焦石壩區(qū)塊?311.2 mm井眼定向段鉆頭優(yōu)選與應(yīng)用

劉明國　孔　華　蘭　凱　張　敏　李亞南

（中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽　457001）

焦石壩區(qū)塊?311.2 mm井眼定向段鉆頭優(yōu)選與應(yīng)用

劉明國孔華蘭凱張敏李亞南

（中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽457001）

針對焦石壩區(qū)塊頁巖氣水平井?311.2 mm井眼定向段長、鉆遇地層復(fù)雜、非均質(zhì)性強，易導(dǎo)致鉆頭失效快、機械鉆速低等問題，建立了基于地層可鉆性和實鉆效果評價的鉆頭選型方法。利用測井資料獲取地層巖石力學(xué)參數(shù)，建立了巖石可鉆性剖面，確定了合理的鉆頭類型；基于虛擬強度指數(shù)原理建立了綜合考慮地層破巖效率和進尺的鉆頭性能評價指數(shù)，對完鉆井鉆頭使用效果進行了定量評價。利用該方法分地層推薦了焦石壩?311.2 mm井眼定向段鉆頭選型方案，并在焦頁49-1HF等5口井進行了應(yīng)用，平均機械鉆速同比提高了207%，單只鉆頭平均進尺提高了139.2 m。應(yīng)用效果表明，基于地層可鉆性和實鉆效果的鉆頭選型方法能夠定性地優(yōu)選鉆頭類型、定量地評價鉆頭性能，有效提高了鉆頭與地層的匹配性。

頁巖氣；焦石壩；可鉆性；虛擬強度指數(shù)；鉆頭選型

合理選用鉆頭是提高鉆速、降低鉆井綜合成本的重要途徑之一。鉆頭選型及評價方法可分為3種：一是以所鉆區(qū)域巖心、測錄井資料為基礎(chǔ)，獲得相關(guān)地層巖石力學(xué)參數(shù)，對待鉆地層進行評價，結(jié)合鉆頭使用說明優(yōu)選推薦鉆頭［1-2］，該方法主要考慮了鉆頭與地層的匹配性；二是以鉆頭使用資料為基礎(chǔ)，從鉆井每米成本、機械鉆速等指標考核獲取最優(yōu)鉆頭型號，該方法主要考慮鉆頭的使用效果［2-4］；三是綜合前兩種方法，將鉆頭使用效果和地層巖石力學(xué)參數(shù)疊加組合［5-6］，但各種方法都有其自身的優(yōu)勢與不足。筆者在對焦石壩區(qū)塊地層巖石力學(xué)特性分析的基礎(chǔ)上，通過建立基于虛擬強度指數(shù)的鉆頭選型評價方法，以焦石壩?311.2 mm 井眼定向段為例，分層段推薦了鉆頭選型方案，在現(xiàn)場進行了應(yīng)用，取得了較好的效果。

1　鉆頭使用問題分析

涪陵焦石壩區(qū)塊頁巖氣井二開?311.2 mm井眼鉆遇井段屬海相地層，受壓實作用影響，膠結(jié)致密、巖石硬度高，薄層互層多、巖性交替，跳鉆嚴重，鉆頭受到的沖擊作用強、失效快、易崩齒，鉆頭使用效果相對較差［7-8］。其中以定向段鉆頭失效最為顯著，主要表現(xiàn)為：

（1）地層非均質(zhì)性強，鉆頭失效快。牙輪鉆頭定向機械鉆速低，使用壽命短，平均使用時間僅55.42h，單只鉆頭進尺僅86.04 m；PDC鉆頭定向鉆軟硬交錯地層時，易崩齒，失效快，導(dǎo)致機械鉆速低、鉆頭使用數(shù)量多。焦頁1HF定向段長479.78 m，使用鉆頭超過11只，其中使用了9只牙輪鉆頭。

（2）前期完鉆井使用的鉆頭型號多而雜。地層的復(fù)雜性導(dǎo)致鉆井工程設(shè)計中的鉆頭選型、鉆井參數(shù)選擇帶有較大的盲目性和不確定性，使用型號多達30種，部分型號鉆頭與地層的匹配性差，破巖效率與進尺不能兼顧，使用效果差別大。焦頁23-3HF井鉆遇濁積砂巖，PDC鉆頭進尺僅8 m便嚴重磨損。

（3）焦石壩區(qū)塊采用平臺式鉆井，?311.2 mm井眼定向段長，方位變化大，定向鉆進過程中，鉆頭傾斜與井壁接觸，導(dǎo)致鉆頭磨損嚴重。

上述問題的存在嚴重制約了?311.2 mm井眼定向段機械鉆速的提高，2013年完鉆8口井中?311.2mm井眼定向段平均機械鉆速僅為2.65 m/h，進尺占全井總進尺的40%左右，但定向周期卻占了全井總鉆進周期的60%左右。

2　鉆頭選型評價方法

2.1巖石可鉆性剖面法

通過對剖面進行分析研究，能夠較準確地分析評價地層可鉆性特征，從而在宏觀上尋找與地層可鉆性相匹配的鉆頭類型［9-12］。對于均勻各向同性介質(zhì)，其聲波時差與巖石物理機械特性有如下關(guān)系［13］

式中，vp為縱波速度，m/s；vs為橫波速度，m/s；Δtp為縱波時差，s/m；Δts為橫波時差，s/m；E為巖石彈性模量，MPa；μ為泊松比；ρ為巖石體積密度，g/ cm3。

巖石可鉆性、研磨性等力學(xué)參數(shù)與聲波時差存在一定的關(guān)系，因此以聲波時差為自變量，分別以PDC鉆頭可鉆性級值KdPDC、牙輪鉆頭可鉆性級值Kdcone、硬度Kh、抗壓強度Sc、研磨性ω為因變量，對數(shù)據(jù)進行回歸分析，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計方法可以獲得相關(guān)可鉆性曲線［14］。

2.2基于虛擬強度指數(shù)的鉆頭性能評價方法

近年來，國內(nèi)外提出了采用虛擬強度指數(shù)（Virtual strength index，簡稱VSI）進行鉆頭選型與評價的方法，并取得了較好的應(yīng)用效果［15］。其表達式為

式中，VSI為虛擬強度指數(shù)，MPa；We為鉆頭有效鉆壓，kN；Db為鉆頭直徑，m；Δpb為鉆頭壓力降，MPa；Q為泥漿泵排量，L/s；η為能量降低系數(shù)；N為鉆頭轉(zhuǎn)速，r/min；T為鉆頭扭矩，N·m；ROP為機械鉆速，m/h。

虛擬強度指數(shù)體現(xiàn)了鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩、水力參數(shù)的綜合影響，消除了機械鉆速對鉆壓和扭矩等參數(shù)變化的敏感性，可定量評價鉆頭的使用效果。虛擬強度指數(shù)原理對機械鉆速較為側(cè)重，但遇到“高速低效”，即鉆速高進尺少的鉆頭，則不能準確反映其工作性能。鉆頭性能的好壞不僅表現(xiàn)在鉆速的高低，還應(yīng)包括進尺的長短。

綜合考慮地層破巖效率和進尺，確定采用鉆頭性能評價指數(shù)E對鉆頭性能進行綜合表征

式中，E為鉆頭性能評價指數(shù)，m/MPa；L為單只鉆頭進尺，m。

2.3鉆頭選型流程的建立

在分析地層可鉆性剖面的基礎(chǔ)上，結(jié)合基于虛擬強度指數(shù)的鉆頭性能評價方法，優(yōu)選最合理的鉆頭類型和型號，即可最大限度地提高鉆頭與地層的匹配性。鉆頭選型流程見圖1。

3　現(xiàn)場應(yīng)用

3.1焦石壩二開定向段地層可鉆性分析

根據(jù)焦頁1-2HF井電測數(shù)據(jù)，得到地層巖石力學(xué)強度、可鉆性級值、硬度、研磨性等參數(shù)，如圖2。

圖2　焦頁1-2HF井地層可鉆性剖面

圖1　鉆頭選型流程

由圖2可知，焦石壩區(qū)塊鉆遇的地層屬海相地層，年代較為古老，膠結(jié)致密、巖石硬度高，屬于中硬-硬地層。茅口組-黃龍組地層巖性以硬脆性灰?guī)r為主，抗切削能力強，抗沖擊能力弱。該井段硬度超過1 100 MPa，研磨性大于3.5，PDC鉆頭可鉆性級值在8~10，且區(qū)間內(nèi)變化幅度相對劇烈，地層研磨性高、可鉆性差，不利于PDC鉆頭的使用。韓家店組以綠灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主；小河壩組以灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主。這2個地層研磨性為3~3.5，屬于較高研磨性地層，PDC鉆頭可鉆性級值在4~5，可鉆性相對較好，并且地層巖性均勻，各參數(shù)變化幅度不大，有利于PDC鉆頭的使用。龍馬溪組以泥巖為主，研磨性和可鉆性級值并不大，但由于該井段地層含有濁積砂巖，相關(guān)參數(shù)變化幅度劇烈，不利于PDC鉆頭的使用。

3.2完鉆井鉆頭性能評價分析

根據(jù)所鉆地層特征及定向段造斜能力要求，結(jié)合焦石壩區(qū)塊前期施工鉆頭使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計，分地層、分井段，對鉆頭使用情況進行量化評價分析，計算結(jié)果見表1。

茅口組－黃龍組井段除了MSI616鉆頭外，PDC鉆頭地層適應(yīng)性相對不高，牙輪鉆頭MD537、HJT537GK綜合性能相對較高。韓家店組和小河壩組井段主要以穩(wěn)斜鉆進為主，從結(jié)果可以看出，以MDSI616、T1365B鉆頭綜合性能相對較高。

表1　不同地層鉆頭評價指數(shù)

由表1可知，龍馬溪組地層以MDSI616、T1365系列和HJT537GK綜合性能最優(yōu)，但與其他地層對比，鉆頭的性能評價指數(shù)相對較低。這主要是由于該地層含有濁積砂，鉆頭磨損嚴重，單只鉆頭進尺基本在100m以內(nèi)，PDC鉆頭進尺高的優(yōu)點未能較好體現(xiàn)（見表2）。

3.3鉆頭選型方案

根據(jù)各層位地層可鉆性級值的變化情況以及鉆頭使用效果評價結(jié)果，最終確定了焦石壩?311.2mm井眼定向段各地層鉆頭推薦方案（見表3）：茅口組－黃龍組造斜井段，推薦使用537系列牙輪鉆頭，提高定向過程中工具面的穩(wěn)定性，保證造斜率；韓家店組、小河壩組地層厚度大且?guī)r性相對穩(wěn)定，推薦使用6刀翼雙排切削齒PDC鉆頭MDSI616和T1365B以提高鉆頭的穩(wěn)定性和破巖效率；龍馬溪組由于存在濁積砂，考慮到該段鉆穿濁積砂即中完，厚度一般在200 m左右，推薦采用537系列牙輪鉆頭，提高鉆頭的使用效率。

表2　龍馬溪組鉆頭使用情況

表3　焦石壩?311.2mm井眼定向段鉆頭推薦方案

4　應(yīng)用效果分析

根據(jù)鉆頭優(yōu)選結(jié)果，結(jié)合地層特點，在焦頁49-1HF等5口井定向段進行了應(yīng)用?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，通過分地層優(yōu)選鉆頭，提高了鉆頭與地層的匹配性，破巖效率大幅度增加，5口井平均機械鉆速達到了8.15 m/h，與優(yōu)選前相比提高了207%；通過分地層優(yōu)選鉆頭，擴大了PDC鉆頭的適用井段，平均單只鉆頭進尺由145.62 m提高到284.82 m，提高了139.20 m。推薦的鉆頭選型方案兼顧了鉆頭進尺與機械鉆速，使用效果達到機械鉆速大于 4 m/h、進尺超過200 m的鉆頭比例由優(yōu)選前的5%提高到47.37%。同時，單井平均鉆頭使用數(shù)量由優(yōu)選前的6.6只降低到3.8只，減少了鉆頭的使用數(shù)量和起下鉆次數(shù)，有效縮短了鉆井周期。

5　結(jié)論與認識

（1）建立的基于地層可鉆性和實鉆效果的鉆頭選型方法，能夠定性地推薦鉆頭類型，定量地評價鉆頭使用效果，有效地保證了鉆頭優(yōu)選結(jié)果的準確性。

（2）依據(jù)地層可鉆性剖面分析，焦石壩?311.2 mm井眼定向段海相地層巖石硬度屬于中硬-硬，地層研磨性強。茅口組-黃龍組和龍馬溪組地層巖石力學(xué)參數(shù)變化幅度大，非均質(zhì)性突出。

（3）利用鉆頭選型技術(shù)，建立了焦石壩區(qū)塊?311.2 mm井眼定向段地層巖石可鉆性剖面，得到了地層可鉆性變化規(guī)律，結(jié)合已鉆井的鉆頭使用評價結(jié)果，優(yōu)選出了適合于該區(qū)塊地層的鉆頭系列，達到了指導(dǎo)生產(chǎn)的目的。

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（修改稿收到日期2015-04-07）

〔編輯薛改珍〕

Selection and application of drill bit for directional section of ?311.2 mm well in Jiaoshiba Block

LIU Mingguo, KONG Hua, LAN Kai, ZHANG Min, LI Yanan
（Drilling Engineering and Technology Research Institute, Zhongyuan Petroleum Engineering Co. Ltd., Puyang 457001, China）

In line with long directional interval in horizontal ?311.2 mm wellbore of shale gas, encountering complex formations and strong heterogeneity in Jiaoshiba Block, which may easily lead to rapid bit failure and low ROP, etc. A method of drill bit selection was built on formation drillability and evaluation of actual drilling effectiveness. The logging data is used to obtain formation rock mechanical parameters, build the profile of rock drillability and determine the proper bit type. The bit performance assessment index was built based on virtual intensity index principle by comprehensively considering the formation rock breaking efficiency and footage, and quantitative evaluation was made to the effectiveness of bits used in drilling and completion. Using this method, the drill bit selection scheme was recommended by formations for directional interval of ?311.2 mm hole in Jiaoshiba Block, and was used in five wells such as Jiaoye-49-1HF well. The average ROP was increased by 207%, and average footage of individual bit was increased by 139.2 m. The application effect shows that the method of drill bit selection based on formation drillability and actual drilling effectiveness can qualitatively select the bit type and quantitatively evaluate the bit performance, hence effectively improving the matching between the bit and the formation.

shale gas; Jiaoshiba; drillability; virtual intensity index; drill bit selection

TE243

A

1000 – 7393（ 2015 ） 03 – 0028 – 04

10.13639/j.odpt.2015.03.007

攻關(guān)項目：中石化中原石油工程公司項目“提高焦石壩?311 mm井眼定向速度研究”（編號：2014101）的部分成果。

劉明國，1965年生。1987年畢業(yè)于西南石油學(xué)院，現(xiàn)主要從事鉆井技術(shù)科研和管理工作，高級工程師。電話：0393-4771626。

引用格式：劉明國，孔華，蘭凱，等.焦石壩區(qū)塊?311.2 mm井眼定向段鉆頭優(yōu)選與應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2015，37（3）：28-31.