川西须家河组三段非均质性地层钻头研选及优化.pdf

2023年10 月第3 9 卷第10 期工程技术石油工业技术监督Technology Supervision in Petroleum IndustryOct.2023Vol.39No.10川西须家河组三段非均质性地层钻头研选及优化胡大梁1,钟敬敏,赵雯,伍代金31.中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院（四川德阳6 18 0 0 0）2.中国石油青海油田分公司采气二厂技术中心（甘肃敦煌7 3 6 2 0 2）3.中石化江钻石油机械有限公司（湖北武汉43 0 2 0 0）摘要川西须家河组气藏储层埋藏深、地质条件复杂、机械钻速低、钻井周期长、效益开发难度大，研选以6 刀翼、16 mm平面齿和旋转齿为主的PDC钻头，在强化钻井参数条件下，钻头发生崩齿，导致提前磨损。建立须三段地应力分析模型，模拟地层骨架应力、井眼形状等对岩石可钻性的影响，认为须三段强非均质性地层首要考虑钻头的抗冲击性和耐磨性，其次是攻击性。据此开展钻头优选和优化改进，优化后的钻头具有双排布齿、力平衡设计、抗冲击性强的特点，并结合钻速敏感性影响因素分析，提出钻井参数“柔性”强化理念，根据钻遇岩性变化实时优化参数。通过钻头改进和钻井参数优化，平均单趟进尺增加1.6倍，出井正常磨损，基本解决须三段非均质地层的钻头崩齿和进尺短问题，表明该PDC钻头适合须三段钻进，为提高机械钻速，加快须家河组气藏开发提供了支撑。关键词须家河组；非均质性；钻头优选；结构优化；钻井提速D01:10.20029/j.issn.1004-1346.2023.10.013Drill Bit Selection and Optimization of Heterogeneous Strata at Section 3 ofXujiahe Formation in Western SichuanHU Daliang,ZHONG Jingmin,ZHAO Wen,WU Daijin1.Institute of Petroleum Engineering Technology,Sinopec Southwest Oil&Gas Brach Company(Deyang,Sichuan 618000,China)2.Technical Center of No.2 Gas Production Plant,PetroChina Qinghai Oilfield(Dunhuang,Gansu 736202,China)3.Sinopec Jiangzuan Petroleum Machinery Co.,Ltd.(Wuhan,Hubei 430200,China)Abstract There are several dfficulties in gas reservoir of Xujiahe formation such as buried deeply,complex geological conditions,lowrate of penetration,long drilling cycle etc.The PDC bit with 6 blades,16 mm plane teeth and rotary teeth is selected,but the bit teethbreaks and leads to premature wear under the condition of enhanced drlling parameters.A three-stage geostress analysis model is es-tablished to simulate the effects of formation skeleton stress and borehole shape on rock drllability.It is considered that the impact re-sistance and wear resistance of the drill bit should be considered first,followed by the aggression.Based on this,drll bit selection andimprovement are carried out.The optimized bit has the characteristics of double-arranged teeth,force balance design and strong impactresistance.Combined with the analysis of influencing factors of drilling rate sensitivity,the strengthening concept of flexibility fordrilling parameters is proposed,and the parameters are optimized in real time based on the changes of drilling lithology.Through the im-provement of the bit and the optimization of drilling parameters,the average penetration of a single trip is increased by 1.6 times,and thewear out of well is normal,which basically solves the problems of bit breakage and short penetration in the three-stage heterogeneousstrata.It shows that the PDC bit is suitable for three-stage driling,and provides support for improving the mechanical drlling rate andaccelerating the development of the second gas reservoir.Key words Xujiahe formation;heterogeneity;bit selection;structure optimization;drilling acceleration胡大梁，钟敬敏，赵雯，等.川西须家河组三段非均质性地层钻头研选及优化 J石油工业技术监督,2 0 2 3,3 9(10):6 0-6 4.HU Daliang,ZHONG Jingmin,ZHAO Wen,et al.Drill bit selection and optimization of heterogeneous strata at section 3 of Xujiahe for-收稿日期：2 0 2 2-12-0 1；修回日期：2 0 2 3-0 5-3 0基金项目：中国石化集团公司科技攻关项目“四川盆地特深层钻完井工程技术示范”（编号：P21081-7)。作者简介：胡大梁（19 8 2 一）,男，硕士，高级工程师，现主要从事深井超深井钻井提速技术和高效破岩工具方面的研究工作。E-mail:PECHDL胡大梁等：川西须家河组三段非均质性地层钻头研选及优化mation in western Sichuan JJ.Technology Supervision in Petroleum Industry,2023,39(10):60-64.四川盆地须家河组具有大面积含气特征，是致密砂岩气藏勘探开发的主要层系之一，目前已相继发现了新场、广安、合川、通南巴等多个大中型气田。其中川西新场气田须家河组气藏位于川西坳陷中北段，探明储量12 5 0 10 m,2020年以来部署实施的X8-2井、SH201、S H 2 0 4井相继获高产工业气流，最高无阻流量2 46 10*m/d，证实了气藏具有良好的开发前景1-2。针对一直以来制约气藏效益开发的深部地层可钻性差、研磨性强、机械钻速低的问题，在XH8-5井开展钻井提速试验，通过研选高效PDC钻头，开展钻头结构优化改进，单趟钻进尺比优化前增加1.6 倍，基本解决须三段非均质软硬交错地层的钻井提速难题。1须家河组三段岩石力学特征及钻井难点川西须家河组深井自上而下钻遇第四系、蓬莱镇组、遂宁组、沙溪庙组、千佛崖组、白田坝组和须家河组，其中须家河组埋深约为2 7 0 0 5 3 0 0 m，厚度2 8 0 0 m左右，分为须五段、须四段、须三段和须二段，须二段为主要目的层。须三段埋深3 8 5 0 4750m,厚度约为8 0 0 9 0 0 m,岩性为浅灰、灰色中粒岩屑(石英)砂岩、细粒岩屑(石英)砂岩、粉砂岩与灰黑色页岩、炭质页岩、粉砂质页岩略等厚互层夹泥质粉砂岩及黑色煤层（线），如图1所示。采集须三段岩心样品开展岩石力学参数实验，包括抗张石岩属岩灰岩炒岩单转抗压地强度/MPa爱原生蓝交代白云岩夏人岩黄铁矿生物灰岩燥0350图1须三段地层可钻性部面图:61强度实验、岩石压缩实验、点载荷实验以及微可钻实验 3-6 。实验结果表明，须三段岩石密度2.5 6 2.65 g/cm,抗张强度9.110.1 MPa,泊松比0.2 10.32,抗压强度8 12 19 MPa，平均值约15 7 MPa，在施加围压5 5 MPa条件下，抗压强度达到3 9 2 MPa,岩石软硬交错变化频率非常高。根据三轴抗压实验中抗压强度和围压的关系,利用应力莫尔圆来求取内聚力和内摩擦角，岩石内摩擦角一般在3 9 46。微钻时实验结果显示，须三段可钻性级值5.97.6,属于中硬-硬地层。前期完钻井实钻资料表明，由于须三段地层软硬交错、非均质性强、可钻性差，页岩和砂岩地层对钻头特性要求不同，导致钻头选型困难，钻头型号多样，应用效果参差不齐。如X8-3井须三段钻厚908m，使用5 种型号9 只钻头，平均单趟进尺10 0.8m;SH101井须三段钻厚8 5 0 m，使用4种型号8 只钻头，平均单趟进尺10 6.3 m，均存在进尺短、趟数多的问题。2钻头选型及应用效果分析XH8-5井是部署在川西坳陷新场构造的一口水平井，以须家河组为主要目的层，设计井深5 7 3 8m,水平段长7 8 8 m，设计三开制井身结构，一开444.5mm钻头钻至下沙溪庙组顶部，封隔蓬莱镇组和上沙溪庙组低压采空区,井深2 5 0 0 m左右；二开311.2mm钻头钻至须三段中部，封造斜点之上井深研磨指数冲击指数/m4.0004.2004.4004.6004.80030m地层，井深43 2 0 m左右；三开215.9mm钻头钻至设计井深，下人139.7mm套管射孔完井。2.1钻头选型及关键特征三开造斜段钻遇地层主要为须三段，岩性以砂岩和页岩为主，夹有煤层，具有硬度高、可钻性差的特点。针对地层岩性特点，首先考虑耐磨性,其次是攻击性，优选V616型PDC钻头（图2），它采用6 刀翼16mm切削齿,双排布齿,6 个主刀翼布置后排齿;肩部易磨损区域采用3 6 0 可旋转切削齿，保持钻头边缘的锋利度,实现高研磨性地层的持续高效破岩,防泥包喷嘴设计,加强对切削齿的冷却。备选JSD1662型PDC钻头，6 刀翼16 mm齿，应用复合片超深脱钻技术，耐磨性提高3 0%；采用低应力布齿技术,模拟PDC齿穿越硬夹层的受力峰值状况，优化后倾角和布齿密度，降低穿夹层时单齿受力峰值，关键部位切削齿承担的钻压及扭矩幅值下降15%。:62石油工业技术监督特征，由于前排发生崩齿，导致部分后排齿出现磨损。JSD1662型钻头鼻内锥到鼻肩部12 级磨损，肩部崩齿6 颗，如图3 所示。(a)V616钻头图2 V616钻头及局部特征图2.2现场应用情况1)第1趟钻。2 0 2 2 年11月4日15:0 0 开始钻进，钻具组合为215.9mmV616钻头+172mmAuto-Trak旋导工具+无磁承压钻杆+172mm旋导马达+127mm加重钻杆1根+回压阀+滤网短节+127mm加重钻杆2 根+旁通阀+127mm加重钻杆2 根+震击器+127mm加重钻杆7 根+139.7mm钻杆，11月6 日4:40 钻进至井深43 9 0 m由于钻时变慢起钻，钻进井段43 2 5 43 9 0 m,进尺6 5 m，平均机械钻速2.47 m/h。钻井参数：钻压7 0 17 0 kN,顶驱转速为8 0r/min,排量3 5 L/s,泵压3 2 MPa。钻井液性能：强封堵白油基钻井液，密度为1.90g/cm,黏度6 8 s,破乳电压7 10 V。2)第2 趟钻。针对上一趟钻172mm马达扭矩不足（最大扭矩11.5 kNm），钻头存在黏滑现象，第2趟钻优选172mm大扭矩螺杆（最大扭矩19.5kNm）配合旋导工具，11月8 日6:0 0 开始钻进，钻具组合为215.9mmJSD1662钻头+172mmAutoTrak旋导工具+无磁承压钻杆+172mm大扭矩旋导马达+127mm加重钻杆1根+回压阀+滤网短节+127mm加重钻杆2 根+旁通阀+127mm加重钻杆2 根+震击器+127mm加重钻杆7 根+139.7mm钻杆，11月9 日0:0 0 钻至井深442 9 m后钻时由16 min/m左右升至40 5 0 min/m，调整钻压和转速，钻时无明显改善后起钻。钻进井段43 9 0 443 4m，进尺44m，平均机械钻速2.9 7 m/h。钻井参数：钻压8 0 13 0 kN，顶驱转速为8 0r/min,排量3 5 L/s,泵压3 2 MPa钻井液性能：强封堵白油基钻井液，密度为1.90g/cm,黏度6 9 s,破乳电压8 0 0 V。2.3钻头失效特征及原因分析根据出井情况，V616钻头磨损特征主要以崩齿为主，共计13 颗齿发生崩齿，包括12 颗平面齿和1颗旋转齿，位置集中在鼻部和肩部，复合片边缘金刚石层呈现明显剥落；前排主切削齿未见明显磨损(b)局部特征图3 出井钻头磨损情况综合以上分析，2 只钻头失效的主要特征均为崩齿，分析原因：须三段地层砂岩和页岩互层，页岩硬度低、砂岩硬度高，导致地层软硬交错，钻头在交界面处由于吃入深度的变化，易发生崩齿；钻进时按照强化钻井参数的技术思路，采用高钻压、高转速、高泵压、大扭矩、大排量“三高两大”钻井参数，在钻时变慢时进一步强化钻压和转速，如R616钻头在43 5 6 m钻时持续变慢后，钻压由100kN增大至16 0 18 0 kN,导致切削齿受力过大（图4）；钻头选型不够合理，2 只钻头都是以攻击性为主，抗冲击性略有不足。200160F120804004.3204.3404.3604.3804.4004.420井深/m图4钻压-钻时变化曲线3基于地质环境因素分析的钻头优化改进3.1须三段地质环境因素分析应用有限元软件建立须三段地应力分析模型，模拟结果表明，不同方向岩石骨架应力差异达35.5%，向最小水平地应力方向钻进，井底岩石骨架应力高，破岩难度更大，而且井壁岩石更易发生应力崩落掉块。XH8-5井须三段骨架应力与X8-3井相似，比X8-2井高7.3 MPa(13%）,见表1。1100钻压+钻时80(u/uru)/Fa46040200采用16 mm+13mm齿复配设计，保径位置采用13胡大梁等：川西须家河组三段非均质性地层钻头研选及优化表1不同钻进方位井底岩石骨架应力对比井号X8-2#X8-3#钻井方位与最大水平应力夹角/）井底平均骨架应力/MPa方位说明在地应力作用下,井壁因被地应力挤压四,呈现一定的椭圆特征，沿最小水平应力方向倾斜钻进时，井筒低边为椭圆井筒长轴方向，曲率半径偏小，钻具靠近井筒低边并旋转和滑动时，接触面积大，摩擦阻力大，不利于钻压和扭矩传递；XH8-5与X8-3相似，更偏向最小地应力方向钻进，钻进时钻压与扭矩传递效率相对较低，如图5 所示。63:冲击性和耐磨性 8-10;其次是攻击性，要求钻头具有XH8-5双排布齿、力平衡设计、适合定向的结构特点。优选BTS616型PDC钻头，前排齿配置超耐磨切削齿，406656.263.2偏向最大偏向最小偏向最小应力应力up6863.5应力upmm齿，可减小侧向扭矩；优化冠部形状,增加工具面稳定性。对前期使用的KSD1662钻头进行优化改进，针对肩部主切削齿崩齿问题，在肩部前排齿和后排齿设计2 2 颗三棱齿以提高抗冲击性，鼻部设计16 mm平面齿以保证攻击性。优化后的KSD1662钻头如图7 所示。图7 优化后的KSD1662钻头结构特征3.3现场应用及效果分析SH针对前2 趟钻加大钻压后崩齿的问题，利用maxSH图5 井眼形状与钻柱形态示意图岩石可钻性受矿物组分、粒度、胶结、孔隙度、致密程度等多方面影响，从钻伽马值与钻时变化曲线(图6)可以看出，随着伽马值降低，钻速变慢，伽马值大于3 0 0 对应钻时15.7 min/m，伽马值2 0 0 3 0 0对应钻时2 2.7 min/m，伽马值小于2 0 0 对应钻时2 7.8min/m；总体上呈现页岩钻速快、砂岩钻速慢的特点。其中46 6 2、47 0 3 m等井段钻时特别高，Si元素含量中等,Ca和Mg元素含量明显偏高,反映了地层有异常胶结物质，钻头破岩困难。一伽马值一钻时350300250值20015010050046003.2钻头优化及改进针对前期出现的钻头崩齿、抗冲击性和耐磨性不足的问题,结合工程地质环境因素分析结果，认为须三段地层强非均质性地层首要考虑钻头的抗Surfer模拟软件建立钻井参数优化模型,结合钻速敏感性影响因素分析结果,确定各井段最适宜的钻井参数，从前期的钻井参数“刚性强化”发展为“柔性强化”，钻遇砂岩钻时变慢后及时降低钻压和转速，页岩钻压10 0 12 0 kN、转速7 5 8 0 r/min，砂岩钻压709 0 k N、转速6 0 7 0 r/min，保证钻头平稳穿过夹层，避免发生早期崩齿损坏,如图8 所示。8070(ur/)/取转60140120100(u/uru)/80604020046204640井深/m图6 钻时随伽马值变化曲线504060708090100110120130140150钻压/kN图8 钻压-转速与钻速敏感性关系图4.66046804.700第3 趟钻使用优选出的215.9mmBTS616钻头+172 mmAutotrak Curve旋导工具+172mm低速大扭矩螺杆，2 0 2 2 年11月9 日4:0 0 开始钻进，11月13 日16:0 0 钻至井深45 9 6 m，由于钻时变慢起钻，钻进井段443 445 9 6 m，钻压基本控制在9 0 140kN，进尺16 2 m，平均机械钻速2.7 5 m/h。第4趟应用结构优化设计加工的KSD1662钻头，配合:64172 mmAutotrak Curve 旋导工具+172 mm低速大扭矩螺杆，11月14日2 2:40 开始钻进，11月17 日21:50钻至井深47 19 m由于钻时变慢起钻，钻进井段45 9 6 4 7 19 m,钻压8 0 12 0 kN,进尺12 3 m,平均机械钻速2.14m/h。通过优化钻头结构特征和钻井参数后，2 趟钻累计进尺2 8 5 m，平均单趟进尺142.5 m，与优化前2趟钻相比，回次进尺增加16 0%，同比邻井进尺增加40%以上，减少起下钻2 4趟，出井基本正常磨损，无崩齿现象，表明优化后的PDC钻头和钻井参数基本能够解决须三段非均质地层的钻头崩齿和进尺短问题。4结论1)川西须三段地层砂岩和页岩互层,非均质性强、软硬交错、砂岩地层研磨性强、钻头切削齿吃入困难,钻头设计和选型首要考虑因素是抗冲击性和耐磨性,其次是攻击性,正常钻进时过高的钻压和转速易导致钻头提前损坏。2)对于须三段非均质性地层,推荐选用6 刀翼、切削齿16/13 mm、双排布齿、肩部采用抗冲击齿型设计的PDC钻头；钻进时适合采用钻井参数柔性强化的方式，根据岩性和钻时变化实时调整参数，避免钻头崩齿，有利于延长钻头使用寿命。石油工业技术监督参考文献：1郑和荣,刘忠群,徐士林,等.四川盆地中国石化探区须家河组致密砂岩气勘探开发进展与攻关方向 .石油与天然气地质,2 0 2 1,42(4):7 6 5-7 8 3.2姜自然,陆正元,刘斐,等.川西坳陷新场气田须家河组宽大裂缝及其油气地质意义 J.成都理工大学学报(自然科学版),2 0 2 3,5 0(1):3 4-42.3 许晗,刘明洁,张庄,等.四川盆地川西坳陷须家河组三段致密砂岩储层成岩作用及孔隙演化 .天然气地球科学,2022,33(3):344-357.4】付振柯,王晓龙,饶松,等.川西坳陷须三段致密砂岩优质储层特征及控制因素 J.中国地质,2 0 2 2,49(1):2 9 8-3 10.5刘彬,姚建林,杨斌.川西双鱼石构造须家河组岩石抗钻特性研究 .科学技术与工程,2 0 2 2,2 2(18):7 8 46-7 8 5 2.6刘伟.川西气田须家河组致密坚硬地层钻井提速关键技术 J.天然气技术与经济,2 0 2 0,14(5):44-5 1.7周波,汪海阁,张富成,等.温度压力对岩石可钻性和破岩效率影响实验 J.石油钻采工艺,2 0 2 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