埕东断裂带义50块砂砾岩油藏钻头选型探索与应用

何良泉，高盼盼，蒋红梅

(1.中国石化胜利石油工程有限公司 渤海钻井公司，山东　东营　257200；2.中国石化胜利石油管理局 河口采油厂，山东　东营　257200)



埕东断裂带义50块砂砾岩油藏钻头选型探索与应用

何良泉1，高盼盼1，蒋红梅2

(1.中国石化胜利石油工程有限公司 渤海钻井公司，山东东营257200；2.中国石化胜利石油管理局 河口采油厂，山东东营257200)

摘要：埕东断裂带义50块主要含油层系为沙二段砂砾岩体，由于砾石的存在，钻头选型困难。牙轮钻头和普通PDC钻头对该地层均存在一定的局限性，难以适应该地层，机械钻速得不到提高，且存在一定的井下风险。为提高该地层的机械钻速，降低钻井成本，通过实钻资料优选钻头并应用于现场，目的层砂砾岩段机械钻速同比提高了近一倍，提速提效效果良好，初步形成了适合该地层的钻头选型，可为后续施工井提供参考和借鉴。

关键词：义50块；砂砾岩；钻头选型

埕东断裂带义50块目的层系存在砾石，研磨性强，牙轮钻头虽然能钻进，但钻时很慢，且寿命受限，有掉牙轮等井下复杂的可能，在实钻中至少得用2只牙轮钻头，成本高风险大。而对于普通四刀翼PDC在该地层钻进时容易出现PDC复合片崩碎，牙齿磨损，外径变小，钻速也慢，普通四刀翼PDC钻头也很难适应该地层。因此，优选钻头对义50区块东营底以下含砾砂岩提高机械钻速、降低成本、提高效益具有重要的意义。

1地质概况

义50区块位于埕东断裂带东段埕99-义50断鼻构造带，处于埕南大断层由东西向北东走向的转折处，东邻孤北洼陷，西南为渤南洼陷，北以埕南断层与呈子口凸起相接，主要含油层系为沙二段砂砾岩体。

东营组底部地层之前，地层岩石可钻性强。岩性主要为泥岩，夹薄层砂岩、白云岩。沙二段岩性主要以灰色含砾粗砂岩、含砾细砂岩、含砾泥质细砂岩、灰质细砂岩为主夹深灰色泥岩、砂质泥岩。砂、砾成分以石英为主，长石次之，砾呈椭球体，次棱角状，砂以粗砂为主细砂次之，次棱角状，分选较差，粒度中值0.15～4 mm，泥质胶结，含灰质胶结较致密，总体上成分成熟度及结构成熟度较低，反映为近源快速堆积产物。沙三段岩性主要为泥岩夹砂岩、砾岩，泥岩硬，砂岩富含灰质，致密，砾岩致密。

2技术难点

1)PDC复合片的抗研磨性能和抗冲击性能制约PDC钻头的寿命。由于目的层系砾石的存在，对PDC钻头的使用要求较高，PDC复合片的抗研磨性能和抗冲击性能是制约PDC钻头寿命的一对矛盾。普通PDC钻头适应地层的能力变差，磨损严重，机械钻速明显降低。其钻砾石层段，较大的负荷冲击载荷作用常造成PDC复合片崩碎，牙齿磨损，在砂砾的磨蚀下PDC钻头刀翼鼻部和肩部在短时间内被破坏，切削能力严重破坏，不得不起钻换钻头，降低时效的同时，大大增加了钻井成本。

2)牙轮钻头机械钻速慢、使用寿命有限和易发生掉牙轮等井下故障复杂，严重制约了其在砂砾岩的使用效率。砂砾岩的软硬交错，致使牙轮钻头复合运动破碎岩石时所受载荷极度不均衡，钻头磨损严重，断齿、碎齿、掉牙轮等情况经常发生。牙轮钻头在砂砾岩中虽然能钻进，但钻时慢。

3技术措施研究

针对义50区块的技术难点，主要从PDC钻头钻进砾岩损坏机理分析为出发点，研究分析制定相应的技术措施。

3.1PDC钻头钻进砾岩损坏机理分析

PDC钻头钻进砾岩的失效形式主要包括磨损和冲击损坏[1-2]。

1)磨损。PDC钻进砾岩中，在切削齿与岩石产生的摩擦力的作用下，金刚石微粒会从基底脱落，从而导致切削齿发生磨损，表现为复合片切削刃逐渐被磨钝，磨损面逐渐增大，钻头机械钻速逐渐降低。磨损速度主要取决于切削齿的受力、切削刃与岩石接触面上的温度、切削速度、岩石研磨性以及切削齿的耐磨性。

2)冲击损坏。在岩石破碎阻力以及切削齿与岩石接触面上的摩擦阻力的作用下，PDC切削齿同时受到切向冲击载荷、轴向冲击载荷以及侧向冲击载荷，容易使PDC钻头发生崩刃或切削齿金刚石层的剥落。随着崩刃或切削齿损坏的加重，最终都将导致钻头的报废。特别由于地层中砾石的存在，切削齿与砾石作用瞬间会形成较大的冲击载荷，同时还容易引发钻头扭转振动和轴向振动，加剧切削齿受到的冲击载荷，是钻头发生冲击损坏的主要原因。

3.2技术措施

PDC钻头磨损和冲击损坏的受力部位主要为切削齿，切削齿质量的好坏决定着PDC钻头的使用功效。因此，普通的PDC钻头不适应于钻砾石层，在保证切削齿的质量的前提下，优选更高强度的PDC钻头钻砾石层。同时，在工程上优化钻井参数，可大大增加钻头的使用寿命。

1)PDC钻头接触井底后，低钻压低转速磨合井底。根据不同的地层岩性优选钻压和转速，以达到最优的钻头寿命和钻进速度。当钻遇泥岩井段时，可适当提高钻压(10～30 kN)，降低转速。若钻遇硬夹层发生轻微蹩钻现象或钻遇砾石层时，可适当降低钻压，同时降低转速，等钻穿后再采用正常参数钻进，防止发生崩齿，减小其轴向力和轴向振动，延长其寿命。

2)正常钻进时，调整钻井液排量，确保岩屑能及时排出，以及充分冷却PDC切削齿。

3)钻头使用到后期，PDC切削齿的磨损平面加大，降低了PDC切削齿切入地层的深度，因此可适当提高钻压以维持较高的机械钻速。

4钻头选型

1)东营组底部地层之前，地层岩石可钻性强。二开第一只钻头均使用HAT127钻头钻进，宜钻穿馆陶组底部，机械钻速较高，最高能达到40.25 m/h。

2)东营底至沙一段岩性主要为泥岩，夹薄层砂岩、白云岩。泥岩较硬，砂岩灰质胶结，致密，可钻性差，钻速低，但可使用PDC钻头钻进。在实钻中使用过HJT537GK牙轮钻头，机械钻速仅1.24～2.39 m/h，但其效果不理想。大多数使用不同类型的PDC钻头。义50-X7使用四刀翼单排齿19 mm复合片HT2465，钻进井段2 042～2 920 m，机械钻速5.78 m/h。义50-X2使用四刀翼单排齿16mm与13mm混合复合片的P4252SJ钻头，钻进井段2 150～2 650 m，机械钻速10.67 m/h。义50-X3使用五刀翼单排齿16 mm复合片的HT2465定向专用钻头，钻进井段2 180～3 108 m，机械钻速5.95 m/h。义50-X10井使用四刀翼单排齿16 mm与13 mm混合复合片的P4252SJ钻头，钻进井段2 156～3 056 m，机械钻速9.00 m/h。义50-X4等3口井均使用了四刀翼单排齿16 mm复合片WP1945S钻头，一趟钻钻穿沙一段，机械钻速能达到10.33 m/h。因此，该井段建议使用四刀翼单排齿16 mm复合片的PDC钻头，比如胜利钻井院产P4252SJ、莱州原野产HT2465、万和产WP1945S等。

3)沙二段及沙三段存在砾石，普通四刀翼PDC很难适应该地层，义50-X4井使用四刀翼HT2465钻头，钻进进尺仅37 m，机械钻速3.08 m/h。而牙轮钻头机械钻速偏低，义50-1等4口井后期均采用HJT537GK牙轮钻头，机械钻速仅为2.25～4.09 m/h。义50-X10采用五刀翼双排齿16 mm与13 mm混合复合片P5263MJ钻头，钻进井段3 050～3 300 m，机械钻速为5.63 m/h，同比提高37.66%。

通过施工井起出钻头的情况(见图1)可以看出，沙一段与沙二段的交界面，地层硬，出现粒径较小的砾石，研磨性强，钻速变慢，四刀翼PDC复合片崩碎，牙齿磨损，外径变小。沙二段与沙三段，HJT537GK牙轮钻头虽然能钻进，但是钻时慢，有时间限制，一般一只钻头进尺150 m左右，因此，至少使用2只537钻头。采用五刀翼P5263MJ钻头，钻时要快，没有时间制约，但是在后期3 300 m以后钻时变慢由10～18 min/m增长至38～42 min/m，并且取出钻头后，基本上所有切削齿复合片切削部分崩碎，牙齿磨损一半，倘若井深在3 400 m时，P5263MJ钻头不能很好适应3 300 m以下地层。从钻头磨损程度看，沙二段以下，可以使用五刀翼以上，保径好，13 mm复合片，双排齿，并且牙齿排列紧密的PDC钻头。

5应用效果

1)通过钻头优选，后期施工井同比前期施工井相比，提速提效效果明显，具体见表1。由表1可知，后期施工井平均机械钻速同比提高了4.84 m/h，钻井周期同比缩短了3.28 d，平均钻机月速同比增加了655.20 m/台月。特别是义50-X12井完钻井深3 293 m，完钻层位沙三上。二开第二只钻头使用上，通过钻头选型并结合厂家推荐使用万和公司PDC钻头，取得了单只钻头进尺1 209 m的新高，平均机械钻速12.51 m/h，同比同区块同井段提高48.22%的好成绩，同时也突破了该区块二开一只PDC钻头不能钻完含砾砂岩的沙河街，取得了该区块二开第二只钻头一趟钻完设计井深的纪录。

表1　义50区块施工井前后时效对比

2)通过已施工井对比，在砂砾岩目的层段使用PDC钻头平均机械钻速明显高于牙轮钻头(图2)；平均每只PDC钻头所钻的进尺远远高于牙轮钻头，有利于降低钻井成本和减少井下故障复杂发生的风险。由图2可知，对于同一井段使用PDC钻头比牙轮钻头机械钻速提高了近一倍；平均每只PDC钻头进尺能达到396.29 m，比牙轮钻头要多265.12 m。

6结论及建议

1)义50区块钻遇油层效果良好，投产后具有较好的稳定产量，后期将加大投资，该区块钻头选型对后期施工的提速提效具有关键性的作用。以砂砾岩油藏钻头选型为出发点，后期施工中不断进行细化、完善，并进行推广应用，将会大幅度提高钻井速度，节约钻井周期，降低钻井成本。

2)建议试验研制一种适合砂砾岩地层钻进的PDC钻头类型。

3)建议加大提速工具和高效钻头的投入，可以起到提高施工速度，减少口井综合成本的效果，建议加大旋转地质导向的投入使用，减少定向钻进的时间，提高全井速度。

参考文献：

[1]梁尔国，李子丰，邹德永.PDC钻头综合受力模型的试验研究[J].岩土力学,2009,30(4):939-942.

[2]翁炜.含砾石用 PDC钻头研究[D].北京：中国地质大学[北京]，2009.

[3]纪明师，张富成，张庆华，等.砂砾岩地层钻头合理选型研究及应用[J].石油钻采工艺，2005,27(3):13-14.

[4]李天明，李大佛，陈洪俊，等.用于砾石夹层钻进的新型PDC钻头的研制与使用[J].探矿工程，2006(8)：57-63.

[5]杨晓勇，黄蕾.砾岩油藏的井身结构和钻头选型技术[J].新疆石油科技，1992，1(3)：1-5.

Exploration and Application of Bit’s Selection in Yi 50 Block of Chengdong Fracture Belt

HE Liang-quan1, GAO Pan-pan1, JIANG Hong-mei2

(1.Bohai Drilling Corporation of Shengli Petroleum Engineering Co., Ltd. SINOPEC,Dongying 257200, Shandong, China;2.Hekou Oil Production Factory of Shengli Petroleum Administration, SINOPEC,Dongying 257200, Shandong, China)

Abstract:The glutenite of Es 2 submember is a major hydrocarbon target zone in Yi 50 block of Chengdong fracture belt. It’s difficult to select the bits for the glutenite. It is difficult to adapt to the formation on which rock and conventional PDC bits have certain limitations, which causes drilling speed can’t be improved and a certain risk of down hole. In order to improve the mechanical drilling rate and reduce the drilling cost, the drill bits are optimized by the real drilling data and applied to the field. It shows that the drilling speed of glutenite has almost doubled in the target zone with good results. It has formed a preliminary bit type selection adapted to the formation, which can be a reference for the follow-up drilling well.

Key words:Yi 50 block; glutenite; bit type selection

收稿日期：2015-11-20

作者简介：何良泉(1981-)，男，福建平和人，中国石化胜利石油工程有限公司渤海钻井公司工程师，硕士，主要从事石油钻井现场技术工作。

中图分类号：TE92

文献标识码：B

文章编号：1008-9446(2016)02-0006-04