定北区块钻头选型的难点及对策

周 权，张建丽，张喜民，徐永斌

（1.中国石化胜利石油管理局黄河钻井北方分公司，山东东营257000；2.中国石化胜利石油管理局钻井职工培训中心）

定北区块位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡与天环坳陷的交接部位，目前该区块钻井的井型主要为直井，井深在4 000 m左右，完钻层位为马家沟组，一开采用311.2 mm钻头，二开使用215.9 mm钻头。在本区块的钻井施工中，存在着钻井周期长，机械钻速慢，钻头磨损严重，频繁起下钻换钻头、断钻具等问题。针对上述情况，虽然频繁更换钻头，调整钻进参数，但机械钻速仍没有较大幅度的提高。本文针对本区块地层的特性，利用钻头优选的方法结合现场大量的实钻参数及测井资料进行本区块的钻头优选。

1 地层特点及钻头选型情况

1.1 0～500m（第四系－志丹群）

地层特点及难点：一开井深为500 m左右，井眼尺寸为311.2 mm，上部有10～30 m的黄土层，下部500 m为泥岩及少量粉砂岩，声波值在330μs／m，地质疏松。中下部有砾石夹层，同时本段地层倾角较大，易发生井斜。

钻头选型原则：选择大齿低密度PDC钻头（19～22 mm），增强钻头的攻击性，附带减震齿来平衡井底产生的径向与轴向震动载荷，同时采用大螺旋刀翼来增大与井底的接触面积，降底钻头扭矩，提高钻头寿命。由于地层中含有砂砾岩，使用螺杆钻具易造成钻头的先期损坏。

钻具组合：常规18米单扶φ311.2 mmPDC＋203 mmNMDC×1＋φ203 mmDC×1＋φ309 mmSTB＋φ178 mmDC×7＋φ159 mmDC×12＋φ127 mmDP。钻压50～70 kN，转速70 r／min，排量35～40 L／s。

由表1可知，①PDC钻头比牙轮钻头在本段地层有更好的适应性；②同型号PDC钻头低转速比高转速有较高的机械钻速，带有螺杆钻具的钻头阻碍了钻压的释放，起出的钻头可以发现低转速钻头的磨损远远低于高转速。③由于F1638采用大齿，大螺旋刀翼，配合较大钻压，机械钻速比采用大齿、中等螺旋刀翼的P5312MD高了近一倍。所以此段选择F1638可以提高机械钻速。

表1 定北区块0～800m钻头使用对比情况

1.2 500～2 650m（志丹群－延长组）

地层特点及难点：此段依次穿过志丹群、安定组、直罗组、延安组、延长组等地层，岩性主要以粉、细砂岩、泥质砂岩为主，地层研磨性较强，砂泥岩呈不等厚互层，胶结疏松，易缩径，造成起下钻困难。其中志丹群－安定组地层倾角变化较大，易发生井斜；直罗组和延安组底部存在含砾中粗砂岩，且地层松散、胶结较差；此段声波值在240～270μs／m，孔隙度较上部变小，属于软－中硬地层。

钻头选型原则：选择中齿－大齿带有二级减震齿的胎体PDC钻头，且保径部分较短，有较强侧向力，结合18米单扶更有利于防斜打直。针对此段的情况优选出锐石M1655FC钻头和江汉F5566D钻头进行试验。

钻具组合：常规18 m 单扶φ215.9 mmPDC＋178 mmNMDC×1＋φ178 mmDC×1＋φ214 mmSTB＋φ178 mmDC×5＋φ159 mmDC×12＋φ127 mmHWDP×30＋127 mmDP。钻压60～90 kN，转速70 r／min，排量32 L／s。

由表2可知：

表2 定北区块500～2 650m钻头使用对比情况

（1）相同的井段DB12井和DB13井用了两只钻头，且上部地层均使用了螺杆钻具。由于上部地层以砂岩为主且直罗组和延安组的底部有砾岩，导致钻头切削齿的先期损坏，进入下部延长组致密泥岩地层，先期损坏的牙齿吃入能力降低，钻头攻击性减弱，机械钻速降低，必须起钻更换钻头，增加了进尺的工作时间。

（2）相对于钢体钻头，胎体钻头有更强的耐磨性及抗冲击能力，配合二级减震齿，延长了钻头的使用寿命。M1655FC（16 mm主切削齿）纯钻时间达到了98.5h，同时保持了较高的机械钻速，钻穿延长组后，在致密的纸坊组又钻进了200 m；F5566D（19 mm主切削齿）在大钻压（100 kN）的配合下，机械钻速达到了33.91 m／h，并顺利穿过延长组。因此，F5566D充分发挥了大齿超强的攻击性，M1655FC发挥了超强的抗磨性能，两只钻头均充分发挥了各自的优势。

（3）此段强研磨性地层，螺杆钻具的使用并没有提高机械钻速，反而加快了钻头的磨损，限制了钻压的释放，同时增加了井下复杂情况。因此低转速大钻压更适合本段地层。

1.3 2 650～3 230m（纸坊组－刘家沟组）

地层特点及难点：此段地层主要以大段泥岩为主，中间夹杂少量的砂岩，岩性比较单一，声波时差基本稳定在210μs／m，孔隙度很小，地层胶结致密，岩石的抗吃入性较强，但不含砾石，因此，易选择大复合片、复合切削结构PDC钻头。

钻头选型原则：易选用中等尺寸－大尺寸、中等密度布齿的胎体5刀翼的PDC钻头，刀翼中等螺旋。

本段试验了格瑞特GD1605系列钻头和江汉F5566D钻头。GD1605钻头切削齿为16 mm，中等密度分布，胎体钻头，部有二级齿，五刀翼，此钻头适用于中硬地层。GD1605ST钻头刀翼为中等螺旋直刀翼。

钻具组合：常规18 m 单扶φ215.9 mmPDC＋178 mmNMDC×1＋φ178 mmDC×1＋φ214 mmSTB＋φ178 mmDC×5＋φ159 mmDC×12＋φ127 mmHWDP×30＋127 mmDP。钻压90～120 kN，转速70 r／min，排量32 L／s。

由表3可知：①GD1605ST比GD1605TQ机械钻速快52%，与直刀翼相比，螺旋刀翼可提高刀翼的布齿密度，增大与井底的接触面积，降低钻头扭矩，提高钻头寿命和机械钻速。DB15井依然采用大齿PDC钻头（F5566D），机械钻速较GD1605系列钻头有了较大的提升；②DB11井和DB14井均使用了螺杆钻具，但机械钻速较低，因此此段地层更适合中等螺旋、大齿钻头，配合低转速、大钻压能获得较高的机械钻速。

针对此段为致密泥岩地层，岩性单一较均匀，可以考虑钢体大刀翼中等螺旋的PDC钻头。

1.4 3 230～3 650m（石千峰组－上石盒子组）

地层特点及难点：定北区块主要目的层位于石盒子组、山西组和太原组，石千峰组下部和上石盒子组为主要的泥岩盖层，可钻性极值超过了6，地层的抗压及抗剪切能力均达到了极大值；石千峰组含有较厚的棕红色泥岩，造浆率非常高，地层塑性值达到70%～80%，极易造成钻头泥包；石盒子下部有含砾粗砂岩，易引起钻头的震动破坏；硬夹层相对较多，钻时变化范围较大，引起钻压不均匀，易引起钻具的疲劳损坏，本段多次发生断钻具事故。

表3 定北区块2 650～3 230m钻头使用对比情况

钻头选型原则：当地层可钻性极值超过6的时候，只适合牙轮钻头，不适合用PDC钻头，因此本段选取HJ537G和HJ517G系列牙轮钻头试验，与其它钻头对比如表4所示。

钻具组合：φ215.9 mm 牙轮钻头＋178 mmNMDC×1＋φ178 mmDC×1＋φ178 mmDC×5＋φ159 mmDC×12＋φ127 mmHWDP×30＋127 mmDP。钻压180～210 kN，转速60 r／min，排量34 L／s。钻进时防止钻压过大，使钻头泥包，同时不断变换钻压防止钻具刺断。

由表4可知：

表4 定北区块3 230～3 650m钻头使用对比情况

（1）DB15井使用的两只牙轮钻头机械钻速比同井段的PDC钻头至少高出50%，且HJ537G更适合石千峰。说明地层抗剪切性能强，主要靠牙轮钻头的冲击压碎作用，较PDC钻头有明显的优势；DB14井使用的PDC钻头P551／M222机械钻速比HJ537G低，但是由于PDC钻头自身的优势可以减少起下钻换钻头的时间，降低掉牙轮的风险，因此两只钻头在本段使用较多。

（2）P551／M222钻头配有4×14 mm＋1×10 mm水眼，在DB13井和DB14井均产生泥包现象，且都是直径10 mm的水眼先堵死，引起相对应的水道以及相邻的水道产生泥包，进而引起整个钻头泥包，导致机械钻速下降。若增大此水眼的尺寸，此钻头更能发挥出自己的优势。

1.5 3 650～3 900m（下石盒子组－太原组）

地层特点及难点：此段包括下石盒子组、山西组、太原组，为主要的目的层，岩性主要以砂岩为主，中间夹有泥岩，声波时差较大，且山西组和太原组夹杂20 m左右的煤层，很容易产生大的掉块导致卡钻。目前本段由于取心的要求，仅能用牙轮钻头。

钻具组合：φ215.9 mm 牙轮钻头＋159 mmNMDC×1＋φ159 mmDC×11＋φ127 mmHWDP×30＋127 mmDP。钻压180～220 kN，转速60 r／min，排量30 L／s。本段选择的齿较长的 HJ437G系列钻头与其它钻头的对比如表5所示。

由表5可知，齿相对较长的HJ437G和HJ447G钻头比HJ517G钻头机械钻速快13%，对于孔隙度相对较大的目的层段，长齿的吃入性更好，机械钻速较高。钻遇此段禁止在煤层部分长时间的循环，防止煤层坍塌，引起卡钻。

1.6 3 900m以下地层（马家沟组）

地层特点及难点：马家沟组以灰岩、含灰云岩为主，孔隙度很小，声波时差在150μs／m左右，硬脆性大，研磨性高，不易破碎。

表5 定北区块3 650～3 900m钻头使用对比情况

钻头选型原则：不再适合PDC钻头，改为牙齿较短的537系列钻头。从表6可知较短齿的钻头可以获得较高的机械钻速。

2 定北区块钻头使用对比情况

由表7可知，DB1 2和DB1 5井同样的完钻井深，相同的区块，使用的钻头数量一样，由于钻头选型的不同，造成机械钻速相差38%，钻井周期相差5天；DB14和DB15有相同的钻井周期，但是完钻井深相差97 m，虽然机械钻速慢，但是少用了两只钻头，对于这种深井，减少钻头的使用数量就减少了起下钻的时间，从而缩短了钻井周期，同时减少了人工和物料的消耗。

表6 定北区块马家沟组钻头使用对比情况

表7 定北区块钻头使用对比情况

3 认识与建议

（1）由于定北区块的特殊构造，螺杆钻具的的使用加速了钻头的磨损，从而降低了钻头的机械钻速。

（2）志丹群到延长组适合大齿（≥19 mm）、大螺旋、双排齿、长抛物线以及5刀翼的PDC胎体钻头。

（3）纸坊组和尚沟地层可以尝试中等齿（16 mm）、中等螺旋、单排齿、5刀翼的PDC钢体钻头。

（4）P551／M222钻头在石盒子组泥岩段容易造成泥包，因此在钻该井段时要有针对性措施和相应的参数配合，同时钻头冠部设计以及水力设计方面还需进一步改进。

（5）目的层段（下石盒子－太原组）以砂岩为主，可以考虑齿使用较长的437、447系列的牙轮钻头，以获得更高的机械钻速。

（6）刘家沟－石盒子层段易发生断钻具事故，必须经常变换钻压，保证钻具中和点不断的变化，防止钻具疲劳。

（7）马家沟地层的研磨性较强及硬度较大，不适合PDC钻头，应改为牙齿较短的537系列钻头。

（8）保证良好的钻井液性能、选择合理的钻进参数是保证钻头有较高机械钻速的先决条件。