陈星星
【期刊名称】《《探矿工程-岩土钻掘工程》》
【年(卷),期】2019(046)010
【总页数】6页(P34-39)
【关键词】涪陵页岩气; 小河坝组地层; 浊积砂; 高研磨性混合钻头 【作 者】陈星星
【作者单位】中石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司 重庆 408014
复合片钻头
【正文语种】中 文
【中图分类】P634.41; TE21+.1
0 引言
涪陵页岩气田主体地处重庆市涪陵区境内，西、北临长江，南跨乌江，东到矿权边界，属山地喀斯特地貌，地面海拔300～1000 m。涪陵页岩气田二期主要包括江东、平桥、梓里场、白涛、白马等五个区块，通过前期勘探开发展现出了良好的产能前景。
2016年以来，启动了二期江东和平桥两个区块的产能建设，通过近期数据统计，在焦石坝区块外围的平桥区块、江东区块新建钻井平台40个，完钻89口，平均完钻井深5158 m，平均垂深3259 m，垂深较一期产能建设阶段增加383 m[1-4]。平均完井周期99.17d，钻井周期延长了23.5%。与涪陵一期相比，二期页岩气井垂深不断加深，水平段越来越长，井眼轨迹越来越复杂，地质条件更复杂。施工中，钻速慢、定向托压、摩阻大等难题比较突出，为涪陵二期钻井施工带来了严峻的挑战[5-7]。 1 钻头优选研究
1.1 复杂地层钻头使用情况
平桥小河坝组地层平均垂厚约200 m，岩性以泥岩为主，砂岩较发育，粉砂岩占比10%～30%，较一期明显增加，砂泥岩互层，非均质性强，可钻性较差，钻时由主体区域的5 min/
m上升至30 min/m。牙轮钻头极不适应小河坝组地层，焦页182-xHF井3193～3404 m，进尺211 m，共使用5只牙轮钻头，耗时13.41 d，平均单只钻头进尺42.2 m，平均机械钻速1.51 m/h。采用常规PDC钻头一般需要3只才能钻穿小河坝组地层，平均单只钻头进尺100 m，平均机械钻速3.5 m/h。
龙马溪组地层浊积砂段平均垂厚约20 m，岩性以灰-灰黑粉砂岩和灰黑泥质粉砂岩为主，夹深灰泥岩，常发育1～2套箱体状灰黑泥质粉砂岩，砂岩致密，硅质含量普遍较高，可钻性较差，钻时30～40 min/m。焦页93-xHF井PDC钻头钻遇浊积砂地层仅1 m左右，钻头报废，改用牙轮钻头钻穿后，单只牙轮钻头能钻穿一套浊积砂地层，但牙齿全部磨损50%以上，平均钻速仅1.42 m/h。考虑浊积砂上部地层需要PDC钻头过渡及发育两套浊积砂的可能性，钻穿浊积砂至A靶需要2～4趟钻。
通过测井曲线及岩石力学分析，平桥小河坝组地层强度整体偏高(120～180 MPa)，地层软硬交错指数普遍大于3(最大达10)，地层软硬程度显著，可钻性差(级值在7～8之间)。浊积砂地层硬度高，可钻性级值在7～8之间。具体情况见图1。
图1 岩石可钻性分析Fig.1 Rock drillability analysis
1.2 二开大三维井定向难点分析
为实现地下井网全覆盖，多动用储量，涪陵区块采用交错式井网，为最大限度利用好地下空间，一般采取缩短前后邻井之间水平段距离的方式，具体表现为靶前距的大幅度减小，形成反向位移三维水平井(鱼钩井)。
这类井普遍具有大偏移距、小靶前距的特点，施工中造成较大的扭方位工作量，偏移距越大(超过200 m)，稳斜井段越长(超过900 m)，只要具备其中一项，二开后期扭方位时表现的摩阻就会越大，据统计(见表1)，出现轻微托压的井中，78.57%的井摩阻在80～100 kN，出现严重托压的井，86.67%的井摩阻达到100 kN以上。
表1 大三维井托压-摩阻统计Table 1 Long reach 3D well drag forces statistics井 号偏移距/m稳斜段长度/m托压及摩阻/kN焦页90xHF井655.221870托压/上提220～500焦页90yHF井1113.001652托压/上提220～400焦页64xHF井278.92969托压/上提160焦页74xHF井221.81900托压/上提140～160焦页90zHF井655.221870托压/上提220～500
定向施工过程中，上提下放摩阻较大，使用PDC定向托压憋泵情况严重，使用水力振荡器
也效果不佳，定向托压得不到缓解，扭方位井段PDC钻头易发生早期磨损，甚至形成环形槽，钻头磨损后形成小井眼，定向托压明显，且易发生卡钻。对于二期区块三维水平井而言，小河坝组地层属于扭方位的主要井段，PDC钻头的不适应性极大地影响了井眼轨迹控制的精度和效率，虽然通过对PDC钻头的改进，钻头耐磨性增强，使用2只KSD1663DRT钻头可以钻穿小河坝组含砂地层。但钻头保径仍然磨损较快，保径齿磨损之后，定向托压、卡钻的风险明显增大。
1.3 钻头优选
牙轮钻头失效特征表现为牙轮旷动、掌尖和掌背磨损；钻头钻遇软硬交错的夹层时跳钻严重，造成牙轮钻头切削齿断齿；定向段易发生偏心旋转造成掌尖、掌背以及牙轮齿槽磨损；资料分析表明，钻具刚性和强化钻井参数引起的跳钻，对钻头轴承的早期失效影响较大。PDC钻头失效特征为钻头鼻部、肩部崩齿，同时复合片磨损较多。其失效原因为地层软硬交错，互层较多，岩性变化频繁，PDC钻头复合片受到的冲击作用强，复合片易崩碎，钻头损坏较快，失去PDC钻头在定向段钻进优势；PDC钻头造斜能力差、工具面极为不稳定，制约了定向段的机械钻速[8-10]。
借鉴川渝其他工区复杂难钻地层混合钻头施工经验，推出新型结构的混合钻头，该结构同时包含牙轮和PDC刀翼，将牙轮冲击破碎与PDC复合片的剪切破碎有机结合，以达到提高切削效率目的。在不均匀及软硬交错地层，混合钻头上的牙轮切削齿对岩石产生预破碎，一方面，提高了对硬质块或硬夹层的切削效率，使得混合钻头在不均匀及软硬交错地层中具有较高机械钻速；另一方面，降低了PDC切削齿的切削载荷变化幅度，减轻钻头产生的扭转振动，PDC切削齿不易破裂，故混合钻头的使用寿命长，进尺多。在硬塑性地层及硬脆性地层，牙轮切削齿能对岩石产生预破碎，PDC切削齿能对地层形成有效切削，从而形成完整的破碎环带，使得混合钻头在硬塑性地层及硬脆性地层中具有较高机械钻速；由于PDC切削齿能对地层形成有效切削，混合钻头工作平稳，PDC切削齿不易破裂，故混合钻头的使用寿命长，进尺多[11-12]。
针对二开平桥区块小河坝组非均质高研磨地层及大三维井定向困难地层，优选了12 in KPM1633DST系列高研磨及高效定向混合钻头，见图2、图3。该系列钻头采用3PDC刀翼+3牙轮设计，具有以下特点，采用“滚动牙轮+固定刀翼”复合破岩技术；牙轮齿预破碎，降低岩石强度，提高复合片切削效率，减轻复合片损坏程度；采用滚动破岩结构，扭矩波动小；设计牙轮防掉结构，较普通牙轮钻头更可靠；PDC复合片强化保径，增强钻头抗磨性
能。高效定向钻头较同系列高研磨混合钻头相比，有以下两个特点，一是减少了合金齿的排布，增强了钻头的攻击性，增强了定向能力；二是浅内锥设计，辅助提高了定向能力。
图2 12 in KPM1633DST高研磨混合钻头Fig.2 High abrasive hybrid drill bit
针对三开硬质浊积砂地层，优选了8 in KPM1642ART系列硬地层定向混合钻头，见图4，
图3 12 in KPM1633DST高效定向混合钻头Fig.3 High efficient directional hybrid drill bit
图4 8 in KPM1642ART硬质定向混合钻头Fig.4 Directional hard hybrid drill bit
该钻头直径215.9 mm由2个牙轮和4个PDC刀翼组成(主切削齿直径16 mm)，共有6个水眼，保径长度100 mm[13-14]。具有以下特点，采用混合切削结构(4刀翼+2牙轮)；浅内锥设计，辅助提高定向能力；优化减震齿设计，使用抗研磨型齿材；使用镶齿牙轮金属密封轴承技术，延长轴承寿命。
2 应用分析
2.1 现场应用情况
截止目前，3种型号混合钻头在涪陵工区累计使用200余井次，平均每井减少起下钻4～5趟次，缩短钻井周期6～7 d。
12 in KPM1633DST高研磨混合钻头已在涪陵页岩气井全面推广应用，形成了针对平桥区块小河坝组难钻地层的有效解决方案。统计近期使用的50余只该型号混合钻头，平均进尺300 m，平均机械钻速4.5 m/h。对比常规PDC钻头，平均进尺和机械钻速指标分别提高200%、28%，平均节约钻井周期2～3 d，有效地解决了小河坝组高研磨性地层PDC钻头行程钻速低的工程难题。如该钻头在焦页189-2HF井的应用，总进尺350 m，平均机械钻速4.8 m/h，其中小河坝组地层进尺180 m，平均机械钻速4.29 m/h，为同期平桥区块小河坝组地层单只钻头最高进尺。与同期常规PDC钻头平均指标相比，进尺提高155%；与同区PDC钻头单趟钻最高进尺(KMD1663DRT加强版)相比提高14.6%；与邻井189-xHF井进口PDC钻头(SFD65DH)相比提高52.5%。
12 in KPM1633DST高效定向混合钻头针对性地解决了二开大三维井的定向施工难题，保障了定向段复杂工况的钻进，统计近期使用的该型号混合钻头，平均进尺325 m，平均机械钻速4.6 m/h。对比常规PDC钻头，平均进尺和机械钻速指标分别提高64%、63%。如该
钻头在焦页90-xHF井的应用，总进尺470 m，平均机械钻速5.3 m/h，其中扭方位复杂井段进尺220 m、平均机械钻速3.99 m/h。该钻头使用井段井斜大于45°、垂深超过3000 m，扭方位累计60.45°，工具面稳定，定向工作可操控性强，有效解决了深层页岩气大三维井定向难题。临井焦页89-xHF井在3673～3769.44 m井段共使用2只牙轮钻头，进尺96.44 m，平均机械钻速1.43 m/h，混合钻头进尺和机械钻速分别提高311.63%、64.73%。
8in KPM1642ART硬地层定向混合钻头已在工区三开定向段全面推广应用，配合低速大扭矩长寿命油基螺杆实现了三开定向段一趟钻优快钻进目标。统计近期使用的25只该型号混合钻头，平均进尺453 m，平均机械钻速7.7 m/h，对比常规PDC钻头，平均进尺和机械钻速指标分别提高150%、22%。有效解决了三开定向段浊积砂PDC钻头适应性差、牙轮钻头行程钻速低及高造斜率定向作业的工程难题。较原使用的牙轮钻头节省2～3趟钻，节约钻井周期3～4 d。如该钻头在焦页83-xHF井的应用，钻进井段：3435～4321 m(浊积砂岩井段3686～3786 m)，一趟钻钻至A靶，进入水平段200 m更换钻具组合起钻。进尺886 m(含浊积砂岩100 m)，纯钻96.80 h，平均机械钻速9.15 m/h，进尺和纯钻创涪陵工区混合钻头进尺最多、寿命最长2项最优指标。井斜由46.10°增至91.52°，方位由82.31°扭至50.11°，造斜工作量累计超45.42°，方位工作量累计超32.20°。定向效率高，一趟钻完成定向段施
工任务。
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