涪陵页岩气特殊地层钻头优选技术

王宝元 张勇

【摘 要】2017年以来，重庆涪陵页岩气勘探开发已经逐步分布在江东外围和平桥区域，该地区地质构造复杂、地层倾角和地层差异较大，除常规PDC钻头优选应用之外，部分特殊地层因岩性结构比较复杂钻头选型困难，严重制约了钻井速度。根据涪陵页岩气钻井数据库及以往使用的PDC钻头与地层的适应性分析，通过技术分析和攻关创新，及数个平台井施工，基本攻克了这些特殊地层PDC钻头选型问题，进一步完善了涪陵页岩气钻井数据库，为涪陵页岩气提速挖潜增效做出了贡献。

【关键词】构造复杂;钻头优选;机械钻速;抗研磨性;提速提效

1 概述

自重庆涪陵页岩气二期产建实施以来，位于边缘地带的江东和平桥地区，因地质构造复杂，地层倾角偏大，储层埋藏不断加深，导致同平台同类地层埋藏深度和岩性特征都存在较大差异，给钻头选型造成很大困难，实现优快钻井难度不断加大。涪陵地区地层主要为灰岩地层，但是这些特殊地层因含有不同类型的石英砂岩、粉砂岩、粗砂岩等，地层研磨性强，导致PDC钻头外径、冠部外排齿磨损，换钻头频繁，严重制约了钻井速度，主要包括：龙潭组、茅口组、梁山组、黄龙组、韩家店上部等地层。只有通过细致的分析，找出影响钻头行程钻速的主要因素，通过技术攻关和优选适应地层的钻头来解决这些制约钻井速度的难题。

2 特殊地层钻头选型难点

2.1 针对平桥地区上部飞仙关至长兴组地层主要以灰岩为主，井段长达1100m，常规PDC钻头攻击性偏低，复合片质量存在缺陷，需两只方可钻穿，且机械钻速仅有8～11m/h，制约了钻井速度。

2.2 涪陵地区龙潭组和茅口组上部地层灰岩中含石英砂岩、粗砂岩、角砾岩和炭质泥岩，不宜使用PDC钻头。

2.3 梁山、黄龙组地层含黄铜矿，研磨性强。韩家店组上部地层粉砂质泥岩和泥质粉砂岩发育，研磨性较强，极易损害PDC钻头保径和冠部齿;小河坝组地层埋藏相对较深，地层粉砂质泥岩发育，研磨钻头和定向托压比较严重，导致钻头行程钻速低，起下钻换钻头频繁。

2.4 三开目的层龙马溪组地层发育一段浊积砂，厚度10～90m不等，其岩性主要以灰黑色、黑色粉砂岩为主，研磨性强，钻头选型困难。

3 现场应用

3.1 平桥地区焦页190平台钻头优选

平桥地区飞仙关至长兴组地层灰岩和泥页岩发育，埋藏较江东地区相对要浅400-500m，可钻性相对较好。通过平台钻井数据对比，焦页190-4HF井二开选用SFD65DH型PDC钻头，增强了钻头攻击性，提高了复合片质量，在飞仙关至长兴组1060-2154m井段钻进，进尺1094m，机械钻速16.58m/h，创平桥工区最快指标，较焦页190-1HF井使用两只江钻PDC钻头平均钻速9.82m/h提高68.84%，节约一趟钻一个钻头，钻井周期同比节约3.5天。

3.2 龙潭、茅口组牙轮钻头优选

該地层灰岩中富含石英砂岩、角砾岩和黑色炭质泥岩，地层胶结不整合蹩跳钻严重，使用HJT537GK钻头虽然初始钻时略高，但因楔形齿牙齿偏大，易断齿和磨损，纯钻时间短，行程钻速低;于是选择使用HJT637GL钻头，利用其锥型齿牙齿小、抗研磨和抗冲击破碎能力强等特点，解决了选型难题。

3.3 梁山、黄龙组地层钻头优选

梁山、黄龙组地层累计厚度约20m左右，均含黄铜矿，常规PDC钻头一旦钻遇黄铜矿，钻时立即由4-8min/m激增至60min/m以上，钻头快速磨损，刀翼磨成“锥型”或“台肩型”导致钻头报废，因此需用牙轮穿过该层后再下PDC钻头钻进。

针对黄铜矿地层强研磨特性，调研分析发现KMD1663DFRT“斧型齿”钻头复合片中间加厚呈屋脊状，复合片切削地层时会产生尖端效应（类似斧头劈裂和船头劈浪效应），复合片受力向两侧分解，增强了钻头的攻击性、抗研磨性及抗冲击破碎能力。

焦页87-6HF井在茅口组（2295m）下入该型钻头，一趟钻钻穿梁山、黄龙组地层（2550m-2567m）进入韩家店，进尺368米，机械钻速6.95m/s，相比焦页87-4HF、焦页87-5HF井使用牙轮钻头钻速提高80%，节约一只牙轮钻头、一趟钻和钻井周期2天。

3.4 韩家店上部地层钻头优选

韩家店组上部地层粉砂质泥岩和泥质粉砂岩互层发育，研磨性较强，厚度约300m，常规PDC钻头进尺仅100m左右，机械钻速5-6m/h。通过分析该地层PDC钻头使用情况发现：常规PDC钻头刀翼上只有2-3颗保径齿，钻进过程中，保径齿和冠部外排复合片因线速度高，易冲击破碎和磨损，导致钻头外径磨小（Φ306-308mm），出现蹩钻、钻时大幅上升而频繁起下钻换钻头，造成钻头行程钻速低，而起出钻头底部切削齿因线速度偏低、复合片量多受力较均匀而大多完好。

通过地层岩性特征和钻头磨损情况分析，我们要求钻头厂家在刀翼上加布保径齿、侧翼及冠部切削齿，进一步增加布齿密度，强化刀翼保径齿和外排齿结构，提高钻头抗研磨性、抗冲击破碎特性和使用寿命。改进的S5566TA型PDC钻头，每个刀翼加布3-4颗复合片，实钻证明效果显著。

由上表对比看出，焦页87-4HF井韩家店组2530m～3460m井段用了五趟钻五只常规PDC钻头，进尺930m，平均机械钻速5.94m/h，周期13天;焦页87-5HF井韩家店组2550m～3450m井段使用一只改进型PDC钻头，一趟钻进尺900m，机械钻速7.26m/h，周期7天，钻速提高22.22%，节约周期6天;焦页87-1HF井韩家店组2650m～3743m井段使用两只改进型PDC钻头，两趟钻进尺1093m，平均机械钻速9.34m/h，周期8天，钻速提高57.24%，节约周期7天，综合效益显著。

3.5 小河坝组地层钻头优选

小河坝组位于韩家店组下部埋藏相对较深，粉砂质泥岩发育，由于接近中完，井身轨迹调整比较频繁，随钻定向工作量较大，钻速满造成钻头外径磨损和定向托压比较严重，导致钻头行程钻速低。优选使用KPM1633DST型混合钻头，解决了钻头外径磨损和随钻托压，实现一只钻头即可顺利达到中完井深。

3.6 水平段钻头优选

为加快页岩气水平井施工进度，保证入窗后水平段一趟钻完成。通过前期调研和实钻应用，优选使用KSD1652AGR和KMD1652ADGR两种型号钻头，分别在焦页27平台（水平段平均机械钻速18-21m/h），焦页190平台（水平段平均机械钻速8.75m/h）和焦页82平台（水平段平均机械钻速7.28m/h），三个平台四口井实现了水平段一趟钻完成，加快了钻井速度和施工进度。

4 结论与认识

4.1 综上所述，通过技术创新攻关和现场实践应用，基本解决了涪陵页岩气边缘地区特殊地层钻头选型难题，实现了提速提效目标。

4.2 进一步完善了涪陵页岩气钻井数据库，简化了钻头、钻具组合优选程序，降低了查阅邻井资料工作量，提高了技术方案制定速度和准确性。

4.3 通过钻头优选技术的实践应用，降低了井下复杂，提高了钻井速度和施工进度。新一轮施工井钻井速度提升超过20%，单井节约钻井周期最高近10天，较前期施工井累计节约近30天，70型电动钻机按日费11万元/天测算，累计节约成本30天*11万元/天=330万元，取得了良好的经济效益和社会效益。

（作者单位：中石化中原工程公司钻井二公司技术发展中心）