0 引 言

东胜气田构造上位于鄂尔多斯盆地伊盟北部隆起带，钻遇地层岩性多为砂岩，且砾石较发育，主要分布在志丹群、延长组下部和二马营组上部；与尚沟组和刘家沟组地层砂泥岩互层，泥岩厚度较大；石千峰组和石盒子组砂岩中石英含量自上而下逐渐增大，局部硅质胶结，较致密。东胜气田整体岩性致密坚硬，研磨性强，钻头磨损严重，机械钻速低。东胜气田前期所钻15口水平井平均机械钻速6.64 m/h，钻井周期79.81 d，平均每口井使用钻头15只，平均进尺269 m，钻井效率低，制约了气田的高效开发。为此，笔者开展了岩石抗钻特性参数与测井声波时差研究，确定了岩石可钻规律，并结合钻头磨损情况，进行钻头选型及设计优化，形成了东胜气田钻头选型优化技术，提高了钻井效率。

东胜气田完钻1口水平井一般需10~20只钻头，钻头使用数量多，使用效率低。二开ø222.25 mm(8 3/4 in)直井段地层为志丹群至石千峰组，其中直罗组至延长组地层以砂泥岩互层为主，夹杂少量粗中砂岩层；延长组底部含砾石，二马营-石千峰组为粉砂和细砂岩，沉积年代远，胶结致密。一般使用4~5只钻头，使用的PDC钻头有2种特征，一种是主切削齿直径19 mm，双排齿结构，二排齿直径为13 mm复合片，5刀翼结构；另外一种是主切削齿直径16 mm，双排齿结构，二排齿直径为13 mm复合片，5刀翼结构。

PDC钻头主要失效形式是钻头鼻部和肩部崩齿。J11P12H井钻进志丹群-刘家沟组，使用2只GD1605TX钻头，第1只进尺58 m，机械钻速6.40 m/h，第2只钻头进尺1 401 m，机械钻速20.56 m/h。2只钻头肩部出现磨损，钻头心部齿磨损，钻头入井前直径220.00 mm，出井后直径215.00 mm，保径齿磨损严重。

二开ø225.25 mm或ø215.90 mm(8 1/2 in)斜井段(含导眼)地层为石千峰-太古界，常使用7~8只PDC钻头进行定向作业，也使用PDC钻头+牙轮钻头进行施工。PDC钻头的主要特征是主切削齿直径16 mm，双排齿结构，二排齿直径为13 mm复合片，5刀翼结构。定向PDC钻头在钻井过程中工具面不稳定、造斜率低，定向效果差。J11P12H井1 869~2 213 m井段选用S1655FGA2钻头，定向机械钻速2.38 m/h。该钻头入井前直径222.25 mm，出井后直径219.00 mm，后保径齿磨损严重，钻头的崩齿严重(见图1)。2 495~2 853 m选用GD1605TX钻头钻穿下石盒子、山西组和太原组，最终钻至太古界，平均机械钻速5.83 m/h，钻头外锥崩齿严重，鼻部齿磨损2~3 mm，肩部齿磨损3~4 mm，保径磨损3 mm(见图2)。J77P3H井上石盒子组2 560~2 589 m，选用AT1515T钻头，进尺29.36 m，定向机械钻速0.48 m/h，钻头各切削齿基本无磨损，但机械钻速较低，切削齿布齿后倾角较大，不利于钻进，保径较短，定向钻进不稳定。

图1 S1655FGA2钻头磨损情况 Fig.1 S1655FGA2 bit wear

图选项

图2 GD1605TX钻头磨损情况 Fig.2 GD1605TX bit wear

图选项

三开ø152.40 mm(6 in)水平段主要为石盒子组和山西组，岩性为细砂岩和含砾砂岩与泥岩、砂质泥岩互层，泥岩塑性较大，地层岩性石英含量较高，研磨性强，局部含砾。2013年水平段平均使用钻头5只，使用较好的钻头结构是双排齿结构，主切削齿16 mm，二排齿13 mm，5刀翼。J11P12H井水平段采用GD1605TX钻头，钻遇盒3泥岩，致密细砂岩和中砂岩，进尺125 m，机械钻速5.21 m/h，钻头冠部磨损严重，肩部出现环磨后保径齿磨损严重。J77P3H井水平段(3 385~3 539 m)采用M1652FC1钻头，机械钻速10.10 m/h，钻头鼻部切削齿部分磨损、崩落，外锥齿及肩部齿磨损严重，保径齿磨损1~2 mm。

分析上述各井段钻头磨损情况可知，东胜气田钻头磨损原因主要有：①上部地层含砾多导致PDC钻头严重崩齿，使钻头过早失效；②下部地层砂岩致密坚硬，石英含量多对PDC钻头造成严重磨损；③钻遇砾石时钻进参数未能有效控制。

收集锦8井、锦12井、锦14井、锦20井及锦21井储层岩芯49块，进行岩石力学参数试验。通过测定形状规则的岩石试件在单轴压力作用下纵向和横向的变形量，求得岩石的单轴抗压强度。试验结果见表1。

根据内摩擦角的大小对地层进行分类^{[1, 2]}。从试验结果可知，内摩擦角基本大于36°，因此该区储层基本为高研磨性地层，按抗压强度对地层进行分类。试验中单轴抗压强度基本在60~80 MPa，所取岩芯地层为中-硬地层。

岩石可钻性是岩石抗破碎的能力，是表征钻头与岩石特性之间关系的关键参数，其数值可根据试验取得^{[3, 4, 5]}。通过试验数据与测井数据对比分析，可建立岩石可钻性级值与声波时差关系式，从而建立地层可钻性连剖面。研究结果表明，声波时差与地层岩石力学特性的关系式为^{[6, 7]}：

经拟合回归分析发现，牙轮钻头可钻性与声波时差的相关性系数最高，呈现指数函数关系。依据试验结果和声波时差与岩石力学特性关系，建立东胜气田岩石可钻性与声波时差关系。

东胜气田牙轮钻头可钻性级值与声波时差的关系式为：

PDC钻头可钻性级值与声波时差的关系式为：

根据建立的PDC钻头可钻性模型，确定岩石可钻性变化规律。志丹群至延长组(300~1 200 m)可钻性级值为4~5，从延长组至刘家沟组(1 200~1 900 m)岩石可钻性级值为5~6，上古生界(1 900~2 500 m)岩石可钻性级值为6~7，下古生界(2 500~2 800 m)岩石可钻性级值为7~8，整体呈逐渐增大趋势。比较牙轮钻头与PDC钻头的可钻性级值可知，上部PDC钻头级值与牙轮钻头接近，下部PDC钻头可钻性级值总体低于牙轮钻头。

对牙轮钻头和PDC钻头可钻性级值及已使用钻头进行分析可知，东胜气田牙轮钻头总体效率低，平均机械钻速仅为3.12 m/h，且存在掉牙轮的风险，因此推荐使用高效PDC钻头，在钻遇砾石时控制钻井参数，保持低钻压和低转速平稳钻进。

根据东胜气田地层可钻性级值及钻头磨损情况，结合成像测井资料中砾石分布情况，对直井段、斜井段及水平段钻头进行优化^{[8, 9]}。

二开直井段钻头(见图3)主切削齿采用直径16 mm高抗冲击性复合片，提高钻头抗冲击性能，解决直井段钻头鼻部和肩部崩齿问题；降低内锥部位布齿密度，提高钻头鼻部和肩部布齿密度，在提高机械钻速的同时增强鼻部和肩部齿的抗冲击性；减小钻头鼻部和肩部后倾角，进一步提高钻头攻击性，提高钻头机械钻速；使用刚体深排屑槽结构设计，排屑槽面积13 211 mm²；优化水力结构，设计7个喷嘴，充分发挥钻头水力喷射作用，配合大排量(25~35 L/s)钻井工况进一步提高钻头机械钻速。优化后钻头型号为KS1652DGR。

图3 优化后直井段钻头 Fig.3 Optimized vertical interval bit

图选项

斜井段定向钻头(见图4)设计主切削齿尺寸16 mm，保径长度50 mm，5刀翼，5喷嘴；提高肩部布齿密度(2 mm)，提高钻头侧切能力；设计更适合定向的浅内锥结构，增强导向性、清洗能力和攻击性；采用DOC限制横向移动技术，提高钻头定向工具面稳定性；优化钻头轮廓，提高钻头造斜效率，减少钻头滑动造斜，提高钻头定向性能；使用综合性能更好的复合片，进一步增强钻头复合片耐磨性能，延长钻头使用寿命；一体式超短钻头，保径50 mm，利于操控，满足定向要求。优化后钻头为KSD1653DGR定向系列钻头。

图4 优化后斜井段钻头 Fig.4 Optimized inclined interval bit

图选项

水平段钻头(见图5)设计减少击碎线磨量，提高钻头攻击性^[10]，使用小后倾角设计，在相同的钻压及扭矩下，小后倾角钻头的切削齿易吃入地层，提高钻头机械钻速；相同转速下，采用小后倾角切削齿受力较小，钻压及扭矩较小^[11]，综合考虑钻头稳定性、耐磨性及机械钻速，采用后倾角15°；钻头冠部轮廓采用短抛物线形，适合中硬地层；优化钻头水力结构，提高钻头返屑能力^[12]，减少钻头井底重复研磨，深排屑槽(10 mm)可进一步提高钻头排屑能力；使用高抗研磨性能复合片，提高钻头进尺，优化后钻头型号为KMD1652DTR和KSD1651ADGR。

图5 优化后水平段钻头 Fig.5 Optimized horizontal interval bit

图选项

将优化后的钻头在J77P4H和J66P18H井进行现场试验。J77P4H井共用5只钻头完钻。直井段钻头KS1652DGR钻达设计井深起钻，出井钝钻头新度85%，内锥有1颗齿磨损5 mm，肩部及规径部位4颗复合片崩齿失效、2颗齿磨损3~4 mm，保径良好，钝钻头其余部位复合片轻微磨损。图6为J77P4H直井段至水平段5只钻头出井照片。

图6 J77P4H直井段至水平段5只钻头出井照片 Fig.6 Picture of 5 bits from vertical interval to horizontal interval of Well J77P4H

图选项

导眼斜井段钻头KSD1653DGR钻达设计井深起钻，出井钝钻头新度75%，1号刀翼3颗齿崩齿，二排齿1颗齿崩齿，鼻部磨损2~4 mm；2号刀翼2颗齿崩齿，鼻部和肩部磨损3~4 mm；3号刀翼2颗齿崩齿，二排齿1颗齿磨损5 mm，鼻部磨损3 mm；4号刀翼2颗齿崩齿，二排齿1颗齿崩齿，肩部磨损3 mm；5号刀翼2颗齿崩齿，二排齿磨损3~4 mm，保径良好。

造斜段钻头KSD1653DGR钻达设计井深起钻，出井钝钻头新度80%，1号刀翼鼻部和肩部齿磨损2~3 mm，肩部1颗齿轻微崩齿；2号刀翼肩部磨损2 mm，鼻部和规径齿崩齿失效；3号刀翼鼻部和肩部磨损2~3 mm，肩部、规径齿崩齿失效；4号刀翼鼻部磨损3 mm，肩部、规径部位崩齿失效；5号刀翼鼻部磨损2 mm，肩部崩齿失效；钻头其余部位无失效，保径良好。

水平段2只钻头KMD1652DTR出井钝钻头新度65%，主要为崩齿失效，肩部PDC复合片磨损3~4 mm，地层中含砾粗砂岩是造成PDC复合片崩碎的主要原因，整个钻头崩齿较为严重。

J66P18H井水平段采用1只钻头，型号为KSD1651ADGR，钻进中稳斜良好，总进尺700 m，机械钻速14.00 m/h，水平段钻井周期2.92 d，刷新东胜气田水平段钻井周期记录。起出钻头后保径齿磨损1~2 mm，1号、3号和4号刀翼的肩部有2~3 mm磨损。钻头总体使用效果良好。

表2为优化后钻头的应用效果。通过2口井的试验应用，直井段机械钻速由17.72 m/h提高至30.70 m/h，导眼段机械钻速由4.77 m/h提高至10.08 m/h，主井眼斜井段机械钻速由3.82 m/h提高至6.26 m/h，水平段机械钻速由7.22 m/h提高至14.00 m/h，全井机械钻速较优化前提高84%以上。单井使用钻头减少9只，节约成本63万元。

(1)根据声波时差与地层岩石力学特性参数关系及岩石可钻性与声波时差的相关性，建立了东胜气田岩石可钻性级值计算模型，确定了岩石可钻性规律，地层可钻性级值4~8，属中-硬地层，地层研磨性强。

(2)根据地层可钻性规律和钻头实钻资料，进行了钻头选型及钻头设计优化，将优选钻头与设计优化钻头进行现场试验，收到了较好效果。

(3)建议开展高效钻具与钻头的匹配性研究，探索不同钻具组合和钻井参数条件下的个性化钻头开发，以进一步提高钻井效率。