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【摘要】新港1井是大港油田部署在黄骅凹陷新港潜山构造带的一口中石油重点风险探井，主要钻探目的是勘探评价深层潜山构造含油气情况。针对潜山油气埋藏深、岩石强度高、可钻性差，邻区实钻存在单只钻头进尺少、寿命短、机械钻速低等实际问题，建立了岩石可钻性剖面图，并对新港1井钻头进行了优选设计。通过现场试验，大幅度提高了深部地层的钻井速度，取得了显著的效果。
【关键词】岩心实验 测井曲线 PDC钻头 可钻性 超深井
1 引言
随着大港油田油气勘探的不断深入，勘探目标正在向深层油气藏发展。潜山油气藏埋藏较深，通常超过5000m，近年来陆续完成歧深8X1（5285m）、滨深2X1（5487m）、滨深3X1（5583m）等深井，普遍存在机械钻速慢，事故复杂时效高等问题，加上地层岩性复杂，地层温度高，可钻性差、研磨性强，国产牙轮钻头井下工作时间短，进尺少，行程钻速慢，严重制约着勘探开发的进程，如何提高深层潜山钻井速度是亟待解决的问题。
新港1井位于天津市滨海新区天津港东疆港区，是部署在黄骅凹陷新港潜山构造带的一口中石油重点风险探井，主要钻探目的是预探奥陶系峰峰组、上马家沟组的含油气性，以及了解新港潜山构造带地层层序、岩性以及生储盖层特征，是实现大港油田深层潜山勘探突破的重要领域，该井设计井深6335m，存在钻遇地层岩性复杂，含有玄武岩、砾岩、煤层等，深层沙河街内摩擦角超过40°，平均硬度高达1500MPa，研磨性强，可钻性差等难题。通过地层可钻性研究与钻头个性化设计，经过现场应用获得了满意的效果。
2 新港1井地层可钻性研究
2.1 地层可钻性综合值
钻井岩石力学特性是岩石在外力作用下从变形到破碎过程中所表现出来的力学性质，包括硬度、抗压强度、抗剪强度、可钻性、研磨性等，这些性质相互关联，岩石破碎则受它们的综合影响。
2.2 地层可钻性综合值的计算模型
利用室内岩心实验和邻井测井曲线，进行三个方面的研究工作：
（1）研究测井响应同地层一些物理参数的关系；
（2）研究岩石的这些物理参数和岩石力学的相关性；
（3）借助多元回归方法建立测井响应和岩石力学特性的预测模型，建立地层可钻性综合值。
2.2.1 测井响应与岩石变形、强度重要参数的关系
根据弹性波理论证明，对于均匀无限介质，纵波速度pV计算公式：
3 PDC钻头优选及个性化设计
3.1 PDC钻头优选设计方法
（1） 利用测井资料以及岩石力学参数的室内试验数据，建立各层的可钻性综合值模型，计算出各个层位的可钻性综合值。根据可钻性综合值大小选定级别高或同级别的PDC钻头。
（2）同时根据地层的抗压强度确定PDC切削块直径。根据实践经验，对于软到中硬地层，选用直径较大的PDC复合片，采用低密或中密布齿的钻头；对于中硬到坚硬地层，选用直径较小的PDC复合片，采用中密或高密布齿的钻头。
（3）由岩石内摩擦角确定地层研磨性。Sparr JR等研究表明，地层研磨性可以用岩石内摩擦角来度量。如果一层位岩石内摩擦角持续在40°以上，那么该层位对常规PDC钻头而言其研磨性太强，应选用天然金刚石钻头或特殊加工的PDC钻头钻进；如果岩石内摩擦角在36°～40°，则须结合实际岩性选用不同功能的PDC钻头；如果岩石内摩擦角在36°以下，则可选用普通的PDC钻头钻进。
（4）PDC钻头钻进井段较长，穿越的层位比较多，应按照预期钻遇强度最高的地层进行选型。
利用邻井测井资料进行数据回归，预测出新港1井的地层可钻性。见图1。地层硬度加强。随着垂深加大，地层压实性增强，且砂泥岩交错频繁，夹层增多。地层砂岩含量增大，内摩擦角达到40-42°，地层研磨性增强，地层的可钻性比较差。
5200m以下地层内摩擦角平均超过44°，根据经验，内摩擦角超过40°就被认为是研磨性很强。交错频繁的硬夹层和高研磨性砂岩成为钻井提速的挑战。
3.2 PDC钻头个性化设计
为了提高钻头在硬夹层以及高研磨性地层切削效率，通过对大港油田深层钻头磨损情况，从以下几个方面进行改进以个性化设计实现深层钻井的提速：
3.2.1 切削齿技术的改进
QuantecTM系列PDC钻头自2010年在大港油田试用之后，取得了良好的使用效果。通过对其磨损分析，认为如果该钻头切削齿耐磨性能够提高，该钻头还可以取得更长的单只进尺。故优化设计了Q型齿的加强版Quantec ForceTM。该钻头系列具有以下特点：
（1）金刚石层相对更薄，在钻压相同的情况下，对比更厚的金刚石层，其吃入地层所需的能量更小；
（2）金刚石层颗粒以及组分进行优化，抗研磨性能提升了15%；
（3）金刚石层与碳化钨基座的几何胶结形状进行优化，减少了由于金刚石层被冲击破坏而剥落的概率，提高了切削齿的抗冲击性。
3.2.2 钻头稳定性加强
通过加入贝克休斯专利的“D”技术，提高钻头在井底工作时的稳定性。同时，增加心部布齿密度减少切削齿暴露深度。
3.2.3 钻头攻击性设计
同样都是5刀翼，16m m双排齿的设计，但是Q506FX对比Q506X，其进尺提高了44%，机械钻速提高了26%，在地层更深，可钻性更差的前提下，改进型号的8.5 Q506FX在单只钻头进尺提高的前提下，实现了强攻击性设计以提高钻头机械钻速的目的。设计特点如下：
3.3 新港1井钻头优选步骤
（1）Q505X钻头在沙一段上部有较好的表现，但肩部齿布齿数量较少，导致肩部切削齿磨损较为严重，已经不适合在沙一段下部使用，需要增加外肩部切削齿的布齿密度。故增加刀翼数至6刀翼。
（2）Q506X钻头在沙三段机械钻速变慢，钻头起出后观察到钻头切削齿整体磨损，没有崩齿现象，心部切削齿完好，外肩部磨损偏严重。原因是由于沙三段地层研磨性强造成的。因此决定选择业内抗研磨性最强的Quantec Force切削齿。选用更耐磨的Quantec Force切削齿适当提高心部切削齿的暴露深度以提高钻头机械钻速
（3）Q506FX钻头改进后使用效果良好，对比Q506X在深度增加的情况下，进尺提高了44%，机械钻速提高了26%，达到了提高机械钻速和进尺的目的，且整体磨损情况好于Q506X，但是该钻头心部和外肩部出现局部崩齿，需要进一步提高钻头的稳定性。通过增加心部布齿密度，增加钻头稳定性，减少肩部崩齿现象。
（4）HCD507ZX钻头在中生界5000m以下地层取得了单只进尺最长的纪录，钻头整体磨损轻微，稳定性好。
4 现场应用效果
井深超过5000m，共使用了4只贝克钻头，平均进尺162m，平均机械钻速1.14m/ h，为相近井深其它钻头平均机械钻速0.77m/ h的1.5倍（表3）。
5 结论
（1）根据地层可钻性综合值作为优选PDC钻头类型的主要标准，结合抗压强度和岩石内摩擦角对PDC钻头进行优选。经现场试验证明，该方法简单易行，应用效果良
（2）在分析新港1地层可钻性、岩石特性等参数的试验研究基础上，进行了PDC钻头的适应性研究，优选了PDC钻头的类型、适应的地层。
（3）通过PDC钻头切削齿技术的改进、钻头稳定性加强、钻头布齿技术和独特后倾角设计和钻头攻击性设计等多方面个性化设计计实现深层钻井的提速。
（4）通过PDC钻头的试验研究，井深超过5000m，共使用了4只贝克钻头，平均进尺162m，平均机械钻速1.14m/h，为相近井深其它钻头平均机械钻速0.77m/h的1.5倍，取得了显著的经济效益。
参考文献
[1] 欧阳勇.苏里格气田钻头的优选与应用[J].钻采工艺，2008，31（2）：13-15
[2] 马开华.深井超深井钻井新技术研究与应用[M].北京：中国石化出版社，2005.10
【关键词】岩心实验 测井曲线 PDC钻头 可钻性 超深井
1 引言
随着大港油田油气勘探的不断深入，勘探目标正在向深层油气藏发展。潜山油气藏埋藏较深，通常超过5000m，近年来陆续完成歧深8X1（5285m）、滨深2X1（5487m）、滨深3X1（5583m）等深井，普遍存在机械钻速慢，事故复杂时效高等问题，加上地层岩性复杂，地层温度高，可钻性差、研磨性强，国产牙轮钻头井下工作时间短，进尺少，行程钻速慢，严重制约着勘探开发的进程，如何提高深层潜山钻井速度是亟待解决的问题。
新港1井位于天津市滨海新区天津港东疆港区，是部署在黄骅凹陷新港潜山构造带的一口中石油重点风险探井，主要钻探目的是预探奥陶系峰峰组、上马家沟组的含油气性，以及了解新港潜山构造带地层层序、岩性以及生储盖层特征，是实现大港油田深层潜山勘探突破的重要领域，该井设计井深6335m，存在钻遇地层岩性复杂，含有玄武岩、砾岩、煤层等，深层沙河街内摩擦角超过40°，平均硬度高达1500MPa，研磨性强，可钻性差等难题。通过地层可钻性研究与钻头个性化设计，经过现场应用获得了满意的效果。
2 新港1井地层可钻性研究
2.1 地层可钻性综合值
钻井岩石力学特性是岩石在外力作用下从变形到破碎过程中所表现出来的力学性质，包括硬度、抗压强度、抗剪强度、可钻性、研磨性等，这些性质相互关联，岩石破碎则受它们的综合影响。
2.2 地层可钻性综合值的计算模型
利用室内岩心实验和邻井测井曲线，进行三个方面的研究工作：
（1）研究测井响应同地层一些物理参数的关系；
（2）研究岩石的这些物理参数和岩石力学的相关性；
（3）借助多元回归方法建立测井响应和岩石力学特性的预测模型，建立地层可钻性综合值。
2.2.1 测井响应与岩石变形、强度重要参数的关系
根据弹性波理论证明，对于均匀无限介质，纵波速度pV计算公式：
3 PDC钻头优选及个性化设计
3.1 PDC钻头优选设计方法
（1） 利用测井资料以及岩石力学参数的室内试验数据，建立各层的可钻性综合值模型，计算出各个层位的可钻性综合值。根据可钻性综合值大小选定级别高或同级别的PDC钻头。
（2）同时根据地层的抗压强度确定PDC切削块直径。根据实践经验，对于软到中硬地层，选用直径较大的PDC复合片，采用低密或中密布齿的钻头；对于中硬到坚硬地层，选用直径较小的PDC复合片，采用中密或高密布齿的钻头。
（3）由岩石内摩擦角确定地层研磨性。Sparr JR等研究表明，地层研磨性可以用岩石内摩擦角来度量。如果一层位岩石内摩擦角持续在40°以上，那么该层位对常规PDC钻头而言其研磨性太强，应选用天然金刚石钻头或特殊加工的PDC钻头钻进；如果岩石内摩擦角在36°～40°，则须结合实际岩性选用不同功能的PDC钻头；如果岩石内摩擦角在36°以下，则可选用普通的PDC钻头钻进。
（4）PDC钻头钻进井段较长，穿越的层位比较多，应按照预期钻遇强度最高的地层进行选型。
利用邻井测井资料进行数据回归，预测出新港1井的地层可钻性。见图1。地层硬度加强。随着垂深加大，地层压实性增强，且砂泥岩交错频繁，夹层增多。地层砂岩含量增大，内摩擦角达到40-42°，地层研磨性增强，地层的可钻性比较差。
5200m以下地层内摩擦角平均超过44°，根据经验，内摩擦角超过40°就被认为是研磨性很强。交错频繁的硬夹层和高研磨性砂岩成为钻井提速的挑战。
3.2 PDC钻头个性化设计
为了提高钻头在硬夹层以及高研磨性地层切削效率，通过对大港油田深层钻头磨损情况，从以下几个方面进行改进以个性化设计实现深层钻井的提速：
3.2.1 切削齿技术的改进
QuantecTM系列PDC钻头自2010年在大港油田试用之后，取得了良好的使用效果。通过对其磨损分析，认为如果该钻头切削齿耐磨性能够提高，该钻头还可以取得更长的单只进尺。故优化设计了Q型齿的加强版Quantec ForceTM。该钻头系列具有以下特点：
（1）金刚石层相对更薄，在钻压相同的情况下，对比更厚的金刚石层，其吃入地层所需的能量更小；
（2）金刚石层颗粒以及组分进行优化，抗研磨性能提升了15%；
（3）金刚石层与碳化钨基座的几何胶结形状进行优化，减少了由于金刚石层被冲击破坏而剥落的概率，提高了切削齿的抗冲击性。
3.2.2 钻头稳定性加强
通过加入贝克休斯专利的“D”技术，提高钻头在井底工作时的稳定性。同时，增加心部布齿密度减少切削齿暴露深度。
3.2.3 钻头攻击性设计
同样都是5刀翼，16m m双排齿的设计，但是Q506FX对比Q506X，其进尺提高了44%，机械钻速提高了26%，在地层更深，可钻性更差的前提下，改进型号的8.5 Q506FX在单只钻头进尺提高的前提下，实现了强攻击性设计以提高钻头机械钻速的目的。设计特点如下：
3.3 新港1井钻头优选步骤
（1）Q505X钻头在沙一段上部有较好的表现，但肩部齿布齿数量较少，导致肩部切削齿磨损较为严重，已经不适合在沙一段下部使用，需要增加外肩部切削齿的布齿密度。故增加刀翼数至6刀翼。
（2）Q506X钻头在沙三段机械钻速变慢，钻头起出后观察到钻头切削齿整体磨损，没有崩齿现象，心部切削齿完好，外肩部磨损偏严重。原因是由于沙三段地层研磨性强造成的。因此决定选择业内抗研磨性最强的Quantec Force切削齿。选用更耐磨的Quantec Force切削齿适当提高心部切削齿的暴露深度以提高钻头机械钻速
（3）Q506FX钻头改进后使用效果良好，对比Q506X在深度增加的情况下，进尺提高了44%，机械钻速提高了26%，达到了提高机械钻速和进尺的目的，且整体磨损情况好于Q506X，但是该钻头心部和外肩部出现局部崩齿，需要进一步提高钻头的稳定性。通过增加心部布齿密度，增加钻头稳定性，减少肩部崩齿现象。
（4）HCD507ZX钻头在中生界5000m以下地层取得了单只进尺最长的纪录，钻头整体磨损轻微，稳定性好。
4 现场应用效果
井深超过5000m，共使用了4只贝克钻头，平均进尺162m，平均机械钻速1.14m/ h，为相近井深其它钻头平均机械钻速0.77m/ h的1.5倍（表3）。
5 结论
（1）根据地层可钻性综合值作为优选PDC钻头类型的主要标准，结合抗压强度和岩石内摩擦角对PDC钻头进行优选。经现场试验证明，该方法简单易行，应用效果良
（2）在分析新港1地层可钻性、岩石特性等参数的试验研究基础上，进行了PDC钻头的适应性研究，优选了PDC钻头的类型、适应的地层。
（3）通过PDC钻头切削齿技术的改进、钻头稳定性加强、钻头布齿技术和独特后倾角设计和钻头攻击性设计等多方面个性化设计计实现深层钻井的提速。
（4）通过PDC钻头的试验研究，井深超过5000m，共使用了4只贝克钻头，平均进尺162m，平均机械钻速1.14m/h，为相近井深其它钻头平均机械钻速0.77m/h的1.5倍，取得了显著的经济效益。
参考文献
[1] 欧阳勇.苏里格气田钻头的优选与应用[J].钻采工艺，2008，31（2）：13-15
[2] 马开华.深井超深井钻井新技术研究与应用[M].北京：中国石化出版社，2005.10