龙凤山火山岩高效PDC钻头研发与应用

龙凤山火山岩高效PDC钻头研发与应用

李姝凡

中石化江钻石油机械股份有限公司

摘要：随着龙凤山气田目的层由营城组加深至火石岭组，埋深更深，地层可钻性更差，单只金刚石钻头进尺短、机速慢，失效较严重，钻井提速存在进一步提升空间。结合地层岩性特征，深入开展金刚石钻头击碎线设计、切削结构设计等关键技术研究，研制出高效PDC钻头。技术应用后，单只钻头进尺提高41%，机械钻速提高30%。

关键词：火石岭组；击碎线设计；切削结构设计

0 引言

龙凤山气田构造上位于松辽盆地长岭断陷龙凤山鼻状构造带，主要受早期基底拆离断层与一系列近南北向西倾与东倾正断层所控制[1]，后期抬升形成鼻状构造带，该区是油气长期运移的有利指向区。龙凤山地区断陷层沉积基底为上古生代石炭-二叠系变质岩，断陷层地层自下而上分别为下白垩统火石岭组（K1h），沙河子组（K1sh）、营城组(K1yc)、登娄库组(K1d)，坳陷层自下而上为下白垩统泉头组，上白垩统青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组[2]，第三系泰康组及第四系。

龙凤山气田目前是东北油气分公司增储上产的主要阵地，经过前几轮井的开发，油气显示较好，经济效益可观，成为东北油气分公司未来油气增产的重要来源。近两年来目的层逐步由营城组加深至火石岭组，火石岭组中基性火山岩储层含玄武岩、安山岩、凝灰岩、火山角砾岩等，可钻性较差，统计2019-2020年龙凤山工区火石岭组水平段钻头使用数据，单只钻头平均进尺297.6m，平均机速4.13m/h，钝钻头失效严重，较2018年营城组水平段钻头指标分别下滑15%和22。单只钻头进尺短、机械钻速慢，施工难度大，周期长，继续提高龙凤山中基性火山岩机械钻速、提高单只钻头进尺，降低单井综合成本具有重要意义。

为此，本文通过深入开展地层岩性特征分析，进行击碎线设计、切削结构设计等关键技术研究，以提高机械钻速、缩短钻井周期、降低综合钻井成本为目标，研制出高效PDC钻头，形成针对龙凤山中基性火山岩有效的解决方案。

1.地层岩石可钻性

结合地层岩心测试数据，对现有测井数据软件计算值进行修正，完善了龙凤山地层岩性剖面。通过两种途径来了解和掌握龙凤山工区地层岩性和力学特性：一收集龙凤山工区岩心，并测试其岩石力学性能参数；二收集龙凤山工区测井数据，利用测井数据处理软件，计算分析地层岩性和力学性能参数。在获得上述岩性和岩石力学性能参数后，再通过综合，可建立起龙凤山工区的岩性剖面。

结果表明：龙凤山工区火石岭组地层火山岩发育，地层可钻性极值5.5～7.5，抗压强度为110～180MPa，属于可钻性较差、中～高抗压强度、中等研磨性岩石。部分区块部分层段（如北213）、可钻性极差，研磨性极强。

2. 确定钻头开发方案

2.1主要问题

（1）火石岭组PDC钻头主要使用16mm复合片、5/6刀翼钻头，结合钝钻头的失效形式，复合片主要以崩齿失效为主，需要进一步提高复合片的抗冲击能力，兼顾耐磨性，提高钻头进尺能力；

（2）部分层段机械钻速较低，钻头吃入性较差，需要进一步提高钻头的攻击性，提高机械钻速；

（3）长水平段部分钻头调整井斜困难，需要频繁摆工具面，定向效率低，需要进一步提高钻头的定向性能，提高定向效率。

2.2钻头选型

（1）由于可钻性差，火山岩一般选用牙轮钻头和混合钻头钻进；

（2）牙轮钻头选型，采用岩石综合级值方法。挑选岩石可钻性Kd、单轴抗压强度σc和塑性系数k三个关键指标，采用加权指数建立岩石综合级别指数Z；

（3）PDC钻头和混合钻头选型，挑选岩石抗压强度σc、研磨性MSL和内摩擦角θ作为钻头选型的关键参数；

（4）得益于PDC钻头的技术进步，可以用PDC钻头钻进火石岭组火山岩。

2.3解决方案

龙凤山工区火石岭组火山岩抗压强度范围为110-180MPa，研磨性62-76mg，内摩擦角主要范围在38-42，根据PDC钻头选型原则确定火石岭组钻头选型为6刀翼、16mm复合片定向PDC钻头。

2.4攻关方向

针对龙凤山中基性火山岩储层含玄武岩、安山岩、凝灰岩、火山角砾岩，可钻性较差的工程问题，通过深入开展地层岩性特征分析，提出钻头在切削结构、关键材料等方面的研发思路，为高效钻头提供改进方向。

2.5主要方案

（1）优化复合片材料技术，优选出高抗冲平面复合片，有效提升复合片的综合性能；

（2） 形成硬地层布齿技术，提高钻头寿命和攻击性；

3 PDC钻头设计研究

3.1 硬地层PDC钻头击碎线技术研究

PDC钻头的冠部就是PDC齿工作时与地层接触而产生的切削面。冠部形状就是将该工作面简化至通过钻头轴线平面的投影，也称之为击碎线。击碎线的不同会引起PDC齿布置位置和布置方式的不同，从而对PDC钻头的性能产生巨大的影响。击碎线通常采用“直线-圆弧-圆弧”和“直线-圆弧”两种形式。虽然击碎线的表现形式差别不大，但击碎线的参数不同，会导致击碎线呈现出不同的特性。实际设计PDC

钻头时，首先就需要确定击碎线的形状。

为了提高PDC钻头适应硬地层的能力，需提高钻头鼻肩部布齿数量，能够起到分散冲击载荷的作用，同时对增强钻头耐磨性也有较大帮助。因此，合理增大鼻肩部圆弧半径可以同时提高PDC钻头抗冲击和抗磨损能力，强化钻头对龙凤山区块火石岭组火成岩的适应性。

3.2 平稳切削技术研究

PDC钻头工作时的振动主要来自两个方面，一方面是粘滑振动，即PDC钻头吃入不均匀，或者地层不均质导致钻头转速存在波动，甚至出现瞬时钻速为0然后又突然释放的现象；另一方面是横向振动，即钻压施加不连续，或者磨阻、钻柱弯曲等导致钻头横向振动。为减小这两种振动的不利影响，开发了平稳切削技术，能够有效缓解硬地层PDC钻头振动。

针对粘滑振动的问题，开展钻头受力分析和抗粘滑振动研究。研究表明，PDC切削齿吃入地层深度的变化是导致粘滑发生的主要原因。因此，在保证钻头攻击性的前提下，需要限制PDC齿的吃入深度，防止由于吃入过深导致扭矩波动过大导致粘滑

4 PDC钻头产品设计开发

龙凤山区块火石岭组中基性火山岩储层含玄武岩、安山岩、凝灰岩、火山角砾岩等，可钻性较差，对钻头抗崩性能有较高要求。PDC钻头抗崩性能与复合片直径和刀翼数量有密切相关性。复合片直径越大、刀翼数越少，抗崩性能越差，相应地钻头吃入能力提高，机械钻速较快但进尺较少。近年来龙凤山区块钻头厂家均主要应用16mm复合片6刀翼钻头，取得了抗崩性能和机械钻速的之间的平衡，故针对性开发PDC钻头主要结构形式仍为16mm复合片6刀翼，应用前述硬地层PDC钻头击碎线、布齿等核心设计技术，并匹配高性能异形复合片，提高钻头切削效率和进尺能力。

经过相关研究，研制的高效PDC钻头在北5-2HF井进行了实验，钻遇井段5155-5575m，进尺420m，纯钻时间78h，平均机速5.38m/h，与前期单只钻头平均使用数据对比，进尺提高了41%，机械钻速提高了30%。与考核要求对比，进尺提高了9%，取得了良好的提速效果。

5 结论与建议

本文针对龙凤山火山岩PDC钻头机械钻速慢、进尺能力不足的难题，开展了高效PDC钻头技术研究，得到了以下结论及建议：

后续建议使用大扭矩等壁厚螺杆、扭力冲击器等提速新工具匹配高效PDC在龙凤山火山岩进行现场试验，完善钻井提速提效配套技术适应性评价。

参考文献

[1]张新, 万从礼. 长岭凹陷龙凤山地区砂岩型铀成矿条件浅析[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2018-08-08.

[2] 李莉;张春生;龙礼文;冯金义;张兴勇. 红岗油气田四方台组储层三维地质建模[J]. 四川地质学报, 2010-12-15.