新型结构混合钻头在顺北二叠系的研发与应用

新型结构混合钻头在顺北二叠系的研发与应用

江诗贵 1 高爱庭 2 伍玉麒 3 杨东泽 4 郑兵 5

1 、 3 、 4 、 5 中石化江钻石油机械有限公司 湖北省武汉市 430074 2 中石化江汉石油工程有限公司钻井二公司 湖北省武汉市 430042

摘要：本文针对新疆顺北油田二叠系英安岩、玄武岩和凝灰岩硬夹层特点，结合前期牙轮和PDC钻头失效严重，研发的混合钻头取得一定提速效果情况下，进一步开展了新型结构高效混合钻头的研发并在SHB5-16井二叠系应用，取得进尺和机械钻速双指标。

关键词：二叠系 混合钻头 硬夹层 英安岩

顺北油田位于新疆沙雅县境内，且油区处于塔克拉玛干沙漠腹地，地面为流动沙丘覆盖，气候干旱少雨冬夏季昼夜温差较大，多风沙，属于温带大陆性荒漠极端干旱气候。油田地质构造为顺托果勒低隆，储层普遍埋藏深（7500-8600m）、井温高(160-190℃) 、地层压力高(＞80Mpa)，为世界级的油气勘探开发难题。该油田地层复杂，尤其二叠系地层易发生井漏、井垮和卡钻等井下事故，致使钻井周期长，严重阻碍顺北区块油气资源开发的进程^[1]。

一、二叠系钻井地质特点

顺北油田二叠系埋深约4250-5300m不等，可钻性差异大，段内玄武岩、英安岩埋深变化大，层厚不一，凝灰岩、泥岩等致密地层时有出现^[2]，属于硬夹层地层。以顺北Ⅴ号条带SHB5-16井为例，二叠系上部为深灰色英安岩夹薄层棕褐色泥岩，中部为灰黑色玄武岩夹薄层深灰色泥岩，下部碎屑岩段以灰色、灰绿色、棕褐色砂岩、粉砂岩、泥岩与灰色、灰绿色凝灰岩与不等厚互层。岩屑中深灰色英安岩，铁矿含量高，磁铁可吸附，硬度高，可钻性极差，如图1。

如图1 SHB5-16井二叠系英安岩岩屑

以SHB5井测井曲线为例，利用江钻公司岩石可钻性分析软件，绘制岩石可钻性剖面图如图2，通过拟合曲线可知二叠系5000m井深段可钻性级4～7级，地层抗压强度50～240Mpa不等，波动较大，地层研磨性65～75mm，属于硬夹层地层。

图2 SHB5井岩石可钻性剖面图

二、二叠系钻井提速难点

顺北油田二叠系段长度约550m，钻进中牙轮钻头易断齿，PDC钻头内锥易出芯和肩部易环磨^[3]，如图3所示，SHB5-2牙轮断齿多，SHB5-4H井PDC钻头出芯。

12 1/4″HF637牙轮 12 1/4″165PDC钻头

图3 常规钻头失效

二叠系单趟进尺少，造成频繁起下钻，划眼时间长，提速难度大，施工难点主要有：

1）二叠系火成岩发育且厚度大，英安岩、玄武岩，可钻性差；

2）局部裂缝性发育，易发生漏失、井壁失稳、掉块等井下复杂；

3）常规PDC钻头易崩齿、易早期失效；牙轮钻头机速慢、断齿多、使用时间短^[4]；

4）地层硬度高，常规钻头和动力钻具破岩能量不够，破岩效率低。

统计完钻的6口Ⅴ号条带井二叠系钻进情况如下：

表一 6口5条带井二叠系钻进情况

可以看出6口井二叠系平均段长532.5m，机械钻速仅1.9m/h，平均使用7.16趟钻中完，平均单趟进尺74.4m。可见单趟进尺少，起下频繁，钻进难度大。

三、新型混合钻头提速实践

3.1新型混合钻头特点

新型混合钻头沿用牙轮齿以冲压方式对岩石形成预破碎凹坑，随后PDC齿以剪切方式对已预破碎的岩石进行剪切作用的混合破岩机理^[5]，在原有3刀翼+3牙轮混合钻头结构上优化成4刀翼+2牙轮结构，同时进行了内锥强化和肩部强化，具体如下：

1）3刀翼+3牙轮改4刀翼+2牙轮结构，牙轮最小布置半径160mm缩小至65mm；

2）4刀翼+2牙轮结构采用大牙轮，2个大牙轮较原来3个小牙轮布齿密度提高18%；

3）肩部6排齿改成12排齿，肩部防护性能大幅提升。

改进

12 1/4KPM1333DST原有结构 12 1/4KPM1342DST新型结构

图4 新型结构混合钻头

3.2实践情况

新型混合钻头12 1/4KPM1342DST在SHB5-16井二叠系中应用，钻遇大段较纯的英安岩，钻进平稳，整体使用效果较好。

1）钻井简况：在二叠系钻遇英安岩，使用4刀翼2牙轮新型结构混合钻头进行二开钻进作业，入井井深4877m；为防止掉块增多，逐步上提泥浆密度至1.25g/cm3。本趟钻安全钻进，期间参数正常，钻进至井深5130m，钻头纯钻时间到期起钻。

2）钻遇地层及岩性：二叠系-英安岩

3）钻井数据：钻进井段4877-5130m，进尺253m，纯钻116h，平均机械钻速2.18m/h。

4）钻井液性能:密度：1.25g/cm3；粘度55s；塑性28mPa.s。

5）钻井参数:钻压80-220KN；转速35-45r/min；排量35-40L/s；泵压16-18Mpa。

6）钻具组合:311.2mm混合钻头（型号:KPM1342DST,厂家:江钻）+244mmLZ+228.6mmDC*1+731*630+203mmDC*1+浮阀+203mmDC*14+屈性长轴+8″随钻震击器+203mmDC*2+631*DS550+139.7mmDP

7）出井照片及钻头描述：钻头喷嘴组合18*4+10*2。钻头齿型：圆齿。出井描述：钻头出井后水眼通畅，主切削齿无磨损，钻头入井新度100%，出井目测新度95%。钻头照片如下：

图5 新型结构混合钻头12 1/4KPM1342DST

3.3数据对比分析

新型混合钻头与前期6口井二叠系使用钻头平均数据对比如下：

表二 新型混合钻头进尺、机械钻速对比

图6 新型结构混合钻头进尺、机械钻速对比

通过上图可知，新型混合钻头在原混合钻头基础上进尺大幅提升，进尺和机械钻速超过6口井平均值240%和14.7%，取得进尺和机械钻速双指标。

四、认识与建议

1)针对顺北二叠系，尤其Ⅴ号条带钻井提速难点，在钻头选型上应该选择具有攻克硬夹层的能力，同时具有处理掉块和稳定井壁特点的钻头；

2)新型混合钻头匹配低速大扭矩等壁厚螺杆钻具在SHB5-16井二叠系英安岩中取得显著提速提效效果，可见新型结构混合钻头适应硬夹层地层，建议推广使用，降低钻井成本。

参考文献

[1]孙方龙 顺北3井二叠系井漏特点及技术对策[J].勘探开发，2018（1）：168

[2]孙秀鹏 火山岩钻井技术在顺北蓬1井的集成应用研究[J] .工程前沿，2020（17）：37-38

[3]赵常举 顺北井区优快钻井提速技术研究与应用[J].工艺技术，2020（1）：248-252

[4]崔延召 顺北区块优快钻井技术[J].西部探矿工程，2019（5）：54-56

[5]巫道富 高石梯—磨溪区块地区高效混合钻头开发与应用[J]. 勘探开发，2018（4）：128-129