轮古地区钻头优选技术研究

顾晶 王越之 长江大学石油工程学院 434023

轮古地区钻头优选技术研究

顾晶 王越之 长江大学石油工程学院 434023

结合轮古的实际情况，从利用钻头使用资料方面入手开展了钻头选型的研究与应用工作。通过对轮古地区多口井在不同地层使用的钻头型号的数据进行统计分析，根据各项指标的高低进行对比，以最优钻速和进尺为目标对钻头进行一个详细的评价，结合轮古油田地层岩石力学特性参数计算结果，优选出适合轮古地区的钻头。

轮古地区；钻头选型；测井资料；钻头资料

钻头是破碎岩石的工具，石油钻井是以钻头作为破岩造孔的主要工具的，它的质量优劣及其与底层、岩性和钻井工艺条件的舒适程度，直接影响着钻井速度的高低。钻头的选择主要是从两个方面进行的，一方面是从岩石的力学性能入手，寻求与岩石的力学性能匹配的钻头。另方一面是从某地区已经钻的钻头资料入手，分地层对钻头的使用情况进行评价，从评价的结果中找出适合该地区该地层的钻头。在对研究区块已用钻头综合评价的基础上结合轮古地区地层岩石力学特性参数计算结果,分层段优选出适合该地区的钻头，该方法简单易用。

1.轮古地区基本情况

轮古油田是塔里木盆地轮南古潜山勘探开发一体化油田的简称，属于油气滚动开发项目。轮古地区经过几年持续勘探，取得了比较丰富的、非常基础的地层资料与钻井资料。轮古钻井井深通常在5500～6000m，全部属于超深井，而且其地层岩性变化频繁，因此对钻头选型要求十分严格。

2.对已用钻头的综合评价

首先，从轮古地区每口井的井史入手，收集了69口井所使用的钻头数据。对这些已经使用过的不同类型、不同尺寸的钻头按所钻地层进行分类。

然后利用统计方法，对钻头使用资料进行统计分析，得到各类钻头的定量使用指标，如：机械钻速、纯钻时间、钻头进尺、每米成本等，根据各项指标的高低进行对比，以最低成本为原则，以最优钻速和进尺为目标对钻头进行一个详细的评价。

在统计分析过程中, 我们应用钻井成本方程

式中：CPUD—单位深度的钻井成本；Cb—钻头成本；Cr—钻机作业费用；tb—钻头实际纯钻时间；tt，起下钻和接单根时间；△D—给定的深度。

按照上面的公式，计算出每个地层每种钻头的成本，成本最低的就是使用效果最好的钻头，评价结果如表1所示。

表1 钻头评价结果

3.利用测井资料计算地层力学参数

岩石力学参数包括岩石硬度、岩石抗压强度、岩石抗剪强度、岩石的可钻性等。它们反映了岩石抗破碎的特征。钻头选型的工作就是选择与地层类型相匹配的钻头，因此地层岩石的力学性质是研究钻头选型的基础。准确地获得岩石的力学性能，将是准确推荐钻头的基础和前提。

采用测井资料来预测岩石的强度和可钻性有它的优点，测井数据是在地层压力、温度及一定的钻井条件下沿整个井身剖面逐点进行的，因此，由测井资料得到的岩石动态弹性模量和泊松比包含了地层在钻井过程中受到的各种扰动，能够反映岩石强度随环境变化而变化的特征。

利用测井资料计算岩石力学参数,可取得沿整个井深分布的岩石力学参数剖面。根据弹性波理论,无限介质中纵波和横波的传播速度为

式中：

Vp 为纵波速度,m/ s ; Vs 为横波速度,m/s ;μ d为动态泊松比;ρ为介质密度,g/cm3;Ed为动态弹性模量,MPa。

岩石的纵波时差、横波时差、体积密度、自然伽马值是进行一系列计算的基本数据。但一般测井资料中，缺少横波、体积密度或其中的某一个，此时横波时差、体积密度就需要用已知的其它数据求出。在求取岩石的各种强度时还会用到其他的一些参数。

利用自然伽马、补偿声波以及补偿密度测井数据,计算,可计算出以下参数:地层抗压强度、抗剪强度、岩石内摩擦角、岩石硬度、塑性系数、泥质含量、岩石可钻性等。

对收集到轮古地区的组合测井中声波时差、伽玛和地层密度资料进行处理，参考国外有关公司对计算公式中有关“边界系数”标定，使计算结果尽量接近地层实际的可钻性力学参数。由于轮古地区上部地层缺乏密度测井数据，计算仅用下部的部分数据，参加计算的各井情况如表2。

依照表2，根据国内外专家对计算结果判断准则，当抗压强度大于122MPa，岩石内摩擦角大于42度的大段地层建议不使用常规PDC钻头，即使要使用PDC钻头，建议进行地下岩石样品的进一步分析，并与钻头厂家沟通，对PDC钻头切削齿和钻头结构进行个性化设计。

表2 利用测井资料评估地层力学参数的各井情况

由上述准则可以判断在该地区奥陶系不适合用PDC钻头，只实用于牙轮钻头钻井。在石炭系由于只有轮古9井的部分数据，从计算结果看也不适合用PDC钻头。该地区需要进一步收集上部地层的测井资料。

综合考虑以上分析以及在该区块钻头实际使用效果,推荐的钻头型号如表3所示。

表3 钻头优选结果

4.结论和建议

1）、优选出与钻进地层相适应的钻头,一方面可以提高机械钻速,另一方面可以减少起下钻时间,从而可以节约钻井综合成本；

2）、建立钻头数据库能快速准确地查出钻头数据，对研究钻头优选方法具有很好的积极作用；

3）、轮古地区只有在白垩系后使用PDC钻头效果较好。过早使用PDC钻头会造成钻头过早的损伤；

4）、先对所使用过的钻头进行评价,然后根据钻遇地层的岩石力学特性进行钻头选型,这样选出的钻头与实际情况比较符合。

[1] 彭安华.轮古地区地层特征及认识.石油工业出版社.2007

[2] 何君.塔里木盆地轮古油田勘探开发一体化研究与实践. 石油工业出版社.2007

[3] 刘希圣.钻井工艺原理.北京：石油工业出版社.1981

[4] 张厚美，张良万，刘天生.钻头选型的方法研究[J].天然气工业.1994

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.14.014