混合钻头在涪陵页岩气田的应用

陈星星

(中石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司，重庆 408014)

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，岩性以灰色-灰黑色粉砂岩和灰黑色泥质粉砂岩为主，夹深灰色泥岩，常发育1～2套箱体状灰黑色泥质粉砂岩，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.1Rock 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

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12in 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

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。

2.2 应用评价

钻头比能是指钻头从井底地层破碎单位体积岩石所需要做的功，钻头比能越低，说明钻头的破岩效率越高，钻头使用效果越好[15]。但现场由于起下钻时间较长，因此钻头选型不仅要考虑钻速，而且要兼顾进尺，以减少起下钻次数，由于比能法未考虑钻头进尺因素，评价不够全面。因此，为综合考虑比能和进尺，以钻头钻进每米进尺消耗的比能作为钻头的评判选择依据，以真正反映钻头的进尺和使用效果。基于常规钻头及混合钻头的使用数据，通过比能算法得到钻头比能，比能/进尺值越小表明该钻头应用效果越佳。统计结果见表2。

表2 钻头比能/进尺统计Table 2 Bit specific energy/footage statistics

3 结论

针对二期目的层垂深较深，裸眼井段长，存在摩阻扭矩大、部分地层可钻性较差的特点，基于混合破岩理论，优选了适合涪陵页岩气二期复杂地层的混合钻头，提高了机械钻速及钻头进尺，形成了针对平桥区块小河坝组及龙马溪组浊积砂难钻地层和大三维井定向复杂工况的有效解决方案。为二期产建钻井提速提效提供了技术保障。

通过现场实践应用，客观地反映了混合钻头的应用效果，相比常规钻头技术，提速效果显著。12in KPM1633DST系列抗研磨性、高效定向混合钻头及8in KPM1642ART系列硬质定向混合钻头，已在涪陵页岩气井田全面推广应用。

通过比能法对混合钻头进行了应用评价，技术指标全面超越常规钻头，应用效果显著，能够满足平桥区块小河坝组及龙马溪组浊积砂难钻地层和大三维井定向复杂工况的使用要求。