哈拉哈塘地区深井PDC钻头优选技术

陶思才，杨 坤，赵 通，张 杨

（1.川庆钻探公司塔里木工程公司，新疆库尔勒841000；2.西南石油大学石油工程学院，四川成都610500）

哈拉哈塘地区深井PDC钻头优选技术

陶思才*1，杨 坤1，赵 通1，张 杨2

（1.川庆钻探公司塔里木工程公司，新疆库尔勒841000；2.西南石油大学石油工程学院，四川成都610500）

针对塔北哈拉哈塘油田深井构造特征,利用钻井、测井和实验室资料等对哈拉哈塘区块的岩石可钻性和PDC钻头选型进行了研究，得出地层的PDC钻头可钻性级值、硬度、抗压强度、抗剪强度和研磨性等力学参数,建立了哈拉哈塘区块可钻性剖面，对区块部分完钻井钻头使用情况进行分析,并结合可钻性剖面优选了PDC钻头。通过现场试验取得了良好的效果，证明优选的钻头经济实用,能够有效提高机械钻速。

PDC钻头优选；可钻性；机械钻速；深井；哈拉哈塘地区

塔北哈拉哈塘油田油层埋藏深，地质情况较为复杂。该区地层自上而下主要为第四系、新近系、古近系、白垩系、侏罗系、三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系、志留系、奥陶系，部分区块地层存在缺失。该区块上部地层可钻性较好、但地层倾角较大，钻井中易导致井斜；下部地层岩石硬度大，可钻性较差，实钻资料也显示该区块二叠系及以下地层机械钻速低，钻井周期长。因此严格控制井斜、确保井眼质量，提高机械钻速指标，是该区钻井工作的重要任务。在钻井施工中，若能预测并建立整个区块的可钻性剖面，并根据可钻性剖面优选钻头，对于提高钻井速度、降低钻井风险、节约钻井成本都具有重要的意义。

1 哈拉哈塘区块地层可钻性剖面的建立

1.1 岩芯岩石力学参数的室内测定

试验与研究表明，测井资料可较好地体现岩石的物理机械力学特性。地层的横波时差反映了地层的剪切变形特性，地层的纵波时差反映了地层的拉伸和压缩变形特性及强度特性，因此岩石的纵横波时差必然能反映出岩石的力学特性，由估算纵横波时差的散射模型理论知：岩石的纵波时差ΔTp和泥质含量Vcl(与自然伽马值有关)是影响岩石横波时差最主要、最直接的因素，而且从理论来讲，从常规测井资料中得到的ΔTp和自然伽马值必然和岩石力学特性有内在的联系[1]。

为了找出岩石力学特性参数与纵波时差和自然伽马值的内部联系，收集了哈拉哈塘区块几口典型井的测井和录井资料，并对这些井10块不同深度、不同层位、不同岩性等具有广泛代表性的岩芯，在实验室内分别测定了它们的PDC钻头可钻性、硬度、单轴抗压强度、研磨性、抗剪强度等特性参数。岩石可钻性采用采用岩石可钻性测定仪进行测定，硬度采用用史立涅尔圆柱压入法进行测定，抗压强度和抗剪强度在岩石抗压抗剪试验机上进行测定[2]。岩芯实验结果见表1。

1.2 哈拉哈塘区块钻井岩石力学特性参数预测模型及可钻性剖面的建立

我们对上述岩样的各项岩石力学特性参数与纵波时差和自然伽马值的关系作散点图并进行相关性分析，根据《现代统计分析方法与应用》中的相关系数理论[3]，得出岩石的各项抗钻特性与纵波时差有显著的线性关系，而与自然伽马值则没有明显的线性关系。

因此，以纵波时差ΔTp为自变量，分别以PDC钻头可钻性级值Kdpdc、硬度Kh、研磨性ω、单轴抗压强度Kc、抗剪强度Kv为因变量，按直线函数、幂函数、对数函数、指数函数和多项式模型进行回归分析，按数理统计中的单因素方差分析理论，以相关系数R、标准差S和统计检验值F为判断标准，对回归结果进行分析验证，最后选择最优拟合曲线。

根据上述方法我们得到了哈拉哈塘区块钻井岩石力学特性参数与测井声波时差的关系（见表2）。

根据上述研究成果，基于哈拉哈塘区块典型井的测井参数，采用逐点处理与解释，建立了工区地层的可钻性剖面如图1所示，由图可知：二叠系玄武岩可钻性差，泥盆系、志留系含石英砂岩层段研磨性强，与这些层段机械钻速较低、钻头损伤较严重等实际情况相符合。根据该油田可钻性测定值范围及其分布规律预测，结合大量钻头统计资料可以确定地层可钻性级别与钻头类型之间的对应关系[4]。基于测井资料求得的岩石可钻性级值、研磨性参数值与岩石力学试验结果和现场实钻资料对比，符合度较高，验证了计算模型的正确性，研究成果可满足工程应用，具有一定的实用价值。

表1 哈拉哈塘区块试验岩芯测井与录井原始数据与岩芯实验结果

表2 哈拉哈塘区块岩石力学特性参数与测井声波时差的关系

2 PDC钻头优选

2.1 哈拉哈塘区块钻头优选难点

根据该区块实钻资料、岩芯室内试验结果以及区块岩石可钻性剖面图，总结出哈拉哈塘区块钻头优选的难点为：

（1）三叠系泥岩胶粘性很强，地层夹层较多，且含砾砂岩对PDC钻头具有较大破坏性，钻头选型困难；

（2）二叠系至石炭系上部地层岩性致密、抗压强度高，间杂含有砾岩，且在二叠系存在火成岩，可钻性差，PDC牙齿不易吃入，易造成PDC钻头切削齿崩坏；

（3）二叠系以下含钙质砾岩井段，泥盆系、志留系细砂岩，志留系含石英砂岩，研磨性强，常规PDC钻头在高研磨性地层钻进使用寿命短，机械钻速低，起下钻频繁。

2.2 哈拉哈塘区块钻头优选思路

钻头的选择与使用原则是：选择适应地层硬度、抗压强度和地层可钻性的钻头型号，使钻头的钻速和进尺达到最高，综合钻井成本降到最低。以地层岩石可钻性剖面作为PDC钻头优选的主要标准，并结合抗压强度等岩石力学特性参数和已钻井各地层钻头使用效果，对研究工区PDC钻头进行优选[5]。

（1）一开∅406.4mm井段以粘土、砂泥岩为主，地层可钻性好，因此优选19mm5刀翼适用于快速钻进的钢体钻头STS915K（可使用牙轮开眼）。

（2）二开∅241.3mm新近系—三叠系井段钻进中裸眼段长，钻遇地层多，针对侏罗系、三叠系地层夹层较多，钻头选型困难，三叠系以泥岩为主，易造成PDC钻头泥包的特点，故宜优选采用防泥包设计的19mm大复合片5刀翼的钢体钻头：STS915K、SF56H3、SP1935L、CKS605Z，与常规PDC钻头相比，这些钻头攻击性更高、适合于快速钻进。

（3）针对二开∅241.3mm二叠系—石炭系上部泥岩井段地层岩石性硬、脆，且在二叠系存在火成岩，PDC钻头在此层段使用效果较差，常规钻进需用2～3只牙轮钻头的现状，试用扭力冲击器+专用钻头U513M，与常规钻井技术相比，扭力冲击器可将钻井液的流体能量转换成频率高且稳定均匀的扭向冲击能并直接传递到PDC钻头，使得PDC钻头上有转盘提供的扭力和扭力冲击器提供的扭向冲击力2个力来切削地层，实现高效破岩，提高机械钻速和钻井效率。

图1 哈拉哈塘区块岩石可钻性剖面

（4）针对二开∅241.3mm二叠系以下井段（石炭系—中完井深或造斜点）钻进中常规PDC钻头钻进寿命短，机械钻速低的特点，优选采用16mm复合片5刀翼（3主刀翼和2辅刀翼）强化保径的钢体钻头：FX55sX3、FX55DX3、STS615K、SP1635L、CK505 (D)。其中，优选的FX55sX3和FX55DX3通过调整刀翼角度和布齿密度，具有更高的攻击性、较强的抗研磨及抗冲击能力。

（5）三开∅171.5mm井段以灰岩为主，可钻性中等，根据该区钻头统计资料，优选采用13mm主切削齿6刀翼，具有高抗研磨性和热稳定性的PDC钻头M1365D或CK406D。

2.3 哈拉哈塘区块钻头优选结果

根据优选思路，得出了适合哈拉哈塘区块不同层位的钻头型号（见表3）。

表3 钻头优选结果

3 现场试验与应用效果分析

优选的PDC钻头在哈拉哈塘油田部分井进行了现场试验，取得了较好的应用效果。

3.1 ∅241.30mm PDC钻头STS915K试验情况

在H802-1井新近系—三叠系井段试验∅241.30mm PDC钻头STS915K，实现总进尺4101m，机械钻速13.38m/h。图2为H802-1井与邻井钻头使用情况对比图。由图2可知，与区块邻井同地层单只钻头平均进尺为1774.79m相比，提高了131.1%，区块邻井同地层平均机械钻速为8.72m/h，同比提高了53.44%。试验结果表明该系列钻头非常适合在该地层钻进。大大节省了钻井周期和钻头费用。

图2 H802-1井∅241.30mm PDC钻头（STS915K）与邻井钻头使用情况对比图

3.2 扭力冲击器+∅241.30mm专用PDC钻头试验情况

在Q2井和H121-2井二叠系—石炭系上部井段试验扭力冲击器配合∅241.30mm专用PDC钻头U513M钻进，实现一趟钻穿二叠系，并获得较高机械钻速。图3为Q2、H121-2井扭力冲击器+∅241.30mm专用PDC钻头与邻井钻头使用情况对比图。由图可知，Q2井获单只钻头进尺757m，机械钻速3.8m/h，H121-2井获单只钻头进尺439m，机械钻速3.72m/h，与区块邻井相比，节约2～3趟钻。与区块同地层单只钻头平均进尺202.89m和区块同地层平均机械钻速1.80m/h相比，提速效果明显，节省了钻井周期和钻头费用。

图3 Q2、H121-2井扭力冲击器+∅241.30mm专用PDC钻头与邻井钻头使用情况对比图

3.3 ∅241.30mm FX55X3系列PDC钻头试验情况

3.3.1 Q2井与H121-2井试验情况

自石炭系开始试验∅241.30mmPDC钻头FX55sX3常规钻进。实现两只钻头钻至中完井深（或造斜点），相比邻井节约了2～4趟钻，并获得了较高的单只钻头进尺和机械钻速。

图4为Q2、H121-2井241.3mm(FX55sX3)与邻井钻头使用情况对比图。其中Q2井实现单只钻头进尺424.5m，机械钻速5.09m/h。与区块邻井同地层单只钻头平均进尺176.3m相比，提高了140.78%，区块邻井同地层平均机械钻速为1.80m/h，同比提高了182.8%。试验结果表明该系列钻头非常适合在该地层钻进。

图4 Q2、H121-2井241.3mm(FX55sX3)与邻井钻头使用情况对比图

3.3.2 RP7004井与XK5002井试验情况

在RP7004井和XK5002井二叠系以下井段试验241.3mmFX55DX3和FX55sX3，它们都是3个主刀翼、2个副刀翼设计，具有更强的攻击力和较高的稳定性。如图5所示，RP7004井FX55DX3和FX55sX3平均进尺是邻井平均进尺的2.92倍，平均机械钻速是邻井平均机械钻速的1.78倍；XK5002井FX55DX3进尺是邻井平均进尺的2.95倍，机械钻速是邻井平均机械钻速的1.40倍。这大大节省了钻井周期和钻头费用。

图5 RP7004井、XK5002井241.3mm(FX55sX3、FX55DX3)钻头与邻井钻头使用情况对比

4 结论 （1）利用测井资料建立了研究工区的地层可钻性剖面，并根据该区块的钻头实际使用资料，优选出了与地层特性相适应的PDC钻头。

（2）通过PDC钻头优选，将优选的钻头在哈拉哈塘油田进行试验，取得了较好的应用效果，新近系—三叠系井段单只钻头平均进尺较区块邻井同地层提高了131.1%，平均机械钻速比区块邻井同地层提高了53.44%；在二叠系井段实现了一趟钻钻穿二叠系，比区块邻井节约2～3趟钻，提速效果明显；二叠系以下地层至中完井深（或造斜点）单只钻头平均进尺较区块同地层提高140.78%，机械钻速较区块平均机械钻速提高182.8%。成功解决了三叠系底部、二叠系及以下地层机械钻速慢、单只钻头进尺短的问题。

（3）建议结合区块各试验钻头的实钻情况，继续开展新型钻井提速工具的优选与试验，以进一步提高钻井速度，实现优快钻井。

[1]张磊，等.英买力地区岩石抗钻特性岩性预测和地层可钻性剖面研究[J].钻采工艺，2007,30(4):26-28.

[2]滕学清,文志明,王克雄,张德龙.塔中岩石可钻性剖面建立和钻头选型研究[J].西部探矿工程,2010(11).

[3]吴羽,李永乐,胡庆军.应用数理统计[M].北京:国防科技大学出版社,1995.

[4]聂荣国，等.伊朗阿扎德甘油田地层三压力及岩石可钻性研究[J].钻采工艺,2012,35(5):22-24.

[5]欧阳勇,吴学升.苏里格气田PDC钻头的优选与应用[J].钻采工艺,2008,31(2):13-15.

[6]王克雄,魏凤奇.测井资料在地层抗钻特性参数预测中的应用研究[J].石油钻探技术,2003(5).

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TE922

A

1004-5716(2015)08-0074-05

2014-08-25

陶思才（1965-），男（汉族），四川广安人，高级工程师，现从事钻井工程的管理和科研工作。