泥頁巖地層繩索取心鉆進(jìn)鉆頭應(yīng)用及優(yōu)化設(shè)計研究

胡晨，閆家，張恒春，曹龍龍，王穩(wěn)石，王志剛

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京100083；3.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000）

0 引言

隨著油氣資源的大量消耗，頁巖氣的開發(fā)利用顯得尤為重要。頁巖氣作為一種主要以吸附和游離狀態(tài)存在的非常規(guī)天然氣賦存于有機(jī)質(zhì)泥頁巖及其夾層中［1-2］。我國南方地區(qū)有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育區(qū)域較大，頁巖油氣資源分布廣泛［3-7］。21世紀(jì)初至今，我國頁巖氣工業(yè)取得了長足發(fā)展，并將其作為一個長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略目標(biāo)［7-10］。本文依托長江中下游地區(qū)下?lián)P子地區(qū)頁巖氣調(diào)查井工程展開分析研究。該地質(zhì)調(diào)查井部署在下?lián)P子陸塊，屬沿江褶斷帶區(qū)域，實施意在為下?lián)P子頁巖氣勘探提供新的戰(zhàn)略區(qū)塊方向，同時為整個下?lián)P子地區(qū)的頁巖油氣勘探開發(fā)提供地質(zhì)和工程方面的參數(shù)，并為后期頁巖氣鉆探工程提供必要的經(jīng)驗和借鑒。

該頁巖氣井的實施基于繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)，現(xiàn)場不同井段的巖性分布不均勻且差異性較大，鉆遇地層主要巖性依次為粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、礫巖、白云質(zhì)灰?guī)r，巖石可鉆性以4～7級為主。在二開望虎墩組和赤山組鉆進(jìn)時鉆遇長段主要巖性為泥巖和泥質(zhì)粉砂巖地層。泥巖易水敏，為典型化學(xué)不穩(wěn)定地層，且由于繩索取心鉆具壁厚較大，加之砂、泥巖較為致密，研磨性較弱，鉆進(jìn)時最突出的問題是，泥巖巖屑容易水化膨脹粘吸在鉆具表面，金剛石鉆頭出刃困難，鉆頭泥包的形成概率大幅增加，現(xiàn)場鉆頭泥包現(xiàn)象嚴(yán)重，較大程度制約了機(jī)械鉆速；在二開與三開過渡地層階段，在赤山組和南陵湖組鉆遇灰?guī)r、少量泥灰?guī)r與礫巖夾層，地層較為致密且硬度大、互層多，現(xiàn)場應(yīng)用PDC鉆頭鉆進(jìn)時易打滑，鉆遇互層時發(fā)生崩齒，鉆進(jìn)效率低。

針對施工過程中的鉆頭泥包和PDC鉆頭崩齒的難題，詳細(xì)分析了鉆頭泥包的形成機(jī)制及在軟硬互層中復(fù)合片崩齒的原因，對比分析了鉆井工藝參數(shù)、鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計等對鉆頭性能的影響，對工藝參數(shù)和鉆頭結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)措施，后期應(yīng)用效果明顯提升。本實踐為今后在頁巖氣鉆井過程中鉆頭的防泥包設(shè)計和合理的PDC鉆頭優(yōu)選提供了有效方案。

1 鉆頭的選擇和應(yīng)用情況

孕鑲金剛石鉆頭屬于需要不斷“自銳”的鉆頭，只有在與之相適應(yīng)的地層環(huán)境中才能保持“恒鉆速”。切削齒為尖齒的金剛石鉆頭具有良好的穩(wěn)定性且有利于防斜［11］，因此，該頁巖氣井根據(jù)地質(zhì)設(shè)計和巖性特征，選用了齒輪型尖齒、同心尖齒（熱壓）金剛石鉆頭及PDC鉆頭，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場使用鉆頭類型Fig.1 Types of drill bits used in the field

二開鉆進(jìn)地層為望虎墩組和赤山組，鉆遇地層主要以泥巖和粉砂質(zhì)泥巖及其互層地層，巖石礦物成分以粘土礦物為主，其次是石英粉砂，經(jīng)顯微鏡觀察，含少量雛晶黑云母絹云母、綠泥石和鐵質(zhì)，粘土礦物70%左右，結(jié)晶較為細(xì)小，具隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)。石英粉砂15%左右，呈棱角狀、次棱角狀，分選較好。粉砂粒徑0.02 mm左右，屬于較細(xì)細(xì)粉砂級。后續(xù)實驗表明，該類巖石遇水易碎裂，屬于不穩(wěn)定地層，上部地層泥質(zhì)含量較高［12］。泥巖粘附性的大小與粘土礦物的含量緊密相關(guān)，粘附性或粘附能力隨顆粒尺寸的減小而增大，比表面積越大，則表面能越大，粘附作用越大。從表1可以看出：當(dāng)鉆井液含水量一定時，粘土礦物中蒙脫石粘附性最大，伊利石次之，高嶺土相對較??；而與細(xì)砂粒和膠粒比較，粘土礦物的比表面積更大。因此，在鉆井液循環(huán)過程中，泥巖中粘土礦物成分導(dǎo)致地層造漿率高，尖齒金剛石鉆頭泥包現(xiàn)象嚴(yán)重。同時由于地層造漿增加鉆井液粘度和固相含量，一定程度上會引起鉆桿內(nèi)壁結(jié)泥皮而影響取心鉆具巖心管打撈，加之地層研磨性弱，孕鑲金剛石鉆頭出刃困難，繩索取心鉆進(jìn)速度較慢，平均鉆進(jìn)速度＜1 m/h。

表1 幾種顆粒和泥巖粘土礦物的比表面積對比Table 1 Comparison of specific surface area of several particles and clay minerals

在二開與三開過渡地層中，鉆遇致密泥巖、含砂泥巖及少量泥灰?guī)r與礫巖夾層。且后期泥巖在一定的溫度、壓力條件下，水化膨脹導(dǎo)致膠結(jié)更加致密，深部彈塑性泥巖上覆地層壓力大，巖性致密，地層固結(jié)好，與砂巖頻繁互層?，F(xiàn)場應(yīng)用PDC鉆頭在致密泥巖中易打滑，鉆遇砂巖與礫巖硬夾層時又因軟硬不均，易造成憋鉆，一些鉆頭表現(xiàn)為部分復(fù)合片崩齒、磨損，導(dǎo)致早期失效，未損壞的復(fù)合片磨損較小，但整體依舊進(jìn)尺緩慢，鉆進(jìn)效率低。

2 鉆頭應(yīng)用效果分析

頁巖氣井主要面向泥質(zhì)含量較高的泥頁巖地層，軟硬互層較為明顯，均質(zhì)性較差。針對本工程中經(jīng)常出現(xiàn)的鉆頭泥包現(xiàn)象和復(fù)合片崩齒問題展開分析研究，采取相關(guān)應(yīng)對措施和優(yōu)化改進(jìn)，有利于提高鉆進(jìn)效率、提升經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 取心鉆頭泥包分析

頁巖氣作為一種非常規(guī)天然氣儲存于頁巖之中，該類型地層泥頁巖成分含量較高。取心鉆進(jìn)時，因泥巖巖屑容易水化膨脹粘吸在鉆具表面，取心鉆頭泥包現(xiàn)象是大概率事件。該井在望虎墩組和赤山組475.11～842.34 m鉆遇長段泥質(zhì)含量較高的泥巖類地層，現(xiàn)場具體表現(xiàn)為尖齒金剛石鉆頭泥包現(xiàn)象嚴(yán)重，個別切削齒產(chǎn)生非正常磨損情況，如圖2所示。從而導(dǎo)致機(jī)械鉆速變慢，平均鉆速從2 m/h下降到0.6 m/h。轉(zhuǎn)速一定的情況下將鉆壓適量增大，鉆速提升到0.83 m/h左右，無明顯提高。因此得出結(jié)論，當(dāng)鉆頭產(chǎn)生泥包現(xiàn)象時，其特征及影響主要為：鉆速明顯變慢，碎巖效率低，回轉(zhuǎn)阻力增大，適量增大鉆壓對鉆速無明顯影響；泥包時切削齒產(chǎn)生高溫下的非正常磨損，鉆頭壽命降低；在起下鉆過程中，鉆頭泥包也可能引起抽吸或壓力激動，造成井下壓裂漏失［13］。

圖2 現(xiàn)場鉆頭泥包及磨損現(xiàn)象Fig.2 Drill bit balling and wear phenomenon

石油和天然氣鉆井以全面鉆進(jìn)工藝為主，因其鉆進(jìn)泵量大、水馬力大、鉆井液性能參數(shù)可調(diào)整余地廣及井底排渣及時等優(yōu)勢技術(shù)條件，已基本形成較為成熟的泥包問題解決方案。而取心鉆進(jìn)針對泥巖地層問題更為突出［13-17］，主要原因如下：

（1）孕鑲金剛石取心鉆頭出刃較小，容易產(chǎn)生泥包現(xiàn)象，鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)進(jìn)尺緩慢甚至無進(jìn)尺，導(dǎo)致泵壓增大；

（2）地質(zhì)取心鉆進(jìn)中鉆具組合與井壁環(huán)狀間隙較小，泵量相對較小，排屑能力有限，水功率小，泥包粘附的可能性增加；

（3）取心鉆頭很難通過結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計明顯改善水力沖刷效果。

2.2 PDC取心鉆頭崩齒問題

沉積巖地層軟硬互層較為突出，鉆遇地層中夾雜一定的軟硬互層，鉆進(jìn)時易造成憋鉆和跳鉆，PDC鉆頭出現(xiàn)異常磨損、掉齒、斷齒現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆頭早期損壞，甚至使切削具失效［13］。該井在赤山組和南陵湖組段鉆遇致密泥巖、含砂泥巖及少量泥灰?guī)r與礫巖夾層，巖性較為致密并存在軟硬互層，PDC鉆頭在鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生崩齒現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 復(fù)合片崩齒損壞Fig.3 PDC broken tooth

產(chǎn)生崩齒的原因可能有如下幾點：

（1）復(fù)合片切削巖石受力不均。鉆遇致密巖層或硬夾層時，復(fù)合片在切削過程中受力不均勻，產(chǎn)生的瞬間載荷過高，使得局部切削齒發(fā)生崩齒。

（2）由于復(fù)合片制作工藝不佳而脫落。復(fù)合片與剛體焊接不牢固，當(dāng)遇到復(fù)雜地層，且受到的載荷較大，很容易出現(xiàn)復(fù)合片脫落的現(xiàn)象。加之鉆頭本身冠部設(shè)計和制造與巖層巖性適應(yīng)性較差，造成脫落。

（3）金剛石層脫落。焊接PDC時工藝不當(dāng)引起金剛石層過燒損傷，或者鉆頭水力結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、鉆井液量不夠，導(dǎo)致鉆井液不能良好地沖洗和冷卻鉆頭唇面，致使金剛石層在鉆進(jìn)過程中溫度過高，出現(xiàn)微裂紋，在外力作用下最終致使金剛石層脫落。

（4）由于地質(zhì)取心工藝本身的泵量較小，排屑能力有限，鉆進(jìn)過程中沖洗液量和流動性較小，導(dǎo)致鉆進(jìn)時破碎的巖屑不能被及時有效地清除，而由粒度＜0.0039 mm粘性礦物顆粒構(gòu)成的泥巖在鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的巖粉具有較強(qiáng)的吸附能力，泥包復(fù)合片造成散熱性能差，導(dǎo)致熱損傷或脫落。

3 鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化及鉆進(jìn)工藝

針對非致密泥頁巖地層的取心鉆進(jìn)，PDC鉆頭切削齒具有更大的切削面，相對于金剛石鉆頭在泥巖中鉆進(jìn)具有更好的出刃效果，采用PDC鉆頭具有較好的鉆效優(yōu)勢，是優(yōu)選的鉆頭類型。但針對軟硬互層和致密地層，PDC鉆頭復(fù)合片易崩齒，宜利用金剛石鉆頭的磨削工作特性進(jìn)行破巖，并適量增大轉(zhuǎn)速，此時金剛石鉆頭具有較高的鉆進(jìn)效率和較好的應(yīng)用效果。但兩者的防泥包設(shè)計都非常關(guān)鍵。

3.1 鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對于尖齒熱壓類型的孕鑲金剛石鉆頭，可以鉆頭唇面為重點進(jìn)行優(yōu)化。

（1）提高鉆頭剛體表面水口處的光潔度，可利用精密數(shù)控銑床或車床，加工時將轉(zhuǎn)速提高，進(jìn)給速度適量變慢，可以較有效地提高表面光潔度；或利用酸堿法浸漬也可達(dá)到較好的效果。

（2）適當(dāng)增大水口過流面積，有利于減小泥巖巖屑粘附系數(shù)，可相應(yīng)減少巖屑的聚集。

（3）孕鑲金剛石鉆頭表面鎳銅含量高，其唇面的正電性與水基鉆井液中巖屑中的負(fù)電荷存在的靜電引力作用，易致發(fā)生粘附?？蓪@頭表面進(jìn)行氮化改性或使用涂層使鉆頭表面電性發(fā)生變化或被屏蔽，從而起到防止泥包的效果。

（4）在切削齒設(shè)計上適當(dāng)降低胎體硬度以方便金剛石更好地出刃，并在胎體工作層中采用粒度較小的金剛石以保證鉆頭有更好的刻取巖石能力，在合理的鉆進(jìn)參數(shù)下維持較高的鉆速，保證鉆進(jìn)效率。現(xiàn)場將金剛石鉆頭胎體硬度由之前的HRC30～35降為HRC28～32，金剛石粒度由60～80目變?yōu)?0～40目。下鉆前人工將鉆頭表面進(jìn)行預(yù)出刃。改進(jìn)后的金剛石鉆頭如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的金剛石鉆頭Fig.4 Diamond drill bit with the optimized structure

（5）孕鑲金剛石鉆頭工作層的人造金剛石在壓人巖石鉆進(jìn)過程中，一般是以磨削為主，完全局部體積破碎概率較低，所以也可考慮添加低于臨界濃度的大顆粒，提前出刃，以局部體積破碎方式碎巖，之后小顆粒以刻劃和磨削方式碎巖，提高綜合鉆進(jìn)效率。因此，也可以采用大顆粒和小顆粒的混鑲金剛石鉆頭，即在表面表鑲大顆粒人造金剛石［12-13］。

PDC鉆頭有著比金剛石鉆頭更好的出刃效果和鉆效優(yōu)勢，鉆進(jìn)速度的提升及切削齒的吃深加大導(dǎo)致井底巖屑多，大量具有粘附性的巖屑也增加了泥包的風(fēng)險。通過優(yōu)化PDC鉆頭結(jié)構(gòu)是預(yù)防泥包的有效手段之一。如在有限排量下，鉆頭唇面采用高、低齒設(shè)計、低密度齒的布齒設(shè)計能較明顯減少泥包現(xiàn)象；三疊系泥巖的礦物顆粒細(xì)小，含有石英成分且致密，產(chǎn)生崩齒的宏觀因素在于復(fù)合片受到熱侵蝕后，其金剛石層中的金剛石受到碳化和氧化產(chǎn)生微裂紋，因此應(yīng)采用具有高耐磨性、高沖擊韌性，高熱穩(wěn)定性的復(fù)合片，適當(dāng)增強(qiáng)復(fù)合片胎體的抗沖擊韌性和抗彎強(qiáng)度；修改復(fù)合片的齒形結(jié)構(gòu)，如流線型設(shè)計，并進(jìn)行拋光或渾圓化處理，使表面呈“鏡面”狀態(tài)，防止巖粉墊的形成，從而有利于提高機(jī)械鉆速；應(yīng)在合理的前提下采用較寬而深的內(nèi)外水槽，為及時排除巖粉、有效冷卻復(fù)合片提供保障［18］?，F(xiàn)場在非致密性泥巖地層中應(yīng)用改進(jìn)后的PDC鉆頭，鉆速達(dá)到1.5 m/h。優(yōu)化后的PDC鉆頭如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的PDC鉆頭Fig.5 Optimized PDC bit

3.2 鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)優(yōu)化調(diào)整

鉆壓的大小對鉆頭與巖屑間的接觸應(yīng)力影響最大。在鉆壓和回轉(zhuǎn)力共同作用下，巖屑不斷地生成并在井底堆積，如不能及時分離，巖屑不斷被壓實，與鉆頭唇面部分接觸越緊密，容易產(chǎn)生巖屑滯留形成泥包。即鉆壓帶來的正壓力與鉆具在井底摩擦力的增長成正比。

對于小口徑地質(zhì)取心鉆探，取心過程中鉆具與井壁的環(huán)狀間隙較小，因此泵量均比較?。?9］，如該頁巖氣井二開?124 mm鉆孔排量120 L/min，三開?96.5 mm鉆孔的排量一般在75～100 L/min之間，后期將排量調(diào)整為95 L/min，配合優(yōu)化后的鉆頭，取得較好的沖刷效果。若無足夠的排量，在水口形成不了較高的流速，不能迅速沖刷鉆屑，增大了泥包的可能性。在以有限環(huán)空上返速度的基礎(chǔ)上，優(yōu)化鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)是解決該矛盾的關(guān)鍵，鉆進(jìn)工藝措施有［20］：

（1）在泥巖中鉆進(jìn)時，應(yīng)合理控制鉆壓大小，盡量采用低鉆壓、大排量，均勻精確送鉆的原則［21］。

（2）起鉆前保持鉆井液的充分循環(huán)，防止巖屑在井內(nèi)堆積；下鉆時，控制下鉆速度，增加短循環(huán)次數(shù)，必要時在鉆頭和水道表面適量涂抹油脂。

（3）采用PDC鉆頭時，加大排量充分清洗井底和鉆頭。鉆進(jìn)時滿足從低鉆壓均勻加大到定量壓力的原則，定量壓力制定以不泥包為原則，此時鉆速最佳［13］。

3.3 鉆井液性能調(diào)整

鉆井液影響鉆頭泥包的要素主要包括：抑制性、濾失性、潤滑性以及固相含量。針對泥巖類型水敏性地層具有易水化膨脹、粘附性較強(qiáng)的特點，現(xiàn)場鉆井液重點從抑制性、濾失性、流變性方面進(jìn)行調(diào)整。鉆井液在需要有較好的護(hù)壁能力及抑制水敏膨脹的作用的同時，也要具有較好的潤滑和減阻作用。

該井在施工過程中使用的鉆井液主要以低固相聚丙烯酰胺為主，依據(jù)地層巖性變化規(guī)律合理調(diào)控鉆井液配方。二開至三開以泥巖為主的地層鉆井液基本配方為：清水+3%～4%膨潤土+0.1%～0.2%燒堿+0.1%～0.2%純堿+0.1%～0.3%聚丙烯酸鉀+1%～3%聚合醇防塌劑。性能參數(shù)見表2。

表2 優(yōu)化前后鉆井液性能參數(shù)Table 2 Optimized drilling fluid properties

在鉆進(jìn)過程中，現(xiàn)場加入了聚丙烯酸鉀KPAM，其鉀鹽中含有的鉀離子能夠很好地抑制巖層，防塌；聚丙烯酰胺利用其多點吸附作用和包被作用，能有效抑制泥巖的水化分散，降低劣質(zhì)固相含量以改變鉆井液的流變性，達(dá)到減少鉆頭泥包的目的，加入添加劑后的鉆井液性能參數(shù)見表2。K+離子對粘土質(zhì)地層有抑制作用，基本原理是K+（其離子半徑為2.66?）具有較弱的水化能力，與粘土六方晶格的尺寸剛好相符，因此易嵌入粘土的六方晶格而使粘土不易水化膨脹和分散，從而使孔壁保持穩(wěn)定［21］。

繩索取心鉆進(jìn)過程中若大量的巖屑不能及時排出，就會造成巖屑在孔底聚集沉淀，打撈巖心過程中（停泵）鉆井液從鉆桿中心反流。實踐表明，鉆井液的切力調(diào)整至表2中的指標(biāo)時，具有較好的攜帶和懸浮巖屑的能力。另外，在泥巖地層鉆進(jìn)中，可再加入適量的油類、表面活性劑，能明顯減小鉆井液的摩阻系數(shù)。

4 結(jié)論

（1）頁巖氣井鉆遇地層主要以泥巖地層、軟硬互層地層為主，在鉆進(jìn)過程中，鉆頭泥包現(xiàn)象尤為突出。在選擇鉆頭時，PDC鉆頭相對于金剛石鉆頭在泥巖中鉆進(jìn)出刃效果更好，鉆效優(yōu)勢更佳，是優(yōu)選的鉆頭類型。但針對軟硬互層和致密地層，PDC鉆頭復(fù)合片易崩齒，宜采用孕鑲金剛石鉆頭。

（2）鉆頭的防泥包設(shè)計和抗沖擊破壞設(shè)計可以從鉆頭唇面結(jié)構(gòu)、鉆頭水路、鉆頭材料與表面狀態(tài)等多因素考慮，如水口的光潔度及水槽尺寸、鉆頭性能配方。在現(xiàn)場鉆井過程中，還需要與合理的鉆井工藝參數(shù)以及鉆井液性能的合理調(diào)控相配合才能最大程度解決問題。

（3）在泥頁巖地層中若用孕鑲金剛石鉆頭破巖，可從胎體配方入手將金剛石粒度與胎體硬度進(jìn)行優(yōu)化效果更佳，也可在工作層表面表鑲一層人造金剛石增加鋒利程度。

（4）與石油和天然氣鉆井的強(qiáng)規(guī)程相比，繩索取心鉆進(jìn)泥巖更易產(chǎn)生泥包，問題更加難以解決。依托長江中下游地區(qū)某頁巖氣調(diào)查井工程，對金剛石鉆頭和PDC鉆頭的系列問題進(jìn)行分析、改進(jìn)，和現(xiàn)場再次的應(yīng)用對比表明：鉆頭唇面結(jié)構(gòu)、切削齒結(jié)構(gòu)以及鉆進(jìn)工藝優(yōu)化可以提高鉆進(jìn)效率，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。