重慶地區頁巖氣地質資源潛力達13.7×10 12 m 3 ，是 國 內 頁 巖 氣 最 富集 的 地 區 之 一。 榮昌 - 永川區塊主體位于重慶市榮昌縣、永川區和大足區，礦權面積215km 2 ，總資源量 2571×10 8 m 3 。2016 年 1 月 永 川 第 一 口 頁 巖氣 井 Y1HF 井 測 試 獲 無 阻 流 量23.5×10 4 m 3 /d，揭開了永川頁巖氣勘探開發的序幕。該區塊埋深超過3,500m 的區域占 80%，屬于深層頁巖氣，面臨地層古老、地層巖性復雜多變、可鉆性差等多個難點。應用鉆頭設計理論確定鉆頭的關鍵技術特征，優選適合本區塊地層特點的鉆頭型號，在現場應用取得了一定的提速效果，為永川深層頁巖氣井鉆頭的合理選型提供了借鑒。
 
永川區塊工程地質概況及鉆井難點
 
永 川 區 塊 包 含 石 盤 鋪 向 斜 和新店子背斜構造，均屬于四川盆地川南低褶帶，構造變形適中，工區西 北、 東 南 部 斷 層 不 發 育， 保 存條 件 較 好。 頁 巖 氣 主 力 儲 層 為 志留 系 龍 馬 溪 組 優 質 頁 巖， 厚 度 在30~48m，上部以厚層灰黑色灰質泥巖為主；中部以灰色 - 深灰色泥巖為主；下部以深灰色 - 黑色碳質泥巖為主。該構造自上而下鉆遇地層為侏羅系、三疊系、二疊系、志留系和奧陶系，預測地層壓力系數1.2 ↑ 1.5 ↑ 1.6 ↑↓ 1.5 ↑ 1.7，基本呈隨井深增加而逐漸增大的趨勢。
 
根據區域工程地質條件，結合前期完鉆井實鉆情況，分析鉆頭選型和使用存在的主要難點如下：侏羅系地層厚度大，巖性以泥巖、砂巖為主，若鉆頭選型不合理，易發生鉆頭泥包，嚴重影響機械鉆速；自流井組珍珠沖段和須家河組二段石英砂巖含量較高、 且地層傾角大，易井斜，憋跳鉆嚴重，PDC 鉆頭易過早損壞。 Y1井選用國產PDC鉆頭，鉆至須家河組二段憋跳極為嚴重，鉆速突然變慢，起鉆發現鉆頭徹底報廢，進尺 244.62m，平均機械鉆速 2.12m/h；龍潭組地層鋁土質泥巖硬度高、可鉆性差，平均機械鉆速較低，Y1 井該段使用 PDC 鉆頭鉆速 0.27m/h，換牙輪鉆頭后鉆速達到 1.26m/h。
 
完鉆井鉆頭使用分析
 
目前永川區塊完鉆 Y1 井、Y2井和 Y3-1 井共計 3 口井，對完鉆井的鉆頭使用情況和效果進行分析，找出存在的問題，確定鉆頭選型的攻關方向。分地層鉆速對比。永川區塊開孔層位為上沙溪廟組，完鉆層位龍馬溪組，自上而下鉆遇 16 套地層，其中自流井組、須家河組以及龍潭 -梁山組地層可鉆性差，平均機械鉆速 分 別 為 2.05m/h 和 2.33m/h，該類地層厚度約 1,220m，占全井30%，純鉆時間占到全井的 45%，是制約鉆井提速的瓶頸井段。各開次鉆速及鉆頭應用情況。
 
一開鉆遇上、下沙溪廟組和新田溝組地層，以 PDC 鉆頭為主，使用數量占 70%，單只進尺比牙輪鉆頭長3.8 倍，平均鉆速提高 3.5 倍。使用鉆頭型號 6 種，部分型號對地層的適應性不強，如 Y2 井使用 E1625鉆頭，在涼高山組、自流井組鉆時較為均勻，后期鉆時變慢，起鉆后發現鉆頭泥包，主切削齒報廢，磨至胎體，見圖 3 所示。二開鉆遇陸相自流井組和須家河組地層及海相嘉陵江組 ~ 石牛欄組地層，其中陸相地層可鉆性差，先后嘗試 7 種型號鉆頭，現場應用效果參差不齊，最短進尺僅 66m，永頁 3-1 井嘗試進口混合鉆頭，進尺達到 482.99m，增加 1 倍以上；海相地層整體可鉆性優于陸相地層，使用 8 種 12 只鉆頭，其中 PDC 鉆頭 10 只， 最 短 進 尺 137.62m， 平均進尺 521.3m。
 
三開主要鉆遇龍馬溪組、五峰組地層，側鉆井段一般使用牙輪鉆頭，利于控制方位定向鉆進，造斜段及水平段使用旋轉導向配合 PDC鉆頭，增加單趟進尺，減少起下鉆次 數。 完 鉆 3 口 井， 三 開 井 段 使用 9 種 17 只鉆頭，平均單只進尺462.38m，最短進尺 166.33m。
 
Y1井在水平段使用 6 刀翼雙排齒 PDC鉆頭鉆進，進入五峰組地層后，由于地層鈣質含量較高，而且鉆頭攻擊性不足， 導致鉆速受到一定影響。對完鉆井鉆頭的使用情況統計表明，前期完鉆井使用鉆頭型號多而雜。鉆遇地層多、巖性復雜、可參考資料少，導致鉆頭選型具有較大的盲目性和不確定性，型號選擇百花齊放，如三口井的二開井段累計使用 19 只鉆頭，型號多達 15 種，部分型號鉆頭與地層的匹配性差，破巖效率與進尺不能兼顧，實際使用效果差別大，亟待開展鉆頭選型研究，優選出適合本區塊的高效鉆頭，使現場使用的鉆頭標準化和系列化，提高鉆井效率，同時利于統一采購和維護。
 
應用鉆頭優選技術
 
采 集 工 區 鄰 近 露 頭 巖 樣， 包括須家河組、龍潭組、茅口組、棲霞組、韓家店組、石牛欄組、龍馬溪組等層位，進行地層條件下的巖石可鉆性測試，建立區塊的巖石可鉆性剖面。須家河組、茅口組、棲霞組、石牛欄組、龍馬溪組地層，PDC 鉆頭級值優于牙輪鉆頭；龍潭組、韓家店組地層，牙輪鉆頭級值優于 PDC 鉆頭。
 
鑒于該地層厚度較薄，且上下地層均適合 PDC 鉆頭，因此在未起鉆條件下，建議繼續使用 PDC 鉆頭鉆進。PDC 鉆頭的冠部形狀直接影響鉆頭的攻擊性和各部位切削齒的受力狀態，在進行冠部輪廓設計時應滿足“易于布齒，便于加工，保證質量，提高效率”的原則，PDC 鉆頭的冠部形狀一般分為內錐、冠頂和外錐三部分，冠部形狀一般為圓弧形、短拋物線形和雙圓弧形，地層硬度越高，冠部應越短，以提高鉆頭的耐磨性。
 
切削齒的齒數是 PDC 鉆頭機械鉆速和使用壽命的重要決定因素，若齒數過少，則造成切削齒過早磨損，導致鉆頭使用壽命縮短；若齒數過多， 則會造成鉆頭攻擊性下降，導致機械鉆速降低。因此，需要根據地層特點合理確定鉆頭齒數。通過對不同地層應用的 PDC 鉆頭進行統計分析，得到齒數與地層抗壓強度的關系，對其進行擬合得到計算齒數的基本公式。PDC 鉆頭的切削齒尺寸由巖石抗壓強度或可鉆性確定，對于軟到中硬地層，選用尺寸較大的 PDC 復合片；對于中硬到堅硬地層，則選用尺寸小的 PDC 復合片。
 
根據地層巖石力學實驗結果，確定沙溪廟組 ~ 新田溝組地層選用16~19mm 切削齒，自流井 - 須家河組及海相地層選用 16mm 切削齒。PDC 鉆頭的刀翼數決定鉆頭攻擊性，刀翼數越多，作用在切削齒上的沖擊載荷減小，鉆頭的可控性提高，鉆頭壽命延長；反之，刀翼數減少，鉆頭的鉆進性能提高，具有較高的鉆速。一般來說，地層強度越大，切削齒數越多，刀翼數就越多。
 
對完鉆井使用的鉆頭進行統計分析， 得到齒數與刀翼數的關系，對其進行擬合后得到確定刀翼數量。計算得出沙溪廟組 - 新田溝組地層適合 4-5 刀翼、自流井 - 須家河組地層 6 刀翼、海相地層 5 刀翼，其中造斜段選用 6 刀翼以利于定向。鉆頭保徑長度主要根據鉆頭穩定性和可控性進行選擇。保徑長度增加，鉆頭穩定性增加，可控性能降低。保徑材料也是鉆頭選型的一個因素，在小斜度井一般用碳化鎢保徑材料，對于大斜度井和井下動力鉆進中一般使用金剛石保徑材料。總之，在地層可鉆性基礎上，應用鉆頭設計理論確定適合各段地層特征的鉆頭關鍵技術特征，據此優選適合的鉆頭型號。
 
現場實際應用
 
Y6 井在須家河組使用優選出的 KM1662ART PDC 鉆 頭 配 合PowerV 垂直鉆井工具，它采用 6刀翼、短冠部形狀，減震結構設計、加強保徑、具備倒劃眼功能，單趟進尺 514m，平均機械鉆速 5.19m/h，與前期相比，進尺增加 1.02 倍，鉆速提高 1.53 倍，創同區塊須家河組地層單趟進尺最長、平均機械鉆速最高兩項紀錄，實現了“一趟鉆鉆穿須家河”。在海相地層使用的 EM1655SE 鉆頭 + 螺桿復合鉆井，采用 5 刀翼、16mm 切削齒設計，具有螺旋保徑特點，配備輔助切削齒，從嘉陵江組鉆至茅口組地層，總進尺 1,314m，平均機械鉆速 5.64m/h，創永川同尺寸井眼單只鉆頭進尺最高紀錄。
 
全井鉆井周期 81.04d， 比 前 期 平 均 指 標 縮 短12.6%，提速效果顯著。一開沙溪廟組 - 新田溝組地層適合攻擊性強的 4-5 刀翼 PDC 鉆頭；二開陸相地層使用耐磨性強的6 刀翼 PDC 鉆頭， 海相以 PDC 為主，牙輪為輔；三開造斜段使用 6 刀翼、短保徑定向鉆頭，水平段使用 5 刀翼、長保徑鉆頭。永川頁巖氣水平井水平段普遍使用旋轉導向系統，建議針對性的開展與旋轉導向相匹配的鉆頭個性化設計研究。