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1、超深井段钻头选型与使用李双贵（中石化西北分公司工程院）摘要：超深井施工由于开钻次数多必须给后续井段腾出足够的层次与空间。随着 241.5mm及更大井眼井段的加深，机械钻速慢的问题越来越突出。而深部小井眼由于钻头尺寸小，使得普通钻头寿命短且钻进效率低下。为加快超深井的建井周期，就必须优选钻头型号优化钻井参数。本文就塔深一井（完钻井深 8408m）施工过程中超深井段的钻头选型及使用作出分析，旨在对后续超深探井优选钻头并合理使用提供借鉴。关键词：超深探井钻头选型使用技术1、 深井钻头选型原则和考虑因素1.1 地层岩性塔河油田超深井段奥陶系地层的岩性为浅灰、浅褐灰色厚层粉一细晶白云岩夹浅灰白、浅黄灰色
2、泥微晶砂屑灰岩薄层及硅质条带。而寒武系地层岩性主要为灰、深灰色厚层块状微一中晶白云岩层、泥微晶白云质灰岩，地层均质性较好。1.2 合理选型对各种类型钻头结构、工作原理、适用性充分了解，这是合理选择钻头的基础。而分析判断塔河工区地层柱状剖面图上设计所钻各地层的沉积年代，岩性描述，地层流体等，这是钻头选型的主要依据。另外，根据岩石力学部门对所钻岩石机械性能室内测定给出的硬度、塑性、研磨性和可钻性等数据确定钻头类型则是钻头选型的重要环节。1.3 分析评价对已使用钻头资料进行详细分析、评价，作为钻头选型的比较标准，这是本井合理选择和使用好钻头的重要步骤。1.4 影响因素（1） 深井段，由于起下钻时间长
3、（比如 6000m 以下，起下钻时间占钻井总时间的 36%） 。因此对深部地层主要选用能获得较高进尺指标的钻头以获得较高的行程钻速；（2） 在塑性沉积岩地层钻进优先选用 PDC 钻头；（3） 若实钻出井的钻头发现外排齿磨损严重，应选用保径齿钻头；（4） 对于易产生井斜的地层，选用滑动量小，无保径齿及齿多且齿短的钻头；（5） 地层岩性为硬的研磨性灰岩、白云岩、燧石、石英时，选用无移轴或双锥齿（或球齿）型钻头。2、 塔深一井超深井段钻头选型与使用2.1 四开井段钻头选型及使用技术本开次钻头尺寸为 241.5mm，所钻进的 5460-6800m（进尺 1340m）井段共使用钻头 14 只。其中，使用
4、 HJ517G 钻头 3 只，在地层 O3l-O1-2y 纯钻 260：50h 获得进尺 437.46m，平均机械钻速1.68m/h；使用 HJ537G 钻头 8 只，在地层 O1-2y-O1p纯钻 463：05h,获得进尺 665.16m，平均机械钻速 1.44m/h；使用 PDC 钻头 2 只，分别为深圳新速通公司和成都 BEST 公司生产的钻头。其中，新速通钻头在地层 O3q-O2yj纯钻 92：55h 获得进尺 81.32m，平均机械钻速 0.87m/h，BEST 钻头在地层 O1-2y纯钻 101：05h 获得进尺 153.74m，平均机械钻速 1.52m/h；为纠斜需要，本开次使用
5、 1 只成都 BEST 公司生产的巴拉斯钻头，该钻头入井纯钻 10:30h，获得进尺 2.32m，平均机械钻速仅0.22m/h。2.1.1 钻头选型实钻过程中，四开井段奥陶系碳酸盐岩储层溶蚀孔洞、裂缝发育，钻进至 6237m 井段第二次发生恶性漏失。钻遇漏失层时由于地层破碎，在 6425 米出现井斜问题。5 趟吊打纠斜钻进井段的钻进效率低下（5 趟钻的平均机械钻速仅 0.77m/h） 。正常钻进过程中，四开井段主要采用江汉产牙轮钻头钻进。鹰山组上部地层，由于地层可钻性较好，采用钻头型号为：HJ517G（IADC：517） ，该型号钻头的切削结构为：偏顶勺形内排齿、锲型外排齿、不等距布齿，轴承采
6、用两个高精度的金属环和两个高弹性的橡胶供能圈实现金属面密封，该型号钻头单趟钻最大进尺 226.93m，机械钻速 1.99m/h，钻头磨损： I(1)O(3)D(BT)L(M)B(E)G(1)O(NO)R(HR)。由于鹰山组白云岩地层研磨性增加，钻头出井后牙轮崩脱齿严重，下部地层采用型号为HJ537G（IADC：537）的钻头继续钻进，该型号钻头单趟钻最高进尺 191.90m，机械钻速3.23m/h，钻头磨损：I(7)O(7)D(BT)L(A)B(E)G(I)O(LT)R(TQ)。本开次使用牙轮钻头正常钻进的 7趟钻进尺 899.19m 获得的机械钻速 2.17m/h。本开次使用牙轮钻头全面钻进
7、简况见下表：钻头型号 井段 m 进尺 m 钻压 KN 转速 RPM 钻速 m/h 地层 备注517GL 5460.005550.05 90.05 80-120 60 1.23 O3l-O3qHJ517G 5631.375858.30 226.93 120-180 60-80 1.99 O2yj-O1-2yHJ517G 6012.046132.52 120.48 120-200 60 1.64 O1-2yHJ537G 6132.526268.07 135.55 120-180 50-60 1.88 O1-2yHJ537G 6268.076277.52 9.45 80-180 60 3.34 O1
8、-2yHJ537G 6277.526469.42 191.90 40-200 60-65 3.23 O1-2y 恶性井漏强钻HJ537G 6675.176800 124.83 40-160 57-65 1.90 O1p2.1.2 优选钻头摸索为摸索高效快速钻过奥陶系地层，本开次曾使用了 2 只 PDC 钻头钻进。第一只 PDC 钻头为新速通公司生产的型号为 ST915BD（IADC：M221）钻头。该钻头具有加强保径及倒划眼的功能，5 个螺旋刀翼，19mm 非平结合面抗研磨切削齿，优化布齿和抗回旋设计减轻振动程度，使钻进过程平稳高效。水眼为 5 个大斜角度可更换螺纹喷嘴和 1 个中心固定喷嘴，
9、此喷嘴组合改善钻头本体的水力学，有利于提高钻速。该钻头适应软到中等硬度地层。但该钻头入井后采用钻井参数：W30-120KN ，N60-80RPM，Q36L/S，P17Mpa。进尺81.32m 由于不经济的钻速起钻，该钻头机械钻速仅 0.88m/h。钻头磨损情况： I(3)O(3)D(WT)L(C.N.T)B(X) G(1)O(NO)R(HR)。第二只 PDC 钻头为 BEST 公司生产的型号为 M1955SS（IADC：M222）钻头。该钻头的结构为：中等抛物线、五刀翼冠形和中高密度布齿设计，适合软到中等硬度地层。使用不同专利技术的复合片提高钻头钻进硬夹层的能力。该钻头入井采用钻井参数：W40
10、-80KN ，N60-70RPM，Q36L/S，P17Mpa。进尺153.74m（机械钻速 1.52m/h）后由于钻时太高起钻。钻头磨损情况为：I(1)O(3)D(WT)L(N.T)B(X)G(1)O(NO)R(HR)。2.1.3 奥陶系灰岩地层钻头选型认识1、由于奥陶系灰岩地层溶洞裂缝发育，易导致井斜发生。而 PDC 钻头钻进过程中容易导致井斜，故四开井段纠斜钻进过程中全部使用牙轮钻头钻进。2、奥陶系地层为硬脆性地层，适合牙轮钻头全面钻进。由此，该地层钻进过程中几乎全部采用江汉产牙轮钻头钻进且获得了较好机械钻速及单趟进尺。3、以上两只 PDC 钻头在奥陶系地层中使用效果整体不如牙轮钻头。由于
11、可选的 PDC 钻头只有在岩性较均一地层中才有较好使用效果，而奥陶系一间房组及鹰山组灰岩地层含硅质团块。使得目前适合该地层能实现全面钻进的 PDC 钻头尚未设计成熟，奥陶系地层的 PDC 钻头改型及优选问题还需加强。2.2 五开井段钻头选型及使用技术2.2.1 五开超深井段钻头优选由于 6800m 以下超深井段起下钻一趟耗时太长，而深部小尺寸牙轮钻头由于其尺寸小因而轴承强度低从而使得其使用寿命大受影响。超深井段钻头优选的工作重点就落在对固定刀翼的PDC 钻头选型上。对 PDC 钻头选型原则和方法除遵循三牙轮钻头中有关条款外，所钻进井段岩性的均质性非常重要。实钻过程中，五开井段钻遇了大套白云岩。
12、这是本地层使用好 PDC 钻头的基础。钻进至 7700m 深后为安全使用钻头及兼顾钻井效率，采用了 PDC 钻头全面钻井。针对寒武系地层岩性软硬交错、孔洞发育，可钻性相对较好的实际情况，优选 BEST 公司型号为 M1365R 钻头（IADC：M433 ） 。此钻头特征为：浅抛物线六刀翼冠形和高密度布齿设计，适合中硬地层，使用不同专利技术的复合片提高钻头钻进硬夹层的能力。2.2.2 超深井段牙轮钻头使用由于第一次揭示寒武系地层，无任何资料可供参考。因而五开上部井段钻进时，在摸索牙轮钻头的使用寿命中钻进。而小尺寸牙轮钻头轴承寿命有限，且五开超深井段井底温度及压力高，这些不利因素都给牙轮钻头的抗温
13、抗压性能提出考验。针对深度引发沿程压力损耗高，井下异常不能及时传至地面，即使传至地面也存在很多假象的实际情况，使得井下钻头使用情况的判断存在实际困难。因而每趟钻的牙轮钻头使用寿命都只能以上几趟钻钻头使用时间及出井后磨损情况为基础，对本趟钻的起钻时间进行大体判断。这使得五开井段采用 PDC 钻头全面钻进前，每趟钻平均进尺仅 36.15m。2.2.3 超深井段 PDC 钻头使用技术五开 6800 米以下井段井内温度达到 145以上，长时间使用牙轮钻头容易造成先期失效，易发生掉牙轮等事故。故五开后续井段以使用 PDC 钻头为主。钻进过程中使用的钻井参数为：W20-30KN ，N60RPM，Q16L/
14、S，P17Mpa。最终在7703.477873.78m 井段进尺 170.31m，机械钻速 1.22m/h，钻头出井后磨损微,描述为：I(1)O(2)D(BT)L(S) B(X)G(0)O(NO)R(CP)。为摸索最佳钻井参数，钻进过程中在不同井段保持钻压恒定调整转速或转速恒定调整钻压以获得最佳的钻井参数组合。遇到地层变化或夹层时调整转速和钻压以保持最佳的钻井时效和井身质量。众所周知，PDC 钻头钻进参数为低钻压- 高转速模式。由于塔深一井超深井段裸眼段长且多次纠斜造成井眼轨迹复杂，而 PDC 钻头的破岩机理也决定了钻进扭矩高，高扭矩使得钻进过程中地面不能高转速驱动钻头发挥其钻头效率。由于地面
15、驱动钻具扭矩大，钻具安全系数低，为保证后续井段正常钻进，8321.308405.00井段采用了涡轮钻具复合钻进。实钻过程中，涡轮钻具带动 PDC 钻头以较高的转速获得了 2.34m/h的机械钻速。使用涡轮钻具前后 PDC 钻头钻进简况如下表：钻头型号 井段 m 进尺 m 钻压 KN 转速 RPM 钻速 m/h 岩性 备注M1365R 7703.477873.78 170.31 2030 60 1.22 白云岩M1365R 7876.398084.16 207.77 2030 60 1.12 白云岩M1365R 8084.168321.30 237.14 2030 60 1.09 白云岩M136
16、5R 8321.308405.00 83.70 2030 36-23 2.34 白云岩 双驱，涡轮转 速 120RPM从上表可以看出，采用涡轮钻具由于其高转速可以成倍增加 PDC 钻头的机械钻速且保护钻具在超深井段正常使用。3、对塔河油田超深井钻头选型及使用的认识塔深一井作为超深探井，第一次揭示寒武系深部地层，实钻过程没有任何资料可供借鉴。且由于地质资料和实际钻遇地层之间存在一定程度的出入，使得该井钻进过程中的钻头优选存在困难。由于没有任何资料可供参考，实钻过程中的钻头选型几乎都是在摸索中进行。随着塔深一井的完钻，塔河超深井段获得了丰富的地质及工程资料。这使塔河油田后续超深井钻头选型工作有了目的性和方向性。后续超深井施工时可采取的措施如下：1、 根据地层优选钻头型号根据塔河工区实钻情况统计，塔河油田四开井段鹰山组及上部地层可钻性好，宜采用型号为HJ517G 的钻头钻进；奥陶系鹰山组下部及蓬莱坝组由于岩石研磨性较高，地层发育硅质团块，使得钻进过程
