂巖、泥質(zhì)砂巖為主，地層研磨性較強，砂泥巖呈不等厚互層，膠結(jié)疏松，易縮徑，造成起下鉆困難。其中志丹群－安定組地層傾角變化較大，易發(fā)生井斜；直羅組和延安組底部存在含礫中粗砂巖，且地層松散、膠結(jié)較差；此段聲波值在240～270μs／m，孔隙度較上部變小，屬于軟－中硬地層。

鉆頭選型原則：選擇中齒－大齒帶有二級減震齒的胎體PDC鉆頭，且保徑部分較短，有較強側(cè)向力，結(jié)合18米單扶更有利于防斜打直。針對此段的情況優(yōu)選出銳石M1655FC鉆頭和江漢F5566D鉆頭進(jìn)行試驗。

鉆具組合：常規(guī)18 m 單扶φ215.9 mmPDC＋178 mmNMDC×1＋φ178 mmDC×1＋φ214 mmSTB＋φ178 mmDC×5＋φ159 mmDC×12＋φ127 mmHWDP×30＋127 mmDP。鉆壓60～90 kN，轉(zhuǎn)速70 r／min，排量32 L／s。

由表2可知：

表2 定北區(qū)塊500～2 650m鉆頭使用對比情況

（1）相同的井段DB12井和DB13井用了兩只鉆頭，且上部地層均使用了螺桿鉆具。由于上部地層以砂巖為主且直羅組和延安組的底部有礫巖，導(dǎo)致鉆頭切削齒的先期損壞，進(jìn)入下部延長組致密泥巖地層，先期損壞的牙齒吃入能力降低，鉆頭攻擊性減弱，機械鉆速降低，必須起鉆更換鉆頭，增加了進(jìn)尺的工作時間。

（2）相對于鋼體鉆頭，胎體鉆頭有更強的耐磨性及抗沖擊能力，配合二級減震齒，延長了鉆頭的使用壽命。M1655FC（16 mm主切削齒）純鉆時間達(dá)到了98.5h，同時保持了較高的機械鉆速，鉆穿延長組后，在致密的紙坊組又鉆進(jìn)了200 m；F5566D（19 mm主切削齒）在大鉆壓（100 kN）的配合下，機械鉆速達(dá)到了33.91 m／h，并順利穿過延長組。因此，F(xiàn)5566D充分發(fā)揮了大齒超強的攻擊性，M1655FC發(fā)揮了超強的抗磨性能，兩只鉆頭均充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢。

（3）此段強研磨性地層，螺桿鉆具的使用并沒有提高機械鉆速，反而加快了鉆頭的磨損，限制了鉆壓的釋放，同時增加了井下復(fù)雜情況。因此低轉(zhuǎn)速大鉆壓更適合本段地層。

1.3 2 650～3 230m（紙坊組－劉家溝組）

地層特點及難點：此段地層主要以大段泥巖為主，中間夾雜少量的砂巖，巖性比較單一，聲波時差基本穩(wěn)定在210μs／m，孔隙度很小，地層膠結(jié)致密，巖石的抗吃入性較強，但不含礫石，因此，易選擇大復(fù)合片、復(fù)合切削結(jié)構(gòu)PDC鉆頭。

鉆頭選型原則：易選用中等尺寸－大尺寸、中等密度布齒的胎體5刀翼的PDC鉆頭，刀翼中等螺旋。

本段試驗了格瑞特GD1605系列鉆頭和江漢F5566D鉆頭。GD1605鉆頭切削齒為16 mm，中等密度分布，胎體鉆頭，部有二級齒，五刀翼，此鉆頭適用于中硬地層。GD1605ST鉆頭刀翼為中等螺旋直刀翼。

鉆具組合：常規(guī)18 m 單扶φ215.9 mmPDC＋178 mmNMDC×1＋φ178 mmDC×1＋φ214 mmSTB＋φ178 mmDC×5＋φ159 mmDC×12＋φ127 mmHWDP×30＋127 mmDP。鉆壓90～120 kN，轉(zhuǎn)速70 r／min，排量32 L／s。

由表3可知：①GD1605ST比GD1605TQ機械鉆速快52%，與直刀翼相比，螺旋刀翼可提高刀翼的布齒密度，增大與井底的接觸面積，降低鉆頭扭矩，提高鉆頭壽命和機械鉆速。DB15井依然采用大齒PDC鉆頭（F5566D），機械鉆速較GD1605系列鉆頭有了較大的提升；②DB11井和DB14井均使用了螺桿鉆具，但機械鉆速較低，因此此段地層更適合中等螺旋、大齒鉆頭，配合低轉(zhuǎn)速、大鉆壓能獲得較高的機械鉆速。

針對此段為致密泥巖地層，巖性單一較均勻，可以考慮鋼體大刀翼中等螺旋的PDC鉆頭。

1.4 3 230～3 650m（石千峰組－上石盒子組）

地層特點及難點：定北區(qū)塊主要目的層位于石盒子組、山西組和太原組，石千峰組下部和上石盒子組為主要的泥巖蓋層，可鉆性極值超過了6，地層的抗壓及抗剪切能力均達(dá)到了極大值；石千峰組含有較厚的棕紅色泥巖，造漿率非常高，地層塑性值達(dá)到70%～80%，極易造成鉆頭泥包；石盒子下部有含礫粗砂巖，易引起鉆頭的震動破壞；硬夾層相對較多，鉆時變化范圍較大，引起鉆壓不均勻，易引起鉆具的疲勞損壞，本段多次發(fā)生斷鉆具事故。

表3 定北區(qū)塊2 650～3 230m鉆頭使用對比情況

鉆頭選型原則：當(dāng)?shù)貙涌摄@性極值超過6的時候，只適合牙輪鉆頭，不適合用PDC鉆頭，因此本段選取HJ537G和HJ517G系列牙輪鉆頭試驗，與其它鉆頭對比如表4所示。

鉆具組合：φ215.9 mm 牙輪鉆頭＋178 mmNMDC×1＋φ178 mmDC×1＋φ178 mmDC×5＋φ159 mmDC×12＋φ127 mmHWDP×30＋127 mmDP。鉆壓180～210 kN，轉(zhuǎn)速60 r／min，排量34 L／s。鉆進(jìn)時防止鉆壓過大，使鉆頭泥包，同時不斷變換鉆壓防止鉆具刺斷。

由表4可知：

表4 定北區(qū)塊3 230～3 650m鉆頭使用對比情況

（1）DB15井使用的兩只牙輪鉆頭機械鉆速比同井段的PDC鉆頭至少高出50%，且HJ537G更適合石千峰。說明地層抗剪切性能強，主要靠牙輪鉆頭的沖擊壓碎作用，較PDC鉆頭有明顯的優(yōu)勢；DB14井使用的PDC鉆頭P551／M222機械鉆速比HJ537G低，但是由于PDC鉆頭自身的優(yōu)勢可以減少起下鉆換鉆頭的時間，降低掉牙輪的風(fēng)險，因此兩只鉆頭在本段使用較多。

（2）P551／M222鉆頭配有4×14 mm＋1×10 mm水眼，在DB13井和DB14井均產(chǎn)生泥包現(xiàn)象，且都是直徑10 mm的水眼先堵死，引起相對應(yīng)的水道以及相鄰的水道產(chǎn)生泥包，進(jìn)而引起整個鉆頭泥包，導(dǎo)致機械鉆速下降。若增大此水眼的尺寸，此鉆頭更能發(fā)揮出自己的優(yōu)勢。

1.5 3 650～3 900m（下石盒子組－太原組）

地層特點及難點：此段包括下石盒子組、山西組、太原組，為主要的目的層，巖性主要以砂巖為主，中間夾有泥巖，聲波時差較大，且山西組和太原組夾雜20 m左右的煤層，很容易產(chǎn)生大的掉塊導(dǎo)致卡鉆。目前本段由于取心的要求，僅能用牙輪鉆頭。

鉆具組合：φ215.9 mm 牙輪鉆頭＋159 mmNMDC×1＋φ159 mmDC×11＋φ127 mmHWDP×30＋127 mmDP。鉆壓180～220 kN，轉(zhuǎn)速60 r／min，排量30 L／s。本段選擇的齒較長的 HJ437G系列鉆頭與其它鉆頭的對比如表5所示。

由表5可知，齒相對較長的HJ437G和HJ447G鉆頭比HJ517G鉆頭機械鉆速快13%，對于孔隙度相對較大的目的層段，長齒的吃入性更好，機械鉆速較高。鉆遇此段禁止在煤層部分長時間的循環(huán)，防止煤層坍塌，引起卡鉆。

1.6 3 900m以下地層（馬家溝組）

地層特點及難點：馬家溝組以灰?guī)r、含灰云巖為主，孔隙度很小，聲波時差在150μs／m左右，硬脆性大，研磨性高，不易破碎。

表5 定北區(qū)塊3 650～3 900m鉆頭使用對比情況

鉆頭選型原則：不再適合PDC鉆頭，改為牙齒較短的537系列鉆頭。從表6可知較短齒的鉆頭可以獲得較高的機械鉆速。

2 定北區(qū)塊鉆頭使用對比情況

由表7可知，DB1 2和DB1 5井同樣的完鉆井深，相同的區(qū)塊，使用的鉆頭數(shù)量一樣，由于鉆頭選型的不同，造成機械鉆速相差38%，鉆井周期相差5天；DB14和DB15有相同的鉆井周期，但是完鉆井深相差97 m，雖然機械鉆速慢，但是少用了兩只鉆頭，對于這種深井，減少鉆頭的使用數(shù)量就減少了起下鉆的時間，從而縮短了鉆井周期，同時減少了人工和物料的消耗。

表6 定北區(qū)塊馬家溝組鉆頭使用對比情況

表7 定北區(qū)塊鉆頭使用對比情況

3 認(rèn)識與建議

（1）由于定北區(qū)塊的特殊構(gòu)造，螺桿鉆具的的使用加速了鉆頭的磨損，從而降低了鉆頭的機械鉆速。

（2）志丹群到延長組適合大齒（≥19 mm）、大螺旋、雙排齒、長拋物線以及5刀翼的PDC胎體鉆頭。

（3）紙坊組和尚溝地層可以嘗試中等齒（16 mm）、中等螺旋、單排齒、5刀翼的PDC鋼體鉆頭。

（4）P551／M222鉆頭在石盒子組泥巖段容易造成泥包，因此在鉆該井段時要有針對性措施和相應(yīng)的參數(shù)配合，同時鉆頭冠部設(shè)計以及水力設(shè)計方面還需進(jìn)一步改進(jìn)。

（5）目的層段（下石盒子－太原組）以砂巖為主，可以考慮齒使用較長的437、447系列的牙輪鉆頭，以獲得更高的機械鉆速。

（6）劉家溝－石盒子層段易發(fā)生斷鉆具事故，必須經(jīng)常變換鉆壓，保證鉆具中和點不斷的變化，防止鉆具疲勞。

（7）馬家溝地層的研磨性較強及硬度較大，不適合PDC鉆頭，應(yīng)改為牙齒較短的537系列鉆頭。

（8）保證良好的鉆井液性能、選擇合理的鉆進(jìn)參數(shù)是保證鉆頭有較高機械鉆速的先決條件。