深层水平井钻头优选与应用

张 孟

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413）

大庆地区深井分布于松辽盆地北部，集中在徐家围子、安达等断陷。深层天然气勘探开发目的层为登娄库、营城组、沙河子等，埋深在3800～5000m。深层岩石可钻性差，钻头的选型成为深层提速首要解决的问题。

1 深部地层钻头选型难点

1.1 PDC钻头

目前，在大庆深层使用的国内外PDC 钻头都有局限性，始终未解决硬地层抗冲击、抗研磨的难题。

1.2 复合钻头

虽然在W 深、X 深区块水平段取得一定的提速效果，但钻头的可靠性、安全性有待提高，先后共发生多次掉牙轮事故，处理事故损失时间较多。此外，在Y深等其它区块营城组地层还没有使用，效果如何还有待于验证。

1.3 牙轮钻头

由于营城组流纹岩、凝灰岩和沙河子组砾岩研磨性强，导致钻头钻速低、寿命短、用量大，平均单井三开钻头用量25～30只。国内外617～737级别的牙轮钻头整体使用效率不高，钻头断齿、掉齿、缩径、磨尖等现象严重。

1.4 孕镶钻头

涡轮钻提速的关键是优选合适的配套钻头，针对强研磨性流纹岩、凝灰岩地层以及砾岩地层，目前还没有合适的孕镶钻头。

1.5 大斜度定向井及水平井大井眼定向施工效率低

深层大斜度定向井及水平井在∅311mm 大井眼造斜，受造斜率和破岩面积影响，定向钻速较慢。∅311mm 井眼效率只有∅215.9mm 井眼的62%，制约了钻井提速。

2 深部地层钻头优选

2.1 开展多学科钻前地层可钻性预测

针对深层地层特性差异大的特点，综合应用探、测、录技术，开展了以三压力、岩性剖面、可钻性为主的多学科地质预测技术研究，优选了计算方法，形成了数据平台。应用该平台计算了119 口已钻井岩石可钻性级值等数据，绘制了平面分布图。可预测区块待钻井岩石可钻性，为井身结构优化、钻头优选与改进提速技术提供了依据。

2.2 各种类型钻头持续优选

针对松辽盆地各区块开展了岩石力学和地层特性分析，依据岩石力学分析结果、PDC钻头吃入极限理论（抗压强度≤18000psi）和地层含砾情况，建立了松辽盆地各区块常规PDC 使用极限深度（详见表1），持续进行了钻头优选。

表1 松辽盆地各区块常规PDC使用极限深度数据表

2.2.1 牙轮钻头优选

一是国产牙轮钻头改进。针对牙轮钻头出芯和缩径两个主要问题，与江汉钻头厂一起专门立项研究。经过加强保径、优化齿型、牙轮体保护、采用高速轴承等多次改进，提高了抗研磨抗冲击能力。目前江汉∅215.9mm 牙轮钻头仍是营城组使用的主要钻头。改进后牙轮钻头平均进尺仅有74m，纯钻时间60h，平均钻速1.43m/h。

二是引进牙轮钻头试验。针对登娄库—营城组难钻地层水平井，先后引进了史密斯、休斯、瑞德公司的不同型号牙轮钻头，试验表明，∅215.9mm引进牙轮钻头钻速与国产钻头相当，进尺是国产的1.3 倍，价格是国产的3倍。

在水平段∅152.4mm 井眼和∅118mm 井眼，开展小尺寸引进牙轮钻头的试验和优选。从统计数据看，引进牙轮钻头与江钻牙轮相比没有太大的优势（详见表2）。

表2 ∅152.4mm引进牙轮钻头与江钻牙轮钻头数据对比表

2.2.2 PDC钻头优选

针对不同尺寸井眼，通过持续开展国内外PDC 钻头试验优选：

∅311mm井眼：2500m左右的技套井段，可实现两只国产PDC 钻头（M1951SGU/T1951DB+CK506/CK606）完钻；2800m完钻的技套，D深区块使用液力旋冲工具可实现PDC 完钻，X 深、Y 深等区块，尚需液力旋冲工具+两只PDC+3～4只牙轮钻头才能完钻。

∅215.9mm 井眼：PDC 钻头基本取代牙轮钻头。D 深区块使用液力旋冲工具+PDC 或涡轮钻具+孕镶钻头可钻穿登娄库地层，实现了营城沙河子组地层PDC钻头完钻，但在Y深、X深等难钻区块只能钻进到登二段，营城组PDC钻头尚不适应。

∅152.4mm 井 眼：PDC 钻 头 在S 深12H、S 深103H、D深24等5口井使用23只。引进哈里伯顿钻头使用效果要好于国产，液动旋冲工具+PDC 效果好于常规钻井方式，但X深区块仍以牙轮为主。

2.2.3 复合钻头试验

KM524 复合钻头:自2014年以来，主要在贝克休斯公司外包的水平井上得到应用，截止2016年底累计使用158只，水平段提速见到了明显效果。

江钻复合钻头：近两年累计试验了4 只，平均钻头进尺98m，平均钻速1.90m/h；方23 井相比本井同层位牙轮钻速提高65%，较好地解决了砾石发育地层钻速慢、磨损严重的问题，可进一步推广应用（详见表3）。

表3 江钻复合钻头与牙轮钻头使用数据对比表

自主研制的复合钻头：针对深井岩性复杂多变、夹层交互的特点，自主研制了牙轮+PDC 复合钻头，在S66 井现场试验，进尺103m，平均钻速3.11m/h，相比邻井最高指标进尺提高155%，机械钻速提高9%。

2.2.4 非平面齿PDC钻头试验

为探索基岩地层提速，突破PDC 使用极限，引进试验了休斯顿研发中心非平面齿PDC 钻头。试验表明，在LT-1井进尺和钻速指标较好，可进一步试验应用；但在LT-2 井的花岗岩地层钻进，钻头磨损严重，尚不适应该地层(详见表4）。

表4 休斯顿研发中心非平面齿PDC钻头试验数据统计表

3 结论与认识

通过开展个性化钻头优选改进与试验，形成了大庆深层高效钻头序列，现场应用取得较好效果：2500m技套2只PDC钻头完钻，登娄库PDC钻头部分取代牙轮，水平段复合钻头见到好效果，高速牙轮钻头寿命延长。