大牛地气田DP94H井导眼钻头选型

张建丽，周 权，徐永斌，吴海涛

(1.中国石化胜利石油管理局钻井职工培训中心，山东 东营 257061;2.中国石化胜利石油管理局黄河钻井北方分公司，山东 东营 257000)

鄂北工区大牛地区块目前主要以水平井为主且大部分水平井需要进行导眼的钻进，由于导眼段钻遇的地层跨度大，从新生界到下古生界，岩性多样，主要包括泥岩、砂岩、煤层、铝灰岩、云岩、灰岩;井眼轨迹复杂(直–增–稳–降–稳)，滑动钻进井段长，复合钻进井段较短，这些因素直接制约了本工区的钻井提速，尤其在钻头选型方面存在着诸多分歧。本文在前人的基础上，优选出几种钻头在DP94H井试用，针对使用情况给出了自己的建议。

1 DP94H井简介

DP94H井为一口带有导眼的水平井，位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东北部。导眼完钻层位为奥陶系马家沟组，实际完钻井深为3 233 m，导眼段井眼轨迹为直–增–稳–降–稳结构，井身结构数据如表1所示。

表1 DP94H井井身结构与套管程序数据表

本井依次钻遇以下地层:新生界、志丹群、安定组、直罗组、延安组、延长组、石千峰、上石盒子组、下石盒子组(盒2、盒1)、山西组(山2、山1)、太原组(太2、太1)、马家沟组。钻遇地层跨度大，岩性复杂多变。

2 一开井段(新生界-延安组)

一开地层主要为河流相沉积，砂砾岩发育，从新生界至一开完钻，憋跳现象较严重，扭矩为0～11 kN·m，变化幅度很大，容易造成钻头的先期破坏。一开本井钻头采用大螺旋、大切削齿(≥19 mm)、长刀翼带有减震齿的胎体PDC钻头［1］，避免砾石对胎体的冲击破坏，增强了钻头抗回旋能力，同时机械钻速达到了40.45 m/h。图1为一开钻时曲线。

由图1可知，新生界到直罗组钻时较快，平均钻时在1.39 min/m，进入延安组(264～404 m)为深灰、灰黑色泥岩等厚互层夹煤层，其中灰黑色泥岩胶结致密，为良好的生油气层，同时为本层的小盖夹层，钻时快慢交替(1.8 min/m)。延安组底部为含砾粗砂岩，钻时较快(1.32 min/m)。一开钻时整体呈现快-慢-快的变化趋势。平均钻时1.48 min/m。

3 二开井段(延安组-马五5)

大牛地区块二开后盒2段以上层位均呈现反钻时(砂岩钻时慢，泥岩钻时快)现象，盒2以下至太原组呈现出正钻时(砂岩钻时快，泥岩钻时慢)，本溪组铝土岩钻时最快，马家沟地层根据灰岩及云岩泥质含量的不同，钻时略有差别，马五5由于灰岩较纯，孔隙度最小，所以钻时最慢。

3.1 二开直井段(延安组-石千峰)

刘家沟组以上地层泥质胶结，孔隙度大，胶结疏松，钻时较快;刘家沟组泥岩和细砂岩互层，铁质胶结及钙质胶结致密，钻时为中生界最慢;延长组为河流相沉积，砂砾岩发育，本井二开后从404.5 m至1 100 m，憋跳一直很严重，但钻时相对较快，上部延长组中部及二马营组容易掉块，注意防卡。图2为DP94H井二开直井段钻时曲线。

由图2可知，钻时逐渐变慢，钻至刘家沟底部1 980 m最慢，穿过刘家沟后，钻时变快。二开直井段钻时整体呈现出快-慢-快的趋势。

二开直井段使用了两只S1655FC钢体PDC钻头，第一只S1655FC使用情况如图3和表2所示。

表2 两只S1655FC使用情况统计

该钻头为钢体5直刀翼PDC钻头，16 mm切削齿，5刀翼为非对称分布，增强了钻头的抗回旋性能，同时每个刀翼的鼻部和肩部都备有二级齿，加强了钻头的耐磨性，保径部位由主保径和被动保径共同组成，共有12 cm长，有利于直井段的防斜打直。

由图3可知，钻头两个长刀翼内锥断落，其余三个短刀翼内锥刀翼磨损严重，钻头中心部位形成一个环形槽，鼻部、肩部、外锥齿及保径齿的复合片崩裂并且磨损严重。从现场实钻情况分析，404～1 100 m钻头憋跳钻严重，砂砾岩发育，钻头胎体受到了严重的轴向冲击载荷、切向载荷以及侧向的冲击载荷，导致主切削齿复合片和基体的崩裂，同时磨损刀翼本体。针对本地层的砂砾层，临井选用抗冲击性强的19 mm主切削齿分布于易磨损的鼻部、肩部，同时二级齿换成圆锥形减震齿［2］，增强钻头的减震效果;同时增加内锥切削齿的布齿密度，减小单个齿的受力强度。

刘家沟细砂岩为灰质及铁质胶结，胶结致密，钻头吃入地层困难，钻压120 kN，转盘扭矩为8 kN·m，扭矩的变化幅度很小，平均钻时为8 min/m。第二只S1655FC使用后的情况如图4所示，钻头冠部主要是石英磨损，集中在钻头的鼻部、肩部以及保径部位，其中内锥部位无磨损，更加证实了地层致密，钻头的吃入浅，对地层的破坏小，钻时慢。但该钻头在石千峰的大段棕红色泥岩中发挥了很大的优势，既防止了钻头的泥包又提高了机械钻速，平均钻时为7.45 min/m。

直井段小结:直井段地层地层疏松，钻时较快。上半段的砂砾岩发育，导致钻头钻头复合片的崩裂，进入刘家沟后，石英含量的升高，导致钻头的磨损加剧，最终导致很多井队在未穿过刘家沟就更换钻头，对于上部地层，应选择19 mm主切削齿、直刀翼、钢体PDC钻头。穿过石千峰地层后，务必使用钢体钻头钻穿大段泥岩的石千峰和上石盒子直至造斜点。二开直井段可以选择胎体钻头，抗冲击及抗磨性强，但钻时相对较慢，一趟钻可以钻至造斜点，对于胎体钻头钻遇石千峰和上石盒子地层的泥岩易发生泥包，导致钻时变大。

3.2 二开增斜段(石千峰底部-盒1)

二开增斜段钻遇石千峰、上石盒子、盒3段、盒2段大段泥岩，本井段下入S1655FGA2钢体PDC钻头，钻时较快，一只钻头钻完增斜段，平均机械钻速5.58 m/h，钻头出入井情况如图5所示。

由图5可知，S1655FGA2为全部进口齿，钻头的抗磨和抗冲击性有了很大的提升，由于保径部位仅7 cm长，增加了钻头的侧向切削能力。大刀翼、大水槽避免了在大段易造浆的泥岩段中先期泥包，配置的二级齿，加强了钻头的稳定性，减少了钻头的涡动损害。

使用后的钻头冠部主切削齿磨损很小，但是主保径齿崩裂较多，因此对于大斜度井钻头主保径部位和井眼的下井壁是点接触，接触面积小，单位面积上的受力最大;而被动保径部位和下井壁为面接触，接触面积大，单位面积的受力最小。因此大斜度井钻头主动保径齿应选用小切削齿13 mm，同时增加布齿密度，减小每一个齿的受力强度。

图6为钻头增斜段复合钻进时的钻时曲线，为了对比地层的可钻性，删除了滑动钻进的钻时。由图6可知，上石盒子组钻时最快，且钻时平均，夹层较少。盒3和盒2段钻时较快，但硬夹层较多，盒1段钻时最慢，整个增斜段钻时逐渐变慢。仔细观察可以发现盒3、盒2段钻时逐渐增加，验证了盒2段上部为反钻时，盒1段钻时逐渐减小，更加符合河流相沉积理论(正旋回:泥-细砂-粗砂)。

增斜段小结:目的层位于盒1段，增斜段钻遇大段泥岩，钻头吃入能力强，夹层少，扭矩稳定，工具面稳定，滑动钻进时效果好，所以盒3之前，尽量地把井斜挑起来，下石盒子地层尽量少滑动钻进，多选择大的泥岩层位定向，有利于提高机械钻速。所以本地层如果选择19 mm大齿钢体PDC钻头，同时配合小齿保径齿，不但可以避免钻头泥包，同时获得更高的机械钻速。

3.3 二开降斜段(盒1-马家沟)

二开降斜段钻遇大牛地区块主要目的层，生、储、盖层发育成熟，钻时快慢交替明显。图7为二开降斜段钻时曲线。

由图7可知，盒1底部有6～10 m的大段含砾中砂岩，易造成钻头的轴向冲击及侧向冲击损坏;由于山西、太原组多含煤层，山1段和太原组多次出现快钻时且煤层易坍塌卡钻;本溪组为铝土岩钻时较快(3～5 min/m);进入马家沟后，钻时明显较上部地层变慢，马五1-4为含泥云灰岩，钻时较快，而马家沟马五5由于为较纯的黑色灰岩，胶结致密，钻时最慢，对钻头的磨损较严重。

由于目的层石英含量最高，泥岩硬夹层较多，呈现出明显的正钻时现象，对钻头的磨损严重，砾石含量少，钻头冠部切削齿很少出现崩裂的现象，主要是磨损。本段地层使用16 mm主切削齿、全进口复合片齿、双排齿、直刀翼，短保径胎体PDC钻头。从起出的钻头可知，此钻头较适合本区块，此段仅用一只钻头钻至设计井深，且平均机械钻速达到了8.16 m/h，钻头外锥及鼻部有轻微的磨损，齿无崩裂现象，但是保径部位切削齿崩裂较多，因此对于大斜度井保径部位切削齿的设计应该引起重视。

4 结论及建议

1)大尺寸切削齿、大螺旋刀翼配有双排胎体PDC钻头适合于一开井段。

2)二开上部直井段(刘家沟组以上)选择大齿、大螺旋钢体PDC钻头，穿过刘家沟后，下部直井段主要为大段泥岩，宜采用中齿钢体PDC钻头，能获得较高的机械钻速。

3)石千峰组到下石盒子盒1增斜段选择一只16 mm主切削齿、中等螺旋或直刀翼钢体PDC钻头，能钻完增斜段。

4)盒1段以下为大牛地区块主要目的层，硬夹层多，选择一只胎体16 mm主切削齿、直刀翼PDC钻头可以钻至设计井深。

5)大斜度井的钻头保径部位应该加强设计，避免部分齿的损坏导致整只钻头的失效。

［1］翁炜．含砾石用 PDC钻头研究［D］．北京:中国地质大学，2009．

［2］陈庭根，管志川．钻井工程理论与技术［M］．东营:石油大学出版社，2000．