深層水平井鉆頭優(yōu)選與應(yīng)用

張 孟

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413）

大慶地區(qū)深井分布于松遼盆地北部，集中在徐家圍子、安達等斷陷。深層天然氣勘探開發(fā)目的層為登婁庫、營城組、沙河子等，埋深在3800～5000m。深層巖石可鉆性差，鉆頭的選型成為深層提速首要解決的問題。

1 深部地層鉆頭選型難點

1.1 PDC鉆頭

目前，在大慶深層使用的國內(nèi)外PDC 鉆頭都有局限性，始終未解決硬地層抗沖擊、抗研磨的難題。

1.2 復(fù)合鉆頭

雖然在W 深、X 深區(qū)塊水平段取得一定的提速效果，但鉆頭的可靠性、安全性有待提高，先后共發(fā)生多次掉牙輪事故，處理事故損失時間較多。此外，在Y深等其它區(qū)塊營城組地層還沒有使用，效果如何還有待于驗證。

1.3 牙輪鉆頭

由于營城組流紋巖、凝灰?guī)r和沙河子組礫巖研磨性強，導(dǎo)致鉆頭鉆速低、壽命短、用量大，平均單井三開鉆頭用量25～30只。國內(nèi)外617～737級別的牙輪鉆頭整體使用效率不高，鉆頭斷齒、掉齒、縮徑、磨尖等現(xiàn)象嚴(yán)重。

1.4 孕鑲鉆頭

渦輪鉆提速的關(guān)鍵是優(yōu)選合適的配套鉆頭，針對強研磨性流紋巖、凝灰?guī)r地層以及礫巖地層，目前還沒有合適的孕鑲鉆頭。

1.5 大斜度定向井及水平井大井眼定向施工效率低

深層大斜度定向井及水平井在?311mm 大井眼造斜，受造斜率和破巖面積影響，定向鉆速較慢。?311mm 井眼效率只有?215.9mm 井眼的62%，制約了鉆井提速。

2 深部地層鉆頭優(yōu)選

2.1 開展多學(xué)科鉆前地層可鉆性預(yù)測

針對深層地層特性差異大的特點，綜合應(yīng)用探、測、錄技術(shù)，開展了以三壓力、巖性剖面、可鉆性為主的多學(xué)科地質(zhì)預(yù)測技術(shù)研究，優(yōu)選了計算方法，形成了數(shù)據(jù)平臺。應(yīng)用該平臺計算了119 口已鉆井巖石可鉆性級值等數(shù)據(jù)，繪制了平面分布圖?？深A(yù)測區(qū)塊待鉆井巖石可鉆性，為井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆頭優(yōu)選與改進提速技術(shù)提供了依據(jù)。

2.2 各種類型鉆頭持續(xù)優(yōu)選

針對松遼盆地各區(qū)塊開展了巖石力學(xué)和地層特性分析，依據(jù)巖石力學(xué)分析結(jié)果、PDC鉆頭吃入極限理論（抗壓強度≤18000psi）和地層含礫情況，建立了松遼盆地各區(qū)塊常規(guī)PDC 使用極限深度（詳見表1），持續(xù)進行了鉆頭優(yōu)選。

表1 松遼盆地各區(qū)塊常規(guī)PDC使用極限深度數(shù)據(jù)表

2.2.1 牙輪鉆頭優(yōu)選

一是國產(chǎn)牙輪鉆頭改進。針對牙輪鉆頭出芯和縮徑兩個主要問題，與江漢鉆頭廠一起專門立項研究。經(jīng)過加強保徑、優(yōu)化齒型、牙輪體保護、采用高速軸承等多次改進，提高了抗研磨抗沖擊能力。目前江漢?215.9mm 牙輪鉆頭仍是營城組使用的主要鉆頭。改進后牙輪鉆頭平均進尺僅有74m，純鉆時間60h，平均鉆速1.43m/h。

二是引進牙輪鉆頭試驗。針對登婁庫—營城組難鉆地層水平井，先后引進了史密斯、休斯、瑞德公司的不同型號牙輪鉆頭，試驗表明，?215.9mm引進牙輪鉆頭鉆速與國產(chǎn)鉆頭相當(dāng)，進尺是國產(chǎn)的1.3 倍，價格是國產(chǎn)的3倍。

在水平段?152.4mm 井眼和?118mm 井眼，開展小尺寸引進牙輪鉆頭的試驗和優(yōu)選。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，引進牙輪鉆頭與江鉆牙輪相比沒有太大的優(yōu)勢（詳見表2）。

表2 ?152.4mm引進牙輪鉆頭與江鉆牙輪鉆頭數(shù)據(jù)對比表

2.2.2 PDC鉆頭優(yōu)選

針對不同尺寸井眼，通過持續(xù)開展國內(nèi)外PDC 鉆頭試驗優(yōu)選：

?311mm井眼：2500m左右的技套井段，可實現(xiàn)兩只國產(chǎn)PDC 鉆頭（M1951SGU/T1951DB+CK506/CK606）完鉆；2800m完鉆的技套，D深區(qū)塊使用液力旋沖工具可實現(xiàn)PDC 完鉆，X 深、Y 深等區(qū)塊，尚需液力旋沖工具+兩只PDC+3～4只牙輪鉆頭才能完鉆。

?215.9mm 井眼：PDC 鉆頭基本取代牙輪鉆頭。D 深區(qū)塊使用液力旋沖工具+PDC 或渦輪鉆具+孕鑲鉆頭可鉆穿登婁庫地層，實現(xiàn)了營城沙河子組地層PDC鉆頭完鉆，但在Y深、X深等難鉆區(qū)塊只能鉆進到登二段，營城組PDC鉆頭尚不適應(yīng)。

?152.4mm 井 眼：PDC 鉆 頭 在S 深12H、S 深103H、D深24等5口井使用23只。引進哈里伯頓鉆頭使用效果要好于國產(chǎn)，液動旋沖工具+PDC 效果好于常規(guī)鉆井方式，但X深區(qū)塊仍以牙輪為主。

2.2.3 復(fù)合鉆頭試驗

KM524 復(fù)合鉆頭:自2014年以來，主要在貝克休斯公司外包的水平井上得到應(yīng)用，截止2016年底累計使用158只，水平段提速見到了明顯效果。

江鉆復(fù)合鉆頭：近兩年累計試驗了4 只，平均鉆頭進尺98m，平均鉆速1.90m/h；方23 井相比本井同層位牙輪鉆速提高65%，較好地解決了礫石發(fā)育地層鉆速慢、磨損嚴(yán)重的問題，可進一步推廣應(yīng)用（詳見表3）。

表3 江鉆復(fù)合鉆頭與牙輪鉆頭使用數(shù)據(jù)對比表

自主研制的復(fù)合鉆頭：針對深井巖性復(fù)雜多變、夾層交互的特點，自主研制了牙輪+PDC 復(fù)合鉆頭，在S66 井現(xiàn)場試驗，進尺103m，平均鉆速3.11m/h，相比鄰井最高指標(biāo)進尺提高155%，機械鉆速提高9%。

2.2.4 非平面齒PDC鉆頭試驗

為探索基巖地層提速，突破PDC 使用極限，引進試驗了休斯頓研發(fā)中心非平面齒PDC 鉆頭。試驗表明，在LT-1井進尺和鉆速指標(biāo)較好，可進一步試驗應(yīng)用；但在LT-2 井的花崗巖地層鉆進，鉆頭磨損嚴(yán)重，尚不適應(yīng)該地層(詳見表4）。

表4 休斯頓研發(fā)中心非平面齒PDC鉆頭試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

3 結(jié)論與認(rèn)識

通過開展個性化鉆頭優(yōu)選改進與試驗，形成了大慶深層高效鉆頭序列，現(xiàn)場應(yīng)用取得較好效果：2500m技套2只PDC鉆頭完鉆，登婁庫PDC鉆頭部分取代牙輪，水平段復(fù)合鉆頭見到好效果，高速牙輪鉆頭壽命延長。