优快钻井条件下地质录井技术探讨

2023-03-04王许艳

西部探矿工程 2023年7期

王许艳

（大庆钻探工程公司地质录井一公司，黑龙江大庆 163411）

石油是我国重要的矿产能源，是我国社会经济发展的保障型能源。近年来我国油田进入了中后期的开发开采阶段，在该阶段油田开发开采的难度逐步提高，钻井工程需要面临更为复杂的地质环境，传统钻井技术已经不能满足实际的施工需求。PDC钻头逐步普及应用，目前我国多数钻井企业已经普及应用了PDC钻头技术，钻井效率以及钻井质量进入了全新的阶段，但优快钻井技术也为录井工作带来新的问题与挑战，需要进一步的研究和完善。

1 PDC钻头工作原理以及技术优势

1.1 PDC钻头技术优势

PDC 钻头全程聚晶金刚石复合片钻头，近年来已经逐步取代了牙轮钻头成为了我国钻井工程的主要破岩钻头。相比牙轮钻头PDC 钻头有着明显的提速降本优势，目前已经处于钻井设备市场的主导地位。PDC 钻头最早由CE 公司研发并投入市场，前身为Stratapax 系列石油地质钻头产品，经过数十年的不断完善发展逐步发展为现今使用的PDC钻头。

目前我国以页岩为首的塑性岩层开采项目数量逐步增加，牙轮钻头在塑性岩层的钻进过程中受钻头结构原因决定，会在压持作用下出现井底泥包的现象，导致钻进效率降低以及设备损坏的问题出现。近年来钻井中使用的泥浆比重不断增加，泥包现象造成的问题更为凸显。该问题一度成为钻井设备技术攻关的重要方向，许多钻井设备的生产企业，针对该问题研发设计大量的完善措施但始终收效甚微，直到PDC系列钻头的推广应用，才彻底地解决了该问题。早期的PDC钻头极大地解决了泥包问题的出现，同时伴随PDC切削齿的问世，PDC 钻头逐步在多种地层的钻井中取代了牙轮钻头。但受PDC 材料特点决定，dpc 钻头硬度以及抗高温、高压能力上均弱于牙轮钻头，导致在坚硬、研磨类地层的钻井中仍无法取代牙轮钻头。为了更好地发挥PDC钻头的优势和特点，贝克休斯公司率先研发出牙轮与PDC钻头相结合的复合型PDC钻头，在保留PDC钻头诸多技术优势的同时，也有效地提高了钻头硬度以及温度、压力的耐受性，提高了钻头的应用空间。现推出的复合钻头共有两种设计，一种是小尺寸两刀翼、双牙轮钻头，另一种为稍大尺寸的三刀翼、三牙轮钻头。这些钻头的设计基于四刀翼和六刀翼PDC 钻头，而副刀翼的位置则被短尺寸的牙轮所替代。这样，井眼的中心位置是由位于主刀翼上的PDC切削齿完成破岩的，而井眼外围部分的钻进由牙轮和刀翼上的切削齿共同完成，井眼外围部分的破岩难度较高，破岩效果主要取决于牙轮与刀翼的配合。

1.2 PDC钻头的工作原理

PDC 钻头的核心工作原理就是通过与动力端相连接获取动力，通过对钻头加压和旋转，不断对地面进行切削，最终实现破碎和穿越地层的目的。钻头穿越岩层时属于对岩层进行机械挤压作业，从本质上看钻头将动力端提供的力量通过旋转的机械作用传递至岩层中，导致岩层发生滑移变形碎裂，逐步将岩石转化为岩屑，这与牙轮型钻头的工作原理显著不同。牙轮型钻头主要依靠冲击力破碎岩石达到穿越的目的，牙轮钻头在钻进过程中产生的岩屑通常体积较大，而PDC钻头产生的岩屑则十分细小接近粉末的状态。因此PDC 钻头具有更高的穿越性能以及穿越效率，同时由于使用过程中冲击力较小，设备承压较低其使用成本以及使用寿命均优于牙轮钻头，同时施工过程中设备稳定性较高，可以有效降低井斜现象的产生。

2 PDC钻头对地质录井效果的影响

2.1 岩屑采集

根据前文所述受PDC 钻头的工作原理决定，PDC钻头在钻进过程中会产生大量的粉末状岩屑，岩屑颗粒粒径较小，目前钻井工程中使用的震动筛设备筛布孔隙较大，会造成筛滤时大量的细小岩屑流失，导致岩屑采集量小于真实岩屑产生量，岩屑样本采集失去意义，达不到岩屑取样的标准，同时也会对后续录井工作的精度以及应用效果造成较大的影响，也直接影响了剖面符合率。

2.2 利用钻井时划分岩性和地层

在使用牙轮钻头时进行钻井时，一般需要使用相应的测量设备以及传感器设备对钻井设备的工作状态以及地下情况进行全面的监控和测量，根据钻进中参数变化来判断岩石性质，并进行地层类型的划分。但在使用PDC 钻头以后，由于钻头工作原理不同，钻进过程中产生的砂、泥、钻屑等固体颗粒的变化不够明显。在使用牙轮钻头系列设备时，砂岩钻时通常在5～10min/m，泥岩则是15～20min/m。使用PDC 钻头后，钻时有了明显的变化，尤其是带有螺杆的复合钻井工程钻时更是明显的缩短，因此在使用PDC 钻头时，工作人员很难对岩性以及地层情况进行精准的判断。

2.3 岩屑描述和判别油气显示

如前文所述使用PDC 钻头钻井时产生的岩屑粒径较小，导致录井中对岩屑信息描述十分困难，工作难度增加。例如某钻井工程在钻进施工中，该地层的岩性组合特性为灰色泥岩夹杂灰色粉末以及细砂岩，但在使用PDC钻头后，由于PDC钻头的深度研磨作用产生的岩屑十分细小，导致两种岩屑极难通过视觉以及手感直接分辨，为后期的描述工作来带极大的障碍。

3 优快钻井条件下地质录井技术的改进措施

3.1 岩屑捞取和清洗的方式

在使用PDC钻头的钻井录井工作中，由于PDC钻头产生的岩屑较为细小，因此在粗过滤阶段应使用最低80目以上的震动筛，从而规避细小岩屑在初筛时流失的可能。在松软地层的钻井过程中，有此类地层岩石密度较低岩性较差钻进过程中容易产生大量的泥浆，录井工作人员需要在工艺的缓冲槽位置，从泥浆中获得岩屑进行分析描述。在岩石密度大的超深井钻井过程中，录井工作人员一般需要根据震动筛返砂的细节变化来判断取样筒的具体位置，因此为了确保录井描述的客观性与准确性，钻井工艺需要确保振动筛可以稳定高效地将岩屑筛选后输送至取样筒中，为此每次取样后，工作人员需要对取样系统进行清理和恢复，为连续取样提供环境基础。

目前我国钻井工程队伍中使用的震动筛多数为直面边缘结构，而多数钻井队伍中使用的取样桶却为圆形桶，两种设备的匹配度以及兼容度较低，圆形取样筒的开口厚度较高，在与振动筛进行连接时无法紧密结合，导致泥浆会从振动筛与取样筒口之间的缝隙大量流失，导致岩屑取样失真影响到下一步的描述工作。针对此类情况钻井施工队伍应根据自身的工艺现状，对两者的兼容度进行优化和完善，使用方形取样盆，从而让取样容器可以和振动筛形成良好的密封，增加取样器具与振动筛之间的接触区间，从而最大限度降低取样过程中泥浆的流失，从而有效地提升真岩屑的收集量。

此外，岩屑的清洗工作中，工作人员也应严格按照操作流程进行操作，遵循各项清洗原则。首先在初步清洗中应严格控制清洗用水的水压，避免清洗过程中对岩屑产生较高的冲击力破坏岩屑结构造成岩屑流失。其次，在水枪的冲洗过程中，要对岩屑不断地搅拌，逐步清洗杂志还原岩屑原本的颜色，避免静态冲洗造成岩屑清洗不均的现象发生。最后，在清洗的过程中操作人员应实时地观察洗砂水颜色变化过程，判断是否存在疏松砂岩、含油岩屑等物质，减少其流失的可能。

如果在清洗过程中通过对洗砂水的观察推断出存在含油岩屑以及疏松砂岩，需要及时终止清洗对岩屑进行分类，其中常规岩屑继续进行冲洗，疏松砂岩以及含油岩屑则进行冲击力更小的简单漂洗，减少清洗岩屑造成的损失。

3.2 提高钻时可利用性

受PDC钻头的破岩原理决定，PDC钻头在钻进过程中由于PDC钻头的高研磨特征，钻进过程中产生的砂、泥岩在钻时特征都十分模糊难以区分。但PDC钻头钻进过程中返出的岩屑的特征则可以直接反映出地层岩性的相关作用。因此在优快钻井条件下进行钻进施工时，需要摆脱传统工作方法的束缚，充分地考量钻时岩性以及地层划分是否存在不适应、不匹配、不精确的情况。在油藏深度较低，成岩没有受到较强的压实作用的地层钻井中，由于地层特点决定钻头旋转阻力较小，机械钻速高，此时钻时的参考价值也受到了影响，钻井过程中产生的岩屑更加粉碎，砂泥岩的特性不够明显难以区分。但伴随油藏深度的不断增加，岩石在形成过程中受到更大的地层压力，岩石密度显著提高，此时使用PDC钻头钻井产生的钻时则具有鲜明的特点，具有较强的可描述特征。同时地层岩性的变化分界线也能够从钻时的突变界线当中展现出其变化细节，显然此时的钻时极具备比较明显的分层参考价值。但在实际钻进工作当中，工作人员依旧需要根据实际工程中岩屑岩性以及岩石中各类矿物质的组成成分以及参数变化特点，与钻时充分结合，对岩性和地层的界限进行现场的矫正。

在目前的钻井施工队伍中，多数施工队伍都普及和应用了复合型钻具，其中以PDC钻头和螺杆钻具组合的复合型钻具占比最高。螺杆钻具可以有效提高PDC 钻头的机械钻速，从而提高钻进效率。以某油田钻井队伍为例，该钻井队使用的是241.3mmPDC 钻头+197mm 的动力钻具+177.8mm 钻铤+240mm 扶正器等[3]。施工井段为1494.86～3 864.25m 之间，机械钻速为24.47m/h，最终的最大井斜为1.12°，控制效果十分优秀。该技术的最大优势是可以有效利用机械能量，提高钻头的机械效率，在全面提高钻井效率的同时也有效降低了钻头事故的产生可能性。根据相关研究数据表明，该技术在与之匹配的岩层中，相比传统钻井工艺，钻井效率可以提高60%。