华北枯竭油气藏储气库钻头优选与应用

摘要：通过对华北枯竭油气藏储气库地层各开次PDC钻头进行个性化设计，优化PDC钻头提高钻头攻击性、抗研磨性，优化钻头水力结构设计，提升钻头的水马力及对钻头的冷却、清洗及排屑能力，增强钻头使用寿命，实现长井段一趟钻或开次一趟钻，并在施工过程中根据实钻情况进行不断改进，最终形成适合华北枯竭油气藏储气库区块的PDC钻头序列，提速效果明显。

关键词：储气库； PDC钻头;一趟钻;钻头序列

一、华北枯竭油气藏储气库现状

华北枯竭油气藏储气库群属于凝析气藏改建，钻井难度大，具有井深、可钻性差、易漏、压力低、温度高等特点。以往储气库钻井施工中，由于地层复杂，潜山界面承压能力低，存在多套压力系统。煤层极易垮塌，井径扩大严重，潜山易漏失，事故复杂多，同时井控风险高。再加卡潜山难度大，钻进速度低，施工周期长。因此通过对地层可钻性分析进行钻头优化，是实现提速增效的有效途径。

二、PDC钻头优选

（一）一开660.4mm钻头设计与推荐

表层钻井，地层压实强度不高，复合片吃入性较好，主要需解表层砂泥岩软硬互层多跳钻、震动等问题。即：钻头需要较高工作稳定性，在有效缓解钻头跳钻、震动等不利工况下，能提升钻参的合理性。较高钻参及水力条件下，钻头跳钻、震动不利工况越少，钻进机速约高。区块设计首先选择5刀翼PDC钻头

由于起出钻头磨损严重，分析磨损情况主要是由于稳定性不能满足实钻要求，钻头复合片先期崩齿，导致机械钻速降低。优化设计使用6刀翼钻头（带减震节）。

6刀翼钻头设计改进方案：

①采用轮廓优化设计，适用于软至中地层；

②采用耻辱能力强的切削角度，配合优化的切削结构，兼备较高的寿命和机械钻速；

③优化钻头喷嘴组合、深排屑槽布置方位以及优化水力结构，钻头具有更好的水力效果，辅助提高钻头的机械钻速；

④抗研磨性优越的PDC复合片，优化布齿技术，钻头具有较高的综合性能；

⑤采用双排齿设计，钻头具有较长的使用寿命；

⑥采用动态流场模拟技术，优化钻头水力设计，增强钻头清洗、冷却能力。

通过加强减震，提高钻头稳定性设计，6刀翼钻头使用后磨损小，机速提高118.82%，适合该地层使用。

最终表层钻头优选结果DXS1965S：

（二）二开374.6mm钻头设计与推荐

使用层位：明化镇-沙河街组；岩性，从地层岩性及结合邻井钻头使用来看，该段应分为两段：明化镇组-馆陶组，棕褐色泥岩夹砂岩；细砂岩、砂砾岩、细砾岩；东营组-沙河街组：泥岩、砂岩、砂砾岩；细砂岩、玄武岩。

前期设计钻头使用情况分析：

1.馆陶组砾岩为该段难点，单只PDC钻穿馆陶组难度较大，且PDC钻头极易报废，需要进一步增强钻头抗崩、抗磨能力；

2.东营沙河街组，钻头出井新度较高，可增强钻头攻击性及对地层的吃入及切削效率，进一步提升钻井机械钻速。

钻头改进设计方案：

1.明化镇组-馆陶组-东营组

①中等抛物线冠形，19齿、5刀翼设计，提升钻头攻击能力

②三个长刀翼设计，提升钻头工作的稳定性；

③前排齿采用抗冲击能力极强的PI异面齿，提升钻头穿馆陶组能力；

④后排采用PP锥尖齿设计，有效提升对地层应力的破坏，同时镇强对前排齿的保护，提升钻头使用寿命；

⑤优化钻头各切削齿受力与做功，提升钻头使用寿命；

⑥优化钻头水力结构设计，提升钻头的水马力及对钻头的冷却、清洗及排屑能力，增强钻头使用寿命。

2.东营组-沙河街：

①中等抛物线冠形，19齿、5刀翼设计，提升钻头攻击能力

②三个长刀翼设计，提升钻头工作的稳定性；

③前排齿采用高性能平面齿，提升钻头对地层的吃入及切削效率的同时，有效提升钻头使用寿命；

④鼻外肩部后排采用减震齿设计，提升钻头在含砂砾岩、玄武岩地层的工作稳定性，有效提升钻头穿夹层能力，增强单只钻头进尺指标。

⑤优化钻头各切削齿受力与做功，提升钻头使用寿命；

⑥优化钻头水力结构设计，提升钻头的水马力及对钻头的冷却、清洗及排屑能力，增强钻头使用寿命。

钻头优化后使用效果分析：通过强化PDC钻头抗冲击性、抗研磨性设计，优化后2只钻头钻完二开进尺（节约3趟钻），提速效果明显。

钻头优化后使用效果分析：通过强化PDC钻头抗冲击性、抗研磨性设计，优化后最少2只钻头钻完二开进尺（节约3趟钻），机械钻速提高3.39%，整体提速效果明显。

（三）三开241.3mm钻头设计与推荐

使用层位：沙河街组-奥陶系峰峰组；岩性，从地层岩性及结合邻井钻头使用来看，该段应分为两段：沙河街组-石炭二叠系，细砂岩、砂砾岩、细砾岩、泥岩、灰岩；奥陶系，白云岩、灰岩、含泥白云岩。

设计PDC钻头使用情况分析：

1.沙河街组，19齿、5刀翼钻头容易报废，且机速相比16齿没有优势；该段首推16齿设计；

2.石炭二叠-奥陶，可钻性变差，表现机速明显降低，钻头出井新度相对较高，可适当增强钻头攻击性，提升机械钻速。

三开钻头优化设计方案：

1.沙河街组-石炭二叠系：

①中等抛物线冠形，16齿、5刀翼设计，提升钻头攻击能力

②三个长刀翼设计，提升钻头工作的稳定性；

③单排设计设计，采用高性能PI异面齿，增强钻头攻击能力的同时，提升钻头抗崩、抗磨能力，有效提升钻头使用寿命；

④主动保径采用后排设计，提升钻头在含砂砾岩、玄武岩地层的工作稳定性，有效提升钻头穿夹层能力，增强单只钻头进尺指标。

⑤优化钻头各切削齿受力与做功，提升钻头使用寿命；

⑥优化钻头水力结构设计，提升钻头的水马力及对钻头的冷却、清洗及排屑能力，增强钻头使用寿命。

2.奥陶系：

①中等抛物线冠形，16齿、5刀翼设计，提升钻头攻击能力

②两个长刀翼设计，增强钻头攻击性；

③单排设计设计，采用高性能平面齿，增强钻头攻击能力的同时，提升钻头的吃入性及切削效率，有效提升机械钻速；

④主动保径采用后排设计，提升钻头在含砂砾岩、玄武岩地层的工作稳定性，有效提升钻头穿夹层能力，增强单只钻头进尺指标。

⑤优化钻头各切削齿受力与做功，提升钻头使用寿命；

⑥优化钻头水力结构设计，提升钻头的水马力及对钻头的冷却、清洗及排屑能力，增强钻头使用寿命。

优化设计后钻头使用效果分析：通过增强PDC钻头的抗研磨性，优化后最少2只钻头钻完三开进尺（节约7趟钻），平均机械钻速提高27.35%，整体提速效果明显。

（四）四开149.2mm钻头设计与推荐

使用层位：奥陶系；岩性：灰褐色灰岩、白云岩

设计钻头使用情况分析：

1.该段主要岩性为灰岩、白云岩，实钻看，地层可钻性相对较好，表现为机械钻较高，能达到接近9m的机械钻速；

2.该段PDC钻头使用指标尤其是机械钻速上明显高于牙轮钻头。该段适合采用PDC钻进

3.该段地层相对均质，PDC钻头出井新度较高，选择性能合适的复合片，能有效提升单只钻头进尺指标。

四开钻头优化设计方案：

①钻头采用中等抛物线冠形，13齿、5刀翼设计，提升钻头攻击能力

②优化水力参数设计（钻头水眼均可换）；

③后排齿设计，提升钻头抗崩、抗磨能力；

④优化钻头各切削齿受力与做功，提升钻头使用寿命；

⑤优化钻头水力结构设计，提升钻头的水马力及对钻头的冷却、清洗及排屑能力，增强钻头使用寿命。

优化设计后钻头使用情况分析：通过增强钻头的抗研磨性及攻击性，优化后均能1只钻头钻完四开进尺（最多节约2趟钻），首次在华北枯竭油气藏储气库实现四开一趟钻，平均机械钻速提高21.06%，整体提速效果明显。

三、总结

1.一开表层井段，PDC钻头采用技术服务形式，选用型号为DXS1965S双排齿6刀翼钻头，钻进苏4区块表层砂砾岩地层在保证钻头牙齿完整性的基础上提高了钻速；

2.二开井段，选择5刀翼19mm齿钻头。第一只采用双排加异形齿，保证一只钻头钻穿馆陶底砾岩；第二只钻头采用单排齿、优质复合片，在提高机速的基础上完成中完进尺；

3.三开井段，采用5刀翼16mm异形齿钻头。前两只钻头均采用双排齿钻头，第一只钻进沙河街中部砂砾岩控制钻井参数，保证钻穿该层位主砾岩层；第二只钻进至卡山井深起钻，简化钻具；第三只采用单刀翼钻头钻至中完井深。三开钻进应控制好泥浆性能，控制粘度不高于120秒，防止钻头泥包；

4.四开选用双排齿13mm复合片PDC钻头，一只钻头打完设计进尺。

参考文献：

[1]丁国生,谢萍.中国地下储气库现状与发展展望[J].天然气工业,2006,26(6):111-113.

[2]丁国生,王皆明.枯竭气藏改建储气库需要关注的几个关键问题[J].天然气工业,2011,31(5):87-89.

作者简介：刘超，男，1984年9月，2009年6月毕业于西南石油大学石油工程专业，2018年6月获得长江大学石油与天然气工程领域工程硕士学位，现任工程师。