川南威荣气田深层页岩气水平井钻头优选及应用

2019-10-18胡大梁郭治良

石油地质与工程 2019年5期

胡大梁，郭治良，李果，谭玮，黄敏

（中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院，四川德阳 618000）

川南威远-荣县区块地处四川省内江市威远县、市中区和自贡市大安区、贡井区，构造位置位于威远隆起南斜坡与自流井背斜之间的白马向斜[1]，页岩气地质储量超过千亿方，威页 1HF井测试获17.5×104m3/d工业气流，表明该区块具有良好的勘探开发潜力。研究区属丘陵地貌，构造主体部位海拔300～450 m，储层埋深3600～3800 m，属于深层页岩气，面临地层老、岩性复杂多变、可钻性差等多个难点[2-3]。本文在分析完钻井钻头使用效果的基础上，应用钻头设计理论确定钻头的关键技术，优选适合本区块地层特点的钻头型号。

1 地质概况及钻井难点

地面出露层为沙溪庙组，纵向钻遇陆相4套（沙溪庙组～须家河组）、海相12套（雷口坡组～五峰组），地质预测地层压力系数1.1～1.9（表1），基本呈随井深增加而逐渐增大的趋势。陆相地层砂泥岩互层，夹灰岩、页岩及煤线，海相地层为灰岩、泥页岩，夹粉砂岩及少量石膏。页岩气主力储层为志留系龙马溪组优质页岩，平均厚度40 m，平均含气量3.77 m3/t，地层压力系数1.9～2.0。

表1 地层压力预测

根据区域工程地质条件，结合前期完钻井钻头使用情况，分析钻头选型和使用难点如下：侏罗系地层厚度大，岩性以泥岩、砂岩为主，若钻头选型不合理，易发生钻头泥包，严重影响机械钻速；自流井组和须家河组部分层段石英砂岩含量较高、研磨性强、憋跳钻严重，PDC钻头易发生过早损坏[4-5]；龙潭组-石牛栏组厚度约 560 m（占二开井段25%），龙潭组地层岩性为铝土质泥岩，茅口组下部和栖霞组含燧石结核、黄铁矿，岩性致密坚硬、可钻性差，易造成PDC崩片，需要2～3趟钻完成，平均钻速低于 1.50 m/h，钻井施工时间 12～15 d（占二开井段50%），是制约二开提速的瓶颈井段。

2 前期钻头应用效果

分析威荣区块完钻的W1井、W23-1井、W29-1井等6口页岩气水平井的钻头使用情况和效果，找出存在的问题，确定钻头选型的优化改进方向。

2.1 分地层钻速对比

W23-1井完钻井深5555 m，平均机械钻速4.82 m/h，全井使用19只钻头。从各地层钻速可以看出，制约全井提速的井段主要有三段：自流井组-须家河组地层，平均机械钻速4.30 m/h；飞仙关组致密泥岩地层，平均机械钻速2.88 m/h；龙潭组-石牛栏组地层，平均机械钻速 3.50 m/h，部分井段钻速低于1.00 m/h（图 1）。

图1 W23-1井钻时曲线

2.2 各开次钻速及钻头使用情况

一开钻遇沙溪庙组、新田沟组、自流井组地层。沙溪庙组下段地层泥岩致密，钻头吃入能力差，制约机械钻速。自流井组砂岩石英含量高，研磨性强，可钻性差，PDC易磨损；地层泥岩、砂岩交替频繁，夹层较多，易井斜。5口井使用3种8只PDC钻头，单只钻头平均进尺569 m，平均钻速9.47 m/h，进入须家河组地层后，研磨性增强，钻头磨损加剧，机械钻速普遍降至5.00 m/h以下。部分钻头对地层适应性不强，进尺和钻速均低于其他型号（图2）。

图2 一开钻头使用进尺和钻速对比

二开钻遇陆相须家河组地层及海相嘉陵江组-石牛栏组地层：须家河组地层以砂岩和页岩为主，砂岩研磨性较强，可钻性较差，平均机械钻速 6.27 m/h。雷口坡组地层可钻性较好，飞仙关组-长兴组以灰岩、泥岩为主。龙潭组以灰岩、铝土质泥岩为主，泥岩致密且含量较高，常规 PDC钻头难吃入，机械钻速一般低于4.00 m/h。茅口组-栖霞组含黄铁矿、隧石结核，冲击性和研磨性强，PDC容易崩片和磨损，单只钻头平均进尺 253 m，平均钻速 2.98 m/h；梁山组-龙马溪组为灰色泥岩、绿灰色泥岩，质纯，塑性强，常规PDC钻头吃入性差。

三开主要钻遇龙马溪组和五峰组地层，上部为绿灰色泥岩，中部为绿灰色泥岩、灰色页岩，下部为深灰色、黑色页岩，因工具面不稳、托压等问题，定向钻进时平均进尺188 m、平均机械钻速2.30 m/h，水平段黑色页岩中矿物含量高（如硅、黄铁矿），研磨性较强，单只PDC钻头平均进尺438 m，平均机械钻速4.17 m/h。

2.3 钻头使用情况

对完钻井钻头的使用情况统计表明，前期完钻井使用钻头型号多而杂，如5口井的二开井段累计使用36只钻头，型号多达13种；60%的钻头进尺为200～600 m，单只钻头最长进尺871 m，最短进尺不足100 m。

部分型号钻头与地层的匹配性差，破岩效率与进尺不能兼顾，实际使用效果差别大，亟待开展钻头个性化选型研究。优选适合本区块的高效钻头，提高钻井效率（图3）。

图3 二开井段钻头使用数量及进尺统计

3 钻头选型优化及应用

3.1 地层可钻性研究

采集研究区邻近露头岩样，包括须家河组、龙潭组、茅口组、栖霞组、韩家店组、石牛栏组、龙马溪组等层位，进行地层条件下的岩石可钻性测试，建立区块的岩石可钻性剖面。除韩家店组地层为软地层外，须家河组-龙马溪组地层硬度均为中软-中硬级别。PDC可钻性级值4.00～7.00，常压与围压条件测试差异不大；牙轮可钻性级值常压测试为4.50～6.30，平均 4.95；围压条件测试为 5.80～9.60，平均8.27，围压对可钻性测试结果影响较大。

3.2 钻头设计

3.2.1 冠部轮廓形状

PDC钻头的冠部形状直接影响钻头的攻击性和各部位切削齿的受力状态，设计冠部轮廓时，应满足“易于布齿，便于加工，保证质量，提高效率”的原则。

PDC钻头的冠部形状一般分为内锥、冠顶和外锥三部分，冠部形状一般为圆弧形、短抛物线形和双圆弧形[6-8]。地层硬度越高，冠部应越短，以提高钻头的耐磨性。

3.2.2 切削齿参数

切削齿的齿数是PDC钻头机械钻速和使用寿命的重要决定因素，若齿数过少，则造成切削齿过早磨损，导致钻头使用寿命缩短；若齿数过多，则会造成钻头攻击性下降，导致机械钻速降低。因此，需要根据地层特点并结合下式合理确定钻头齿数：

式中："、$为系数，不同地区取值不同。

两个或两个以上层段为：

表2 切削齿尺寸与岩石抗压强度关系

PDC钻头的切削齿尺寸由岩石抗压强度或可钻性确定，对软-中硬地层，选用尺寸较大的PDC复合片；对于中硬到坚硬地层，则选用尺寸小的PDC复合片。根据地层岩石力学实验结果，确定沙溪庙组-新田沟组地层选用16.0～19.0 mm切削齿，自流井组-须家河组及海相地层选用16.0 mm切削齿。

3.2.3 刀翼数量

PDC钻头的刀翼数决定钻头的攻击性。刀翼数越多，则作用在切削齿上的冲击载荷越小，能提高钻头的可控性，延长钻头寿命；反之，刀翼数减少，则钻头的钻进性能提高，具有较高的钻速。一般来说，地层强度越大，则切削齿数越多，刀翼数就越多。对完钻井使用的钻头进行统计分析，得到齿数与刀翼数的关系，并对其进行拟合后得到刀翼数的基本公式：

式中：/!为刀翼数量；!为切削齿数；a、b、c为常数。

计算得出沙溪庙组～新田沟组地层适合 4～5刀翼，自流井-须家河组地层6刀翼，海相地层5刀翼。研磨性强的茅口组-石牛栏组地层选用3刀翼+3牙轮的混合式钻头，造斜段选用6刀翼PDC钻头以利于定向。

3.2.4 保径长度

钻头保径长度主要根据钻头稳定性和可控性能进行选择。保径长度增加，钻头稳定性增加，可控性能降低。保径材料也是钻头选型的一个因素，在小斜度井一般用碳化钨保径材料，对于大斜度井和井下动力钻进中一般使用金刚石保径材料。

式中：12、12 m56、12 m:;分别为保径长度、最大和最小保径长度，mm（PDC钻头一般为25.0～110.0 mm）；,<:、,.分别为定向进尺和井深，m。

3.3 钻头选型方案

在地层可钻性基础上，应用钻头设计理论确定适合各段地层特征的钻头关键技术，据此优选适合的钻头型号。一开井段以攻击性强的5刀翼钢体PDC钻头为主；二开陆相地层使用耐磨性强的6刀翼胎体PDC钻头，海相以5刀翼钢体PDC为主，3刀翼+3牙轮混合钻头为辅[9-14]；三开造斜段使用短保径定向专用钻头，水平段使用5刀翼、长保径钻头。

3.4 现场应用效果

W23-2井按照钻头选型推荐方案，一开选用KS1662钻头配合大扭矩等壁厚螺杆。钻进井段32～501 m，进尺469 m，平均钻速29.02 m/h，比前期指标9.22 m/h提高215%。二开使用5只PDC钻头和1只混合钻头配合等壁厚螺杆，累计进尺2984 m，成功钻穿飞仙关组、龙潭组、茅口组等复杂层段，平均钻速8.55 m/h，比前期平均指标4.09 m/h提高109%，创威荣气田页岩气井钻速最高，日进尺最长等9项区域工程纪录。在第一轮井基础上优化钻头选型和配套技术方案，预计全井9趟钻完，其中一开1趟钻、二开4趟钻、三开4趟钻，预测全井平均钻速约为7.19 m/h，比前期4.03 m/h，提高78%，预计钻完井周期可以控制在90 d以内。