北部灣PDC鉆頭高效鉆進(jìn)及配套技術(shù)淺析

北部灣PDC鉆頭高效鉆進(jìn)及配套技術(shù)淺析

莊林林，方華良，雷新超，蘇志波，曹德利，韓常青

（中國(guó)石化集團(tuán)上海海洋石油局鉆井分公司，上海 201206）

摘 要：從北部灣地區(qū)PDC鉆頭高使用率的實(shí)際情況出發(fā)，結(jié)合該地區(qū)的地層特征及鉆頭使用情況，總結(jié)分析了PDC鉆頭在鉆頭選型、使用中異常工況的判斷以及配套技術(shù)等方面應(yīng)用的成功與不足，提出PDC鉆頭高效鉆進(jìn)還應(yīng)在黑灰色碳質(zhì)泥巖加強(qiáng)鉆頭選型，在淺部大傾角、塑性泥巖地層配合彎角馬達(dá)鉆進(jìn)，目的層段根據(jù)裸眼段長(zhǎng)度合理選擇彎角馬達(dá)或PowerDrive動(dòng)力導(dǎo)向系統(tǒng)，以及加強(qiáng)PDC鉆頭異常工況的預(yù)防和處理等措施，從而真正發(fā)揮PDC鉆頭高效鉆進(jìn)作用，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步降本增效的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：PDC鉆頭；鉆頭選型；異常工況；配套技術(shù)

中圖分類號(hào)：TE242.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2015.02.091

文章編號(hào)：1008-2336（2015）02-0091-07

收稿日期：2014-05-22；

作者簡(jiǎn)介：第一莊林林，男，1986年生，2011年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）油氣井工程專業(yè)，碩士研究生，主要從事海洋鉆井工藝的研究及管理工作。E-mail：zhuanglinlin.shhy@sinopec.com。

改回日期：2015-03-12

A Preliminary Discussion about Efficient Drilling of PDC Bit and Supporting Technologies in Beibu Gulf Area

ZHUANG Linlin, FANG Hualiang, LEI Xinchao, SU Zhibo, CAO Deli, HAN Changqing

（SINOPEC Shanghai Offshore Petroleum Drilling Company, Shanghai 201206, China）

Abstract:According to the actual conditions of the high utilization of PDC bit in Beibu Gulf region, combined with stratigraphic characteristics of the study area and the usage of drill bit, summary and analysis has been conducted on the success and deficiency in PDC bit selection, the judgment of abnormal condition and the matching technology, the proposal has been put forward about selection of bit type in drilling dark grey carbonaceous mudstone, drilling with corner motor in plastic mudstone, choosing the PowerDrive system or corner motor according to the length of the open-hole, and strengthen the prevention and treatment measures of abnormal conditions during drilling with PDC bit, which can play a very important role in high efficiency drilling with PDC bit , and can be used to realize the objective of decreasing the cost and increasing efficiency.

Keywords:PDC bit; bit type selection; abnormal conditions; supporting techniques

自從20世紀(jì)80年代PDC鉆頭出現(xiàn)以來(lái)，因其在常規(guī)地層中能夠顯著提高鉆井速度、降低更換鉆頭頻率、大幅提升鉆井的經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，而被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用，近年來(lái)，因在針對(duì)硬地層及不均質(zhì)地層鉆進(jìn)PDC鉆頭技術(shù)上的不斷進(jìn)步，使得PDC鉆頭的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)2011年全球PDC鉆頭消耗量占鉆頭的比例為65%，國(guó)內(nèi)PDC鉆頭市場(chǎng)占有率大致與牙輪鉆頭持平，而將來(lái)PDC鉆頭大有完全替代牙輪鉆頭的可能。

由于海洋鉆井費(fèi)用昂貴（目前國(guó)內(nèi)近海半潛式鉆井平臺(tái)綜合費(fèi)用約200萬(wàn)元/天，自升式約150萬(wàn)元/天）[1]，所以經(jīng)濟(jì)性顯著的PDC鉆頭得以在北部灣鉆井中得到大量采用，在某鉆井平臺(tái)一年來(lái)施工的探井中，除一開鉆進(jìn)使用牙輪鉆頭，其余井段幾乎全部采用PDC鉆頭。近年來(lái)，面對(duì)

日益上升的生產(chǎn)成本控制壓力，如何提高PDC鉆頭的使用效果，進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速、減少起下鉆次數(shù)、適時(shí)的起鉆更換鉆頭，再次成為解決鉆井成本問(wèn)題的關(guān)鍵之一，因此有必要對(duì)PDC鉆頭的高效鉆進(jìn)及配套技術(shù)展開研究，從而應(yīng)用于生產(chǎn)，達(dá)到降本增效的目的。

1　PDC鉆頭使用概況

1.1 北部灣海區(qū)地層特征與鉆井難點(diǎn)

1.1.1 地層概述

北部灣盆地地層自上而下分別為望樓港組、燈樓角組、角尾組、下洋組、潿洲組、流沙港組、長(zhǎng)流組，各地層的簡(jiǎn)要巖性見(jiàn)表1。

1.1.2 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)

潿洲組、流沙港組普遍存在斷層與地層傾角，圖1是某井地層剖面圖，該井鉆遇斷層7條，地層傾角多達(dá)6條，最大地層傾角24°。

根據(jù)實(shí)鉆情況，影響PDC鉆頭鉆進(jìn)效率的地層大致分為兩類，一類是下洋組和潿洲組頂部的砂礫巖，一類是流沙港組高塑性、非均質(zhì)性強(qiáng)的泥巖，同時(shí)，在潿洲組和流沙港組還存在較大的地層傾角，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中如采用常規(guī)鉆具組合，為了防斜打直不得不犧牲部分機(jī)械鉆速。

表1　南海西部北部灣地層巖性簡(jiǎn)要描述

圖1　地層剖面圖

1.2 鉆頭配套應(yīng)用研究不夠

隨機(jī)選取了某平臺(tái)承鉆的6口井PDC鉆頭使用情況，如表2、表3所示。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，在鉆進(jìn)角尾組～流二段過(guò)程中，鉆頭磨損較嚴(yán)重，且有近一半的井需要兩只鉆頭鉆穿，這說(shuō)明不僅礫石層鉆進(jìn)給鉆頭壽命帶來(lái)很大損傷，而且適時(shí)準(zhǔn)確判斷鉆頭狀態(tài)是下一步鉆井提速的關(guān)鍵；在鉆進(jìn)流二段～長(zhǎng)流組過(guò)程中，機(jī)械鉆速普遍在10 m/h以上，但仍有些鉆頭的機(jī)械鉆速低至1 m/h以下，且需用鉆頭數(shù)量為1～5只不等，這說(shuō)明該地層依然存在PDC鉆頭選型、使用方法和配套技術(shù)不足的問(wèn)題。

2　PDC鉆頭高效鉆進(jìn)技術(shù)

PDC鉆頭特殊的破巖機(jī)理不同于其他鉆頭，一旦出現(xiàn)與地層不匹配情況或因?yàn)槭褂貌划?dāng)導(dǎo)致切削齒不能有效吃入地層，那么再繼續(xù)使用該鉆頭鉆進(jìn)就會(huì)浪費(fèi)成本，因此鉆進(jìn)前對(duì)鉆頭進(jìn)行正確的選型，鉆進(jìn)中正確使用鉆頭以及對(duì)鉆頭狀態(tài)做出準(zhǔn)確判斷，是確保PDC鉆頭能夠高效鉆進(jìn)的關(guān)鍵。

表2　下洋組、潿洲組PDC鉆頭使用情況

表3　流沙港組PDC鉆頭使用情況

2.1 鉆頭選型

隨著近幾年對(duì)北部灣地層巖性和難鉆地層開展提速研究，目前已形成一套針對(duì)該地區(qū)的鉆頭系列，從抽取的6口井來(lái)看，潿洲組及其以上地層的平均機(jī)械鉆速可以達(dá)到20～50 m/h，流沙港組的平均機(jī)械鉆速可以達(dá)到10～20 m/h，相比過(guò)去，潿洲組及其以上地層平均機(jī)械鉆速10 m/h，長(zhǎng)流組平均機(jī)械鉆速5.5 m/h，流沙港組平均機(jī)械鉆速僅4.3 m/h[2]，都有了大幅度的提高，因此從現(xiàn)場(chǎng)使用情況看，TS1952SS、TS1952RS、ST935RS、STS936RS、HCD605、CKS605K等鉆頭較適用于潿洲組及其以上地層，Mi519LMHBPX、

MDi519LHBPX、Mi616VHVBPX、STS936RS較適用于流沙港組的地層。

在以往對(duì)潿三段、流一段、流二段的地層認(rèn)識(shí)中，普遍認(rèn)為高含灰質(zhì)、高嶺土質(zhì)的塑性泥質(zhì)砂巖地層，在高圍壓下的巖石力學(xué)性質(zhì)變差是導(dǎo)致機(jī)械鉆速低下的主要原因，但是在2#、3#兩口井的鉆進(jìn)中，發(fā)現(xiàn)的厚度不明的黑灰色碳質(zhì)泥巖（圖2）條帶大大增加了鉆進(jìn)的難度。

圖2　黑灰色碳質(zhì)泥巖

如圖3所示，從機(jī)械鉆速曲線看，鉆頭鉆遇該地層時(shí)，機(jī)械鉆速持續(xù)低于1 m/h，為了快速鉆進(jìn)該地層，起鉆更換了3只鉆頭，共耗時(shí)83 h，合計(jì)鉆井綜合成本415萬(wàn)元。從現(xiàn)場(chǎng)的鉆頭使用情況來(lái)看，使用的一只HJT437G可以保持機(jī)械鉆速在1～2 m/h，其他PDC鉆頭均低于1 m/h，因此有必要開展該黑灰色碳質(zhì)泥巖條帶分布狀況及其巖石力學(xué)性質(zhì)研究，并在此基礎(chǔ)上開展PDC鉆頭選型研究。

圖3　黑灰色碳質(zhì)泥巖機(jī)械鉆速曲線

2.2 鉆進(jìn)中PDC鉆頭的狀態(tài)判斷

能否準(zhǔn)確判斷使用中的鉆頭狀態(tài)，是從鉆頭方面控制鉆井成本的關(guān)鍵之一，從近幾年南海西部北部灣地區(qū)PDC鉆頭的鉆井情況來(lái)看，牙齒崩碎、鉆頭泥包、磨出環(huán)形槽是常見(jiàn)的鉆頭磨損類型。本文通過(guò)實(shí)例，探討在PDC鉆頭條件下如何選取綜合錄井參數(shù)及它們的使用方法，從而幫助及時(shí)判斷和識(shí)別PDC鉆頭狀態(tài)[3]。

（1）牙齒崩碎

牙齒崩碎往往發(fā)生在礫石層或不均質(zhì)地層中，在鉆進(jìn)上述地層過(guò)程中，在鉆壓、轉(zhuǎn)速不變的情況下，扭矩持續(xù)劇烈變化，機(jī)械鉆速也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，當(dāng)鉆頭鉆進(jìn)至泥巖或較均質(zhì)地層時(shí)，扭矩波動(dòng)幅度趨緩，且在增大鉆壓和轉(zhuǎn)速的情況下，機(jī)械鉆速基本不變化，此時(shí)判斷鉆頭發(fā)生了牙齒崩碎現(xiàn)象，可酌情考慮起鉆檢查鉆頭。

以3#井鉆進(jìn)下洋組底礫巖及潿一段泥巖為例（圖4），在礫石層鉆進(jìn)時(shí)扭矩頻繁在3～6 klb·ft之間波動(dòng)，機(jī)械鉆速在40～80 m/h之間波動(dòng)，當(dāng)鉆進(jìn)至潿一段泥巖時(shí)，隨著鉆壓從6 klb增加到10 klb，轉(zhuǎn)速?gòu)?0 r/min增加到120 r/min后，扭矩基本維持在4 klb·ft不變，機(jī)械鉆速也從80 m/h降到15 m/h，結(jié)合返出巖性（圖5），判斷鉆頭牙齒發(fā)生了嚴(yán)重的崩碎現(xiàn)象，鉆頭喪失了原有的攻擊性，起鉆后的鉆頭磨損情況（圖6）驗(yàn)證了這一判斷。

圖4　3#井鉆參曲線

圖5　返出礫石

圖6　牙齒崩碎

（2）鉆頭泥包

由于切削齒不能有效吃入地層，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械鉆速大幅降低，嚴(yán)重時(shí)無(wú)進(jìn)尺。在北部灣地區(qū)鉆頭泥包比較容易發(fā)生在9-5/8"套管掃塞之后，由于掃塞使用參數(shù)過(guò)大，操作不當(dāng)?shù)仍?，容易?dǎo)致膠塞或套管附件堵塞鉆頭流道，導(dǎo)致鉆頭不能得到有效清洗，加之出套管之后往往是較厚的一段泥巖，從而巖屑越積越多，最終導(dǎo)致泥包。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，鉆頭泥包的發(fā)生，可以通過(guò)實(shí)時(shí)綜合錄井參數(shù)來(lái)準(zhǔn)確判斷。

當(dāng)鉆頭泥包后，扭矩平穩(wěn)，機(jī)械鉆速成倍下降，泵壓明顯上升，以1#井為例，在掃塞鉆至井深2 110 m后，鉆頭開始接觸泥巖地層，在隨后的鉆進(jìn)過(guò)程中，扭矩基本維持在4 klb·ft左右，鉆進(jìn)20 min后泵壓從2 600 psi（17 927 kPa）開始緩慢上漲至3 100 psi（21 374 kPa），鉆進(jìn)1 h后進(jìn)尺幾乎無(wú)變化（圖7），判斷鉆頭發(fā)生泥包，隨后做了甩鉆頭、海水沖洗鉆頭的努力，鉆進(jìn)情況沒(méi)有出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，決定起鉆檢查鉆頭。

圖7　鉆頭泥包實(shí)時(shí)錄井曲線

鉆頭出井評(píng)價(jià)為：1-1-BU-A-X-I-NO-PR，1

個(gè)水眼被堵，1個(gè)流道泥包，如圖8所示。經(jīng)過(guò)清理發(fā)現(xiàn)，造成這種結(jié)果的主要原因是掃塞時(shí)，膠塞附件卡在鉆頭流道中沒(méi)有返離井底，在鉆頭接觸新地層后，由于鉆頭流道不能得到徹底沖洗，加之地層巖性為純泥巖，容易水化吸附在鉆頭上，從而切削齒被逐漸包裹在巖屑中，最終導(dǎo)致泵壓上升，鉆頭無(wú)進(jìn)尺。

圖8　鉆頭泥包

（3）磨出環(huán)形槽

鉆頭磨出環(huán)形槽后，由于缺乏切削齒不能有效地吃入地層進(jìn)行破巖，所以進(jìn)尺基本靠刀翼本體對(duì)巖層的剮蹭來(lái)獲得，機(jī)械鉆速大大低于正常速度，且當(dāng)鉆遇軟地層時(shí)（如細(xì)砂巖）低鉆壓便可獲得相對(duì)較高的機(jī)械鉆速，在中硬地層（泥巖）鉆進(jìn)時(shí)，即使加很高的鉆壓，鉆進(jìn)速度也依然很慢。

以2#井12-1/4"井段第二趟鉆為例，第一趟鉆起鉆過(guò)程中，潿二、潿三段返出大量的泥巖掉塊，尺寸較大（8 cm×5 cm×2 cm），由于無(wú)法徹底清理干凈，導(dǎo)致第二只鉆頭下鉆至裸眼段后劃眼下鉆，采用小參數(shù)劃眼效率很低，速度低于1 m/h，決定采用大參數(shù)劃眼到底（鉆壓10～15 t、轉(zhuǎn)速50～80 r/min、扭矩3～14 klb·ft），耗時(shí)8.5 h下鉆到底。開始鉆進(jìn)后，新地層為流一段砂泥巖互層，鉆井參數(shù)隨即表現(xiàn)為圖9所示情況，機(jī)械鉆速低至8 m/h（正常速度20 m/h），鉆壓和機(jī)械鉆速呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)性，在取得139 m進(jìn)尺后，機(jī)械鉆速降至2 m/h以下，由于整個(gè)過(guò)程中機(jī)械鉆速都表現(xiàn)的很異常，隨即決定起鉆檢查鉆頭。

檢查鉆頭發(fā)現(xiàn)，鉆頭外錐部分已經(jīng)磨平，只剩下鉆頭的內(nèi)錐和保徑部分，鉆頭評(píng)價(jià)為：1-8-RO-A-X-I-NO-PR，從鉆進(jìn)過(guò)程分析，采用大參數(shù)劃眼下鉆導(dǎo)致了鉆頭外錐部分的先期磨損，新地層鉆進(jìn)時(shí)，高鉆壓加劇了鉆頭刀翼的磨損，最終導(dǎo)致鉆頭磨出環(huán)形槽（圖10）。

圖9　鉆頭磨出環(huán)形槽錄井曲線圖

圖10　鉆頭磨出環(huán)形槽

3　PDC鉆頭配套技術(shù)

北部灣地區(qū)潿洲組和流沙港組普遍存在的地層傾角，以及流沙港組的塑性地層（圖11），給PDC鉆頭優(yōu)越性的發(fā)揮帶來(lái)很大阻礙，通過(guò)研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，基本形成了自潿洲組一段至流沙港組二段使用彎角馬達(dá)配合PDC鉆頭，自流沙港組二段至長(zhǎng)流組使用彎角馬達(dá)配合PDC鉆頭、PowerDrive動(dòng)力導(dǎo)向系統(tǒng)配合PDC鉆頭來(lái)提速、控斜的配套技術(shù)，較大幅度的提高了北部灣地區(qū)PDC鉆頭的鉆井速度。

圖11　流沙港組的塑性地層巖性

（1）彎角馬達(dá)配合PDC鉆頭

彎角馬達(dá)配合PDC鉆頭這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，在穩(wěn)斜段不僅可以對(duì)井斜起到良好的控制效果，

而且可以提供高轉(zhuǎn)速，充分發(fā)揮PDC鉆頭的優(yōu)勢(shì)，在需要防斜的井段，又可以通過(guò)定向鉆進(jìn)實(shí)現(xiàn)有效的降斜，從而較大幅度的提高了平均機(jī)械鉆速。以7#井、8#、9#三井為例（圖12），在潿洲組～流沙港組二段的地層鉆進(jìn)中，前者使用彎角馬達(dá)配合PDC鉆頭的機(jī)械鉆速比后兩口井的常規(guī)鉆具組合提高20%以上。

圖12　機(jī)械鉆速對(duì)比圖

（2）PowerDrive動(dòng)力導(dǎo)向系統(tǒng)配合PDC鉆頭

在埋藏較深的流沙港組，PowerDrive動(dòng)力導(dǎo)向系統(tǒng)配合PDC鉆頭可以提供更加平順的井眼軌跡，使完鉆后的起下鉆更順暢，并且不受泵壓影響可以施加較高的鉆壓，從而有效的提高鉆進(jìn)效率[4]。以3 600 m深的井、600 m 8-1/2"裸眼為例，1根PowerDrive動(dòng)力導(dǎo)向系統(tǒng)+1名工程師的入井日租金是9萬(wàn)元，待命日租金是3.56萬(wàn)元，馬達(dá)總包20萬(wàn)元，自升式鉆井平臺(tái)綜合日成本120萬(wàn)元，按照?qǐng)D12所示的機(jī)械鉆速計(jì)，則純鉆進(jìn)期間采用PowerDrive動(dòng)力導(dǎo)向系統(tǒng)的工具費(fèi)用為18.75萬(wàn)元，起下鉆期間費(fèi)用4.5萬(wàn)元，待命（2天）費(fèi)用7.12萬(wàn)元，費(fèi)用合計(jì)30.37萬(wàn)元，但從工具租金算，使用馬達(dá)似乎更具經(jīng)濟(jì)性，但因?yàn)槭褂民R達(dá)而造成流二段井壁不規(guī)則，勢(shì)必會(huì)增加起鉆的難度，甚至造成嚴(yán)重的復(fù)雜情況，如果起鉆時(shí)間增加2 h，那么PowerDrive動(dòng)力導(dǎo)向系統(tǒng)與彎角馬達(dá)就擁有同樣的經(jīng)濟(jì)性，因此，在兩者的選擇上，長(zhǎng)裸眼段適合使用PowerDrive動(dòng)力導(dǎo)向系統(tǒng)配合PDC鉆頭，而較短裸眼適合使用彎角馬達(dá)配合PDC鉆頭。

4　結(jié)論與建議

（1）從現(xiàn)場(chǎng)PDC鉆頭使用情況來(lái)看，TS1952SS、TS1952RS、ST935RS、HCD605、CKS605K等鉆頭較適用于潿洲組及其以上地層，Mi519LMHBPX、MDi519LHBPX、Mi616VHVBPX、STS936RS較適用于流沙港組的地層。

（2）從地層特征來(lái)看，下洋底、潿一頂?shù)纳暗[巖，潿三段、流一段高含灰質(zhì)、高嶺土質(zhì)的強(qiáng)塑性泥巖地層，以及普遍存在地層傾角，嚴(yán)重制約著PDC鉆頭高效破巖作用的發(fā)揮，結(jié)合作業(yè)情況，建議在該地區(qū)潿一段以上地層采用一趟常規(guī)鉆具組合，自潿洲組二段至流沙港組一段使用彎角馬達(dá)配合PDC鉆頭，流沙港組二段至長(zhǎng)流組使用PowerDrive動(dòng)力導(dǎo)向系統(tǒng)配合PDC鉆頭的配套技術(shù)，以提高PDC鉆頭的破巖效率，降低綜合鉆井成本。

（3）流二段中出現(xiàn)的黑灰色碳質(zhì)泥巖條帶，目前尚無(wú)PDC鉆頭可以快速鉆穿，建議加強(qiáng)該條帶分布及其巖石力學(xué)性質(zhì)研究，從而選擇適合的PDC鉆頭類型，以備現(xiàn)場(chǎng)提速使用。

（4）鉆頭泥包、磨出環(huán)形槽等磨損類型多是由鉆頭使用措施不得當(dāng)導(dǎo)致，建議除了加強(qiáng)對(duì)錄井實(shí)時(shí)參數(shù)的判斷，還要制定完善的預(yù)防措施，通過(guò)對(duì)鉆頭磨損的早預(yù)防、早發(fā)現(xiàn)做到鉆井作業(yè)的降本增效。

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