伊拉克M油田下法尔斯地层PDC钻头的优选

范丰年，李福明，张晓广

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 （天津 300452）

PDC钻头具有金刚石的硬度和高耐磨性，在大段软到中硬的地层中钻进时，机械钻速高，寿命长，起下钻次数少，综合经济效益显著。随着技术的发展，PDC钻头的型号越来越多，因此在使用PDC钻头时，进行合理的钻头选型至关重要。不同地层岩石密度、声波时差、泥质含量不同，则岩石的硬度、研磨性各不相同。在伊拉克M油田钻井作业期间，通过测井资料获取以上岩石力学参数，再结合M油田已钻井的资料和地层岩性特征，进行了PDC钻头的优选。

1 下法尔斯地层岩性特征

M油田下法尔斯组地层为盐膏地层，埋深3 000 m左右，沉积厚约800 m，岩性包含硬石膏、泥岩及盐层。下法尔斯组由上到下分为5段（Mb5-Mb1），其中Mb5段上部主要为大段泥岩夹薄层石膏，下部为泥岩和石膏不等厚互层，总厚度约320 m，Mb4段主要为泥岩与石膏夹薄层盐岩，总厚度约260 m，Mb3段为大段石膏并伴有泥岩和盐岩夹层，总厚度约130 m，Mb2段和Mb1段厚度都在30～40 m，分别为纯盐岩和石膏[1]。

2 PDC钻头的选型方法

钻头选型最重要的依据是地层，如果在泥页岩中钻进多选择PDC钻头；地层研磨性较强时，应选用加强保径钻头或者外排齿加密的钻头；石膏、盐岩、泥岩和一些不含石英颗粒的碳酸盐岩研磨性很小；灰岩和白云岩等属于低研磨性的岩石，石英砂岩和粉砂岩具有较高的研磨性[2-5]。

利用测井资料选择钻头，该方法主要通过伽玛、声波时差、中子密度等测井资料计算出岩石的弹性模量及内摩擦角等。研究表明岩石的内摩擦角与研磨性有很好的相关性，岩石内摩擦角低于40°则认为地层研磨性不太强，可以选用一般的PDC钻头钻进，如果岩石内摩擦角高于40°则认为地层研磨性比较强，宜选用耐磨性好的特殊加工的PDC钻头或天然金刚石钻头[6-10]。

若地层不均质，软硬交错，夹层较多，应考虑选择抗冲击性能好的切屑齿、并且适合钻夹层的PDC钻头。

3 M油田PDC钻头的现场应用问题及分析

下法尔斯地层钻进主要使用5刀翼、19 mm切屑齿的刚体钻头。根据M油田已钻井的钻头使用情况，对7口井的PDC钻头在各段地层的钻速进行统计，见表1。

如表1所示，钻头在Mb4段的钻速高于Mb5段，进入Mb3段后钻速出现普遍下降，而Mb2段由于盐层的存在可钻性较高，钻速普遍较快。其中A-4井的第一只钻头，未能钻穿整个层位（图1）。综合评价下法尔斯层位整体平均钻速在3～4 m/h。因此，钻头选型要考虑提高钻头的机械钻速和延长使用寿命。

表1 下法尔斯地层PDC钻头使用记录

图1 伊拉克M油田A-4井PDC钻头入井与出井照片

机械钻速低的主要原因：①下法尔斯地层从上到下各段都含有较多的夹层，尤其是Mb5段下部和Mb4段，频繁出现泥岩及硬石膏的夹层，钻进期间易出现蹩钻现象，因此软硬交错、频繁出现的夹层导致了切屑齿先期崩齿损坏；②继续钻进Mb3的石膏层时，切屑齿吃入地层就比较困难，造成机械钻速较低；③钻进Mb5段时要弱化钻井参数，保持钻压3～5 kN，防止高钻压造成切屑齿及早磨损，A-4井第一只钻头钻进Mb5段时采用6～8 kN，导致钻头在钻进下部井段时钻速过低，未能钻穿下法尔斯层位。

图2为下法尔斯地层的岩石力学评价图，除Mb5段上部2 200～2 300 m和Mb3段下部2 800～2 900 m地层内摩擦角均值较高约40°，地层研磨性稍强，剩余井段地层内摩擦角均值约35°，多数井段地层研磨性不高，考虑选用一般耐磨性强度的PDC钻头。

4 钻头个性化改进

钻头结构是钻头保持优异性能的关键，因此需要合理的设计钻头结构。总体来说，下法尔斯地层钻进的主要问题有机械钻速过低、钻头使用寿命低、切屑齿崩齿等，通过对钻头出井情况的深入分析，考虑改进PDC钻头结构，同时对切屑齿进行辅助改进。

图2 下法尔斯地层岩石力学参数评价结果

4.1 钻头结构改进

针对M区块的地层特性和钻进工况，对钻头结构进行如下改进：

1）针对PDC钻头出现的崩齿现象，在钻头刀翼的肩部位置设计减震节，且尽量靠近钻头心部，对内外排齿都起到保护作用。

2）考虑到钻头稳定性钻头采用5刀翼结构，对保径采用一定的螺旋角度，增大与井壁的接触，保证钻头在井底的稳定切屑，减轻不稳定工况造成的钻头崩齿及正常磨损，延长钻头的使用寿命。

3）钻头的切入地层的能力随着切屑角的增大而减小，但过小的切屑角容易导致切屑齿过早损坏。因此综合考虑区块内地层的特点、钻头的机械钻速、稳定性和使用寿命，减小PDC钻头切屑齿后角2°～3°至18°左右，并从内锥到外锥，后角逐渐由小变大，使破碎的岩石快速排出井底，防止重复破碎，如图3所示。

图3 PDC切屑齿后角

4.2 切屑齿改进

1）由于钻进期间地层夹层较多，采用金刚石含量更高的复合片，提高切屑齿的耐用性和抗冲击性，从而延长使用寿命。

2）减少心部切屑齿倒角至0.2 mm，减少应力集中，以提高切屑齿切入地层的能力，提高机械钻速，降低钻头使用初期出现崩齿的可能性，并较大程度提高了切屑齿抵抗轴向和切向冲击载荷的能力，如图4所示。

图4 钻头心部切屑齿倒角

5 改进型钻头的应用

综合改进措施，优选出了适合下法尔斯地层的钻头，推荐采用NOV DFR519S和BESTE TS1952SS钻头，相应的钻井参数：钻压60～100 kN，转速70～90 r/min，排量 40 L/min，泵压 15～18 MPa。钻具组合：311.15 mm PDC钻头+浮阀接头+2根203.2 mm钻铤+308 mm扶正器+8根203.2 mm钻铤+203.2 mm随钻震击器+变扣接头+15根127 mm加重钻杆。具体钻头型号及应用效果如表2所示。

钻头与优选之前相比，下法尔斯地层每一段的机械钻速都有所提高，单只钻头能够钻穿整个层位，其中平均钻速提高65%，表明该地层钻头的优选结果是合理的，全井段提速明显，大大节省了钻井周期。

6 结论与建议

1）将已钻井的钻头使用统计结果和地层的岩石力学性质结合起来，对钻头进行个性化设计，能够有针对性地优选出适合本区块的PDC钻头，从而达到提高机械钻速的目的。

表2 下法尔斯地层PDC钻头优选结果及记录

2）下法尔斯地层钻进的主要难点位于Mb5-Mb3段，对钻头在每一段地层的使用情况进行跟踪和分析，能够有效地改善当前钻头的破岩效率。

3）选用金刚石含量更高的钻头复合片，可提高钻头的抗冲击性，延长复合片的使用寿命。

4）对切屑齿后角及心部切屑齿倒角进行调整，能够有效提高钻头在下法尔斯地层钻进的破岩能力。

5)随着钻井数量的增加，对M油田的下法尔斯地层认知程度会进一步的提高，在以后的使用过程中，需要继续对PDC钻头的使用进行研究和探索。