川西双鱼石构造难钻地层岩石可钻性及钻头选型研究与应用

苏 强， 何世明， 胡锡辉， 何 飞

(1西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室 2中国石油西南油气田公司工程技术研究院)

川西北部双鱼石构造ST1井在栖霞组钻遇厚层孔隙型白云岩储层，测试获高产工业气流87.6×104m3/d，拉开了川西北部地区双鱼石构造栖霞组气藏的勘探序幕。截止2019年3月，双鱼石区块完钻井11口，栖霞组测试井8口，井均测试产量46.17×104m3/d，显示出川西北部下二叠统巨大的勘探开发潜力。双鱼石栖霞组气藏属于超深(大于7 000 m)、高温、高压、含硫气藏，超深井钻井工程面临多压力系统、多套地层可钻性差、安全密度窗口窄等难点，其中纵向上自流井组、须家河组、吴家坪组、金宝石组等多套复杂难钻地层，机械钻速低，钻头寿命短，导致全井钻井周期长，ST1井完钻井深7 309 m，钻井周期长达415 d，其中吴家坪组垂厚151 m，钻进时间达91 d(占全井21.9%)，机械钻速仅为0.76 m/h，严重制约川西地区深层天然气勘探开发进程。

为解决双鱼石构造超深井难钻地层机械钻速低、钻井周期长这一难题，西南油气田公司工程技术研究院开展了在地层压力条件下的岩石可钻性实验研究，分析了岩石可钻性级值影响因素及其变化规律[1]，拟合得到了双鱼石构造三套难钻地层的岩石可钻性级值预测模型[2-4]，结合实钻钻头失效分析，提出了适合不同地层的钻头特征参数及型号，建立了双鱼石构造超深井高效钻头模板，现场试验提速效果显著，7 500 m以上的超深井钻井周期同比攻关前缩短了41.44%，显著加快了川西地区深层气藏整体勘探开发进程。

一、岩石可钻性研究

1.岩石可钻性实验

为分析双鱼石构造难钻地层在不同地层压力条件下的岩石可钻性特征，开展了吴家坪组、栖霞组、金宝石组三套地层的岩石露头在围压(pc)分别为0、30、60 MPa，液柱压力(pw)分别为0、30、60 MPa条件下的岩石可钻性实验。实验过程中测得的不同地层压力下的钻时-位移曲线如图1(a)～(c)所示。根据实测结果，按中国石油天然气行业标准《岩石可钻性测定及分级方法》[5]，计算了在各地层压力下的岩石平均可钻性级值，结果如图1(d)所示。

由图1可知，吴家坪组、栖霞组和金宝石组三套地层岩石的可钻性级值会随着围压和液柱压力的升高而增加。吴家坪组地层岩石可钻性级值范围介于6.91～9.41，栖霞组地层岩石可钻性级值范围介于6.59～9.12，金宝石组地层岩石可钻性级值范围分介于6.33～8.20。三套地层对液柱压力和围压的敏感程度依次为栖霞组>吴家坪组>金宝石组。

图1 不同地层压力下的钻时-位移曲线

2.岩石可钻性级值拟合模型

根据在不同围压和液柱压力下实测的岩石可钻性级值结果，基于三次多项式插值方法[7-9]，对吴家坪组、栖霞组、金宝石组三套难钻地层分别开展了多项式曲面拟合，所采用的岩石可钻性级值多项式曲面拟合模型为：

(1)

式中：kd—岩石可钻性级值；pc—围压，MPa；pw—井筒液柱压力，MPa；a、b、c、d、e、f—均为拟合系数。

吴家坪组、栖霞组、金宝石组三个难钻地层的多项式曲面拟合结果见图2～图4，表1给出了最终拟合得到的三地层的岩石可钻性级值预测模型及其相关系数。

图2 吴家坪组岩石可钻性级值拟合曲面

图3 栖霞组岩石可钻性级值拟合曲面

图4 金宝石组岩石可钻性级值拟合曲面表1 可钻性级值预测模型及其相关系数

地层可钻性级值预测模型R2吴家坪组kd=2.259×10-4p2c+8.89×10-5pcpw-4.818×10-5p2w+ 1.162×10-2pc+1.403×10-2pw+6.9560.9996栖霞组kd=-2.901×10-4p2c-1.141×10-4pcpw+6.186×10-5p2w+2.431×10-2pc+3.853×10-2pw+6.5310.9996金宝石组kd=-3.431×10-4p2c-1.35×10-4pcpw+7.316×10-5p2w+2.898×10-2pc+2.672×10-2pw+6.2550.9986

3.岩石可钻性影响因素分析

岩石可钻性是一个综合性指标，受众多因素的影响[16]，包括地层压力情况、岩石微观结构、钻头破岩方式等，不同的影响因素对岩石可钻性的影响机理并不相同，下面将分别对其进行讨论。

3.1 地层压力对岩石可钻性的影响

由图2～图4可知，液柱压力对岩石可钻性有显著影响。吴家坪组、栖霞组、金宝石组三个地层的岩石可钻性级值均会随着井筒液柱压力的增加而增大，其增长趋势近似为一条直线。这表明，井筒液柱压力越高，地层越难钻，导致地层难钻的原因一方面由于液柱压力越高，钻头受到的阻力越大；另一方面，随着井筒液柱压力的增加，岩石破碎面上产生正应力越大，压持效应也就越明显，从而导致钻时增加。

3.2 岩石微观结构对岩石可钻性的影响

不同类型的岩石，其矿物组分和微观结构差异很大。由图5可知，吴家坪组胶结十分致密，多为片状、层状结构，存在微小空隙和裂缝。栖霞组矿物边界明显，孔洞型白云岩储层以中晶和粗晶白云岩为主，储集空间以溶蚀孔洞为主，少量晶间孔、晶间溶孔，孔洞型储层和孔隙型储层间互发育。金宝石组有黏土矿物胶结，胶结程度较好，岩石致密，存在明显的石英颗粒。

图5 地层岩石微观结构

3.3 钻头破岩方式对岩石可钻性的影响

PDC钻头的破岩方式包括剪切破碎、犁滑破碎以及研磨破碎三种[17]。随着围压和液柱压力的增加，岩石颗粒压实程度显著增加，破岩方式会由以剪切破坏为主转变为以犁滑破碎和研磨破碎为主，破岩效率将会降低，导致钻时增加。随着围压和液柱压力的增加，岩样破碎坑中的研磨痕迹也越来越明显。因此在高围压和液柱压力下，PDC切屑齿的磨损速度更快，从而导致钻头使用寿命变短。

4.岩石可钻性级值修正

根据现场提供的ST3井的地层压力数据以及本文建立的可钻性级值预测模型，分别对三个地层进行了岩石可钻性级值修正。吴家坪组修正后的岩石可钻性级值介于8.5～11.5之间，平均值为10.0；栖霞组修正后的岩石可钻性级值介于8.5～13.0之间，平均值为11.0；金宝石组修正后的岩石可钻性级值介于10.5～14.5之间，平均值为12.5。随着地层深度的增加，岩石可钻性级值越大，地层越难钻。

二、钻头选型研究与应用

1.钻头失效分析

以吴家坪组地层为例，对前期井钻头使用情况进行了失效分析。吴家坪组地层前期试验了多类型的钻头，包括牙轮钻头、进口及国产的PDC钻头、孕镶金刚石钻头，效果均不太理想。选取燧石结核较发育的ST3吴家坪组使用的2只PDC钻头进行典型失效特征分析，见图6。

钻头型号：Ø241.3 mm WS566BEH；设计特征：6刀翼，中短抛物线冠顶，Ø13 mm切屑齿，中密度布齿，后备齿加强布齿；钻进地层：二叠系吴家坪组；钻进井段：6970.86～6984.13 m，进尺13.27 m，机速0.65 m/h；起钻原因：钻时变慢；磨损情况：内区自锐磨损、外区环槽磨损；内区磨损2级，外区齿磨损8级；磨损位置集中在肩部和鼻部区域，钻头直径磨损量10 mm以上。

图6 双探3井吴家坪组WS566BEH型PDC钻头失效特征

图7 MV616TAXU非平面切屑齿PDC钻头示意图

2.钻头选型及现场应用

吴家坪组地层燧石结核、燧石条带发育，且分布不均匀，地层条件下的可钻性级值在8.5～11.5，钻齿难以吃入地层，钻进时钻头受力不均，工作稳定性差，异常振动是造成钻头严重失效的主要原因，着力提高钻头工作稳定性、提高布齿密度，预防切削齿的异常失效是该地层钻头选型的关键。针对该地层的岩石力学及可钻性特征，优选了MV616TAXU型六刀翼、Ø16 mm非平面双排切屑齿PDC钻头(见图7)，显著提高钻头的抗冲击能力和破岩效率，在SY132井吴家坪组地层进行了现场试验，单只钻头进尺152.1 m，机械钻速1.72 m/h，同比攻关前ST1井机械钻速提高了125%，创造了双鱼石构造吴家坪组地层单只钻头最大进尺和最高机速两项指标，基本实现了单只钻头一趟钻穿越吴家坪组地层。

基于不同地层的岩石力学参数和可钻性特征，持续开展钻头选型研究及现场试验，形成了适合双鱼石构造超深井的高效钻头模板(表2)，有效指导了ST8、ST10井等井钻井提速，试验井机械钻速同比攻关前均有大幅度提高，其中ST10井刷新了双鱼石区块7 500 m以上超深井最快钻井纪录，完钻周期242.8 d(图8)。

表2 双鱼石构造高效钻头模板表

图8 双鱼石区块钻井技术指标对比图

三、结论

(1)井筒液柱压力对岩石可钻性有显著影响，岩石可钻性级值均会随着井筒液柱压力的增加而增大，其增长趋势近似为一条直线。

(2)建立了三套地层岩石的可钻性级值预测模型，基于现场实际压力数据得到了修正后的岩石可钻性级值，结果表明：吴家坪组岩石平均可钻性级值为10.0，栖霞组岩石平均可钻性级值为11.0，金宝石组岩石平均可钻性级值为12.5。随着地层深度的增加，岩石可钻性级值越大，地层越难钻。

(3)基于岩石可钻性研究，结合前期实钻钻头失效分析，提出了适合不同地层的钻头特征参数及型号，建立了适合双鱼石构造超深井高效钻头模板，现场试验提速效果显著，在SY132井基本实现了吴家坪组地层一趟钻，有效指导了ST10等井钻井提速，显著加快了川西地区深层天然气勘探开发进程。