張建麗，周 權，徐永斌，吳海濤

(1.中國石化勝利石油管理局鉆井職工培訓中心，山東 東營 257061;2.中國石化勝利石油管理局黃河鉆井北方分公司，山東 東營 257000)

鄂北工區(qū)大牛地區(qū)塊目前主要以水平井為主且大部分水平井需要進行導眼的鉆進，由于導眼段鉆遇的地層跨度大，從新生界到下古生界，巖性多樣，主要包括泥巖、砂巖、煤層、鋁灰?guī)r、云巖、灰?guī)r;井眼軌跡復雜(直–增–穩(wěn)–降–穩(wěn))，滑動鉆進井段長，復合鉆進井段較短，這些因素直接制約了本工區(qū)的鉆井提速，尤其在鉆頭選型方面存在著諸多分歧。本文在前人的基礎上，優(yōu)選出幾種鉆頭在DP94H井試用，針對使用情況給出了自己的建議。

1 DP94H井簡介

DP94H井為一口帶有導眼的水平井，位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東北部。導眼完鉆層位為奧陶系馬家溝組，實際完鉆井深為3 233 m，導眼段井眼軌跡為直–增–穩(wěn)–降–穩(wěn)結構，井身結構數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 DP94H井井身結構與套管程序數(shù)據(jù)表

本井依次鉆遇以下地層:新生界、志丹群、安定組、直羅組、延安組、延長組、石千峰、上石盒子組、下石盒子組(盒2、盒1)、山西組(山2、山1)、太原組(太2、太1)、馬家溝組。鉆遇地層跨度大，巖性復雜多變。

2 一開井段(新生界-延安組)

一開地層主要為河流相沉積，砂礫巖發(fā)育，從新生界至一開完鉆，憋跳現(xiàn)象較嚴重，扭矩為0～11 kN·m，變化幅度很大，容易造成鉆頭的先期破壞。一開本井鉆頭采用大螺旋、大切削齒(≥19 mm)、長刀翼帶有減震齒的胎體PDC鉆頭［1］，避免礫石對胎體的沖擊破壞，增強了鉆頭抗回旋能力，同時機械鉆速達到了40.45 m/h。圖1為一開鉆時曲線。

由圖1可知，新生界到直羅組鉆時較快，平均鉆時在1.39 min/m，進入延安組(264～404 m)為深灰、灰黑色泥巖等厚互層夾煤層，其中灰黑色泥巖膠結致密，為良好的生油氣層，同時為本層的小蓋夾層，鉆時快慢交替(1.8 min/m)。延安組底部為含礫粗砂巖，鉆時較快(1.32 min/m)。一開鉆時整體呈現(xiàn)快-慢-快的變化趨勢。平均鉆時1.48 min/m。

3 二開井段(延安組-馬五5)

大牛地區(qū)塊二開后盒2段以上層位均呈現(xiàn)反鉆時(砂巖鉆時慢，泥巖鉆時快)現(xiàn)象，盒2以下至太原組呈現(xiàn)出正鉆時(砂巖鉆時快，泥巖鉆時慢)，本溪組鋁土巖鉆時最快，馬家溝地層根據(jù)灰?guī)r及云巖泥質(zhì)含量的不同，鉆時略有差別，馬五5由于灰?guī)r較純，孔隙度最小，所以鉆時最慢。

3.1 二開直井段(延安組-石千峰)

劉家溝組以上地層泥質(zhì)膠結，孔隙度大，膠結疏松，鉆時較快;劉家溝組泥巖和細砂巖互層，鐵質(zhì)膠結及鈣質(zhì)膠結致密，鉆時為中生界最慢;延長組為河流相沉積，砂礫巖發(fā)育，本井二開后從404.5 m至1 100 m，憋跳一直很嚴重，但鉆時相對較快，上部延長組中部及二馬營組容易掉塊，注意防卡。圖2為DP94H井二開直井段鉆時曲線。

由圖2可知，鉆時逐漸變慢，鉆至劉家溝底部1 980 m最慢，穿過劉家溝后，鉆時變快。二開直井段鉆時整體呈現(xiàn)出快-慢-快的趨勢。

二開直井段使用了兩只S1655FC鋼體PDC鉆頭，第一只S1655FC使用情況如圖3和表2所示。

表2 兩只S1655FC使用情況統(tǒng)計

該鉆頭為鋼體5直刀翼PDC鉆頭，16 mm切削齒，5刀翼為非對稱分布，增強了鉆頭的抗回旋性能，同時每個刀翼的鼻部和肩部都備有二級齒，加強了鉆頭的耐磨性，保徑部位由主保徑和被動保徑共同組成，共有12 cm長，有利于直井段的防斜打直。

由圖3可知，鉆頭兩個長刀翼內(nèi)錐斷落，其余三個短刀翼內(nèi)錐刀翼磨損嚴重，鉆頭中心部位形成一個環(huán)形槽，鼻部、肩部、外錐齒及保徑齒的復合片崩裂并且磨損嚴重。從現(xiàn)場實鉆情況分析，404～1 100 m鉆頭憋跳鉆嚴重，砂礫巖發(fā)育，鉆頭胎體受到了嚴重的軸向沖擊載荷、切向載荷以及側向的沖擊載荷，導致主切削齒復合片和基體的崩裂，同時磨損刀翼本體。針對本地層的砂礫層，臨井選用抗沖擊性強的19 mm主切削齒分布于易磨損的鼻部、肩部，同時二級齒換成圓錐形減震齒［2］，增強鉆頭的減震效果;同時增加內(nèi)錐切削齒的布齒密度，減小單個齒的受力強度。

劉家溝細砂巖為灰質(zhì)及鐵質(zhì)膠結，膠結致密，鉆頭吃入地層困難，鉆壓120 kN，轉(zhuǎn)盤扭矩為8 kN·m，扭矩的變化幅度很小，平均鉆時為8 min/m。第二只S1655FC使用后的情況如圖4所示，鉆頭冠部主要是石英磨損，集中在鉆頭的鼻部、肩部以及保徑部位，其中內(nèi)錐部位無磨損，更加證實了地層致密，鉆頭的吃入淺，對地層的破壞小，鉆時慢。但該鉆頭在石千峰的大段棕紅色泥巖中發(fā)揮了很大的優(yōu)勢，既防止了鉆頭的泥包又提高了機械鉆速，平均鉆時為7.45 min/m。

直井段小結:直井段地層地層疏松，鉆時較快。上半段的砂礫巖發(fā)育，導致鉆頭鉆頭復合片的崩裂，進入劉家溝后，石英含量的升高，導致鉆頭的磨損加劇，最終導致很多井隊在未穿過劉家溝就更換鉆頭，對于上部地層，應選擇19 mm主切削齒、直刀翼、鋼體PDC鉆頭。穿過石千峰地層后，務必使用鋼體鉆頭鉆穿大段泥巖的石千峰和上石盒子直至造斜點。二開直井段可以選擇胎體鉆頭，抗沖擊及抗磨性強，但鉆時相對較慢，一趟鉆可以鉆至造斜點，對于胎體鉆頭鉆遇石千峰和上石盒子地層的泥巖易發(fā)生泥包，導致鉆時變大。

3.2 二開增斜段(石千峰底部-盒1)

二開增斜段鉆遇石千峰、上石盒子、盒3段、盒2段大段泥巖，本井段下入S1655FGA2鋼體PDC鉆頭，鉆時較快，一只鉆頭鉆完增斜段，平均機械鉆速5.58 m/h，鉆頭出入井情況如圖5所示。

由圖5可知，S1655FGA2為全部進口齒，鉆頭的抗磨和抗沖擊性有了很大的提升，由于保徑部位僅7 cm長，增加了鉆頭的側向切削能力。大刀翼、大水槽避免了在大段易造漿的泥巖段中先期泥包，配置的二級齒，加強了鉆頭的穩(wěn)定性，減少了鉆頭的渦動損害。

使用后的鉆頭冠部主切削齒磨損很小，但是主保徑齒崩裂較多，因此對于大斜度井鉆頭主保徑部位和井眼的下井壁是點接觸，接觸面積小，單位面積上的受力最大;而被動保徑部位和下井壁為面接觸，接觸面積大，單位面積的受力最小。因此大斜度井鉆頭主動保徑齒應選用小切削齒13 mm，同時增加布齒密度，減小每一個齒的受力強度。

圖6為鉆頭增斜段復合鉆進時的鉆時曲線，為了對比地層的可鉆性，刪除了滑動鉆進的鉆時。由圖6可知，上石盒子組鉆時最快，且鉆時平均，夾層較少。盒3和盒2段鉆時較快，但硬夾層較多，盒1段鉆時最慢，整個增斜段鉆時逐漸變慢。仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)盒3、盒2段鉆時逐漸增加，驗證了盒2段上部為反鉆時，盒1段鉆時逐漸減小，更加符合河流相沉積理論(正旋回:泥-細砂-粗砂)。

增斜段小結:目的層位于盒1段，增斜段鉆遇大段泥巖，鉆頭吃入能力強，夾層少，扭矩穩(wěn)定，工具面穩(wěn)定，滑動鉆進時效果好，所以盒3之前，盡量地把井斜挑起來，下石盒子地層盡量少滑動鉆進，多選擇大的泥巖層位定向，有利于提高機械鉆速。所以本地層如果選擇19 mm大齒鋼體PDC鉆頭，同時配合小齒保徑齒，不但可以避免鉆頭泥包，同時獲得更高的機械鉆速。

3.3 二開降斜段(盒1-馬家溝)

二開降斜段鉆遇大牛地區(qū)塊主要目的層，生、儲、蓋層發(fā)育成熟，鉆時快慢交替明顯。圖7為二開降斜段鉆時曲線。

由圖7可知，盒1底部有6～10 m的大段含礫中砂巖，易造成鉆頭的軸向沖擊及側向沖擊損壞;由于山西、太原組多含煤層，山1段和太原組多次出現(xiàn)快鉆時且煤層易坍塌卡鉆;本溪組為鋁土巖鉆時較快(3～5 min/m);進入馬家溝后，鉆時明顯較上部地層變慢，馬五1-4為含泥云灰?guī)r，鉆時較快，而馬家溝馬五5由于為較純的黑色灰?guī)r，膠結致密，鉆時最慢，對鉆頭的磨損較嚴重。

由于目的層石英含量最高，泥巖硬夾層較多，呈現(xiàn)出明顯的正鉆時現(xiàn)象，對鉆頭的磨損嚴重，礫石含量少，鉆頭冠部切削齒很少出現(xiàn)崩裂的現(xiàn)象，主要是磨損。本段地層使用16 mm主切削齒、全進口復合片齒、雙排齒、直刀翼，短保徑胎體PDC鉆頭。從起出的鉆頭可知，此鉆頭較適合本區(qū)塊，此段僅用一只鉆頭鉆至設計井深，且平均機械鉆速達到了8.16 m/h，鉆頭外錐及鼻部有輕微的磨損，齒無崩裂現(xiàn)象，但是保徑部位切削齒崩裂較多，因此對于大斜度井保徑部位切削齒的設計應該引起重視。

4 結論及建議

1)大尺寸切削齒、大螺旋刀翼配有雙排胎體PDC鉆頭適合于一開井段。

2)二開上部直井段(劉家溝組以上)選擇大齒、大螺旋鋼體PDC鉆頭，穿過劉家溝后，下部直井段主要為大段泥巖，宜采用中齒鋼體PDC鉆頭，能獲得較高的機械鉆速。

3)石千峰組到下石盒子盒1增斜段選擇一只16 mm主切削齒、中等螺旋或直刀翼鋼體PDC鉆頭，能鉆完增斜段。

4)盒1段以下為大牛地區(qū)塊主要目的層，硬夾層多，選擇一只胎體16 mm主切削齒、直刀翼PDC鉆頭可以鉆至設計井深。

5)大斜度井的鉆頭保徑部位應該加強設計，避免部分齒的損壞導致整只鉆頭的失效。

［1］翁煒．含礫石用 PDC鉆頭研究［D］．北京:中國地質(zhì)大學，2009．

［2］陳庭根，管志川．鉆井工程理論與技術［M］．東營:石油大學出版社，2000．