重庆地区页岩气地质资源潜力达13.7×10 12 m 3 ，是 国 内 页 岩 气 最 富集 的 地 区 之 一。 荣昌 - 永川区块主体位于重庆市荣昌县、永川区和大足区，矿权面积215km 2 ，总资源量 2571×10 8 m 3 。2016 年 1 月 永 川 第 一 口 页 岩气 井 Y1HF 井 测 试 获 无 阻 流 量23.5×10 4 m 3 /d，揭开了永川页岩气勘探开发的序幕。该区块埋深超过3,500m 的区域占 80%，属于深层页岩气，面临地层古老、地层岩性复杂多变、可钻性差等多个难点。应用钻头设计理论确定钻头的关键技术特征，优选适合本区块地层特点的钻头型号，在现场应用取得了一定的提速效果，为永川深层页岩气井钻头的合理选型提供了借鉴。
 
永川区块工程地质概况及钻井难点
 
永 川 区 块 包 含 石 盘 铺 向 斜 和新店子背斜构造，均属于四川盆地川南低褶带，构造变形适中，工区西 北、 东 南 部 断 层 不 发 育， 保 存条 件 较 好。 页 岩 气 主 力 储 层 为 志留 系 龙 马 溪 组 优 质 页 岩， 厚 度 在30~48m，上部以厚层灰黑色灰质泥岩为主；中部以灰色 - 深灰色泥岩为主；下部以深灰色 - 黑色碳质泥岩为主。该构造自上而下钻遇地层为侏罗系、三叠系、二叠系、志留系和奥陶系，预测地层压力系数1.2 ↑ 1.5 ↑ 1.6 ↑↓ 1.5 ↑ 1.7，基本呈随井深增加而逐渐增大的趋势。
 
根据区域工程地质条件，结合前期完钻井实钻情况，分析钻头选型和使用存在的主要难点如下：侏罗系地层厚度大，岩性以泥岩、砂岩为主，若钻头选型不合理，易发生钻头泥包，严重影响机械钻速；自流井组珍珠冲段和须家河组二段石英砂岩含量较高、 且地层倾角大，易井斜，憋跳钻严重，PDC 钻头易过早损坏。 Y1井选用国产PDC钻头，钻至须家河组二段憋跳极为严重，钻速突然变慢，起钻发现钻头彻底报废，进尺 244.62m，平均机械钻速 2.12m/h；龙潭组地层铝土质泥岩硬度高、可钻性差，平均机械钻速较低，Y1 井该段使用 PDC 钻头钻速 0.27m/h，换牙轮钻头后钻速达到 1.26m/h。
 
完钻井钻头使用分析
 
目前永川区块完钻 Y1 井、Y2井和 Y3-1 井共计 3 口井，对完钻井的钻头使用情况和效果进行分析，找出存在的问题，确定钻头选型的攻关方向。分地层钻速对比。永川区块开孔层位为上沙溪庙组，完钻层位龙马溪组，自上而下钻遇 16 套地层，其中自流井组、须家河组以及龙潭 -梁山组地层可钻性差，平均机械钻速 分 别 为 2.05m/h 和 2.33m/h，该类地层厚度约 1,220m，占全井30%，纯钻时间占到全井的 45%，是制约钻井提速的瓶颈井段。各开次钻速及钻头应用情况。
 
一开钻遇上、下沙溪庙组和新田沟组地层，以 PDC 钻头为主，使用数量占 70%，单只进尺比牙轮钻头长3.8 倍，平均钻速提高 3.5 倍。使用钻头型号 6 种，部分型号对地层的适应性不强，如 Y2 井使用 E1625钻头，在凉高山组、自流井组钻时较为均匀，后期钻时变慢，起钻后发现钻头泥包，主切削齿报废，磨至胎体，见图 3 所示。二开钻遇陆相自流井组和须家河组地层及海相嘉陵江组 ~ 石牛栏组地层，其中陆相地层可钻性差，先后尝试 7 种型号钻头，现场应用效果参差不齐，最短进尺仅 66m，永页 3-1 井尝试进口混合钻头，进尺达到 482.99m，增加 1 倍以上；海相地层整体可钻性优于陆相地层，使用 8 种 12 只钻头，其中 PDC 钻头 10 只， 最 短 进 尺 137.62m， 平均进尺 521.3m。
 
三开主要钻遇龙马溪组、五峰组地层，侧钻井段一般使用牙轮钻头，利于控制方位定向钻进，造斜段及水平段使用旋转导向配合 PDC钻头，增加单趟进尺，减少起下钻次 数。 完 钻 3 口 井， 三 开 井 段 使用 9 种 17 只钻头，平均单只进尺462.38m，最短进尺 166.33m。
 
Y1井在水平段使用 6 刀翼双排齿 PDC钻头钻进，进入五峰组地层后，由于地层钙质含量较高，而且钻头攻击性不足， 导致钻速受到一定影响。对完钻井钻头的使用情况统计表明，前期完钻井使用钻头型号多而杂。钻遇地层多、岩性复杂、可参考资料少，导致钻头选型具有较大的盲目性和不确定性，型号选择百花齐放，如三口井的二开井段累计使用 19 只钻头，型号多达 15 种，部分型号钻头与地层的匹配性差，破岩效率与进尺不能兼顾，实际使用效果差别大，亟待开展钻头选型研究，优选出适合本区块的高效钻头，使现场使用的钻头标准化和系列化，提高钻井效率，同时利于统一采购和维护。
 
应用钻头优选技术
 
采 集 工 区 邻 近 露 头 岩 样， 包括须家河组、龙潭组、茅口组、栖霞组、韩家店组、石牛栏组、龙马溪组等层位，进行地层条件下的岩石可钻性测试，建立区块的岩石可钻性剖面。须家河组、茅口组、栖霞组、石牛栏组、龙马溪组地层，PDC 钻头级值优于牙轮钻头；龙潭组、韩家店组地层，牙轮钻头级值优于 PDC 钻头。
 
鉴于该地层厚度较薄，且上下地层均适合 PDC 钻头，因此在未起钻条件下，建议继续使用 PDC 钻头钻进。PDC 钻头的冠部形状直接影响钻头的攻击性和各部位切削齿的受力状态，在进行冠部轮廓设计时应满足“易于布齿，便于加工，保证质量，提高效率”的原则，PDC 钻头的冠部形状一般分为内锥、冠顶和外锥三部分，冠部形状一般为圆弧形、短抛物线形和双圆弧形，地层硬度越高，冠部应越短，以提高钻头的耐磨性。
 
切削齿的齿数是 PDC 钻头机械钻速和使用寿命的重要决定因素，若齿数过少，则造成切削齿过早磨损，导致钻头使用寿命缩短；若齿数过多， 则会造成钻头攻击性下降，导致机械钻速降低。因此，需要根据地层特点合理确定钻头齿数。通过对不同地层应用的 PDC 钻头进行统计分析，得到齿数与地层抗压强度的关系，对其进行拟合得到计算齿数的基本公式。PDC 钻头的切削齿尺寸由岩石抗压强度或可钻性确定，对于软到中硬地层，选用尺寸较大的 PDC 复合片；对于中硬到坚硬地层，则选用尺寸小的 PDC 复合片。
 
根据地层岩石力学实验结果，确定沙溪庙组 ~ 新田沟组地层选用16~19mm 切削齿，自流井 - 须家河组及海相地层选用 16mm 切削齿。PDC 钻头的刀翼数决定钻头攻击性，刀翼数越多，作用在切削齿上的冲击载荷减小，钻头的可控性提高，钻头寿命延长；反之，刀翼数减少，钻头的钻进性能提高，具有较高的钻速。一般来说，地层强度越大，切削齿数越多，刀翼数就越多。
 
对完钻井使用的钻头进行统计分析， 得到齿数与刀翼数的关系，对其进行拟合后得到确定刀翼数量。计算得出沙溪庙组 - 新田沟组地层适合 4-5 刀翼、自流井 - 须家河组地层 6 刀翼、海相地层 5 刀翼，其中造斜段选用 6 刀翼以利于定向。钻头保径长度主要根据钻头稳定性和可控性进行选择。保径长度增加，钻头稳定性增加，可控性能降低。保径材料也是钻头选型的一个因素，在小斜度井一般用碳化钨保径材料，对于大斜度井和井下动力钻进中一般使用金刚石保径材料。总之，在地层可钻性基础上，应用钻头设计理论确定适合各段地层特征的钻头关键技术特征，据此优选适合的钻头型号。
 
现场实际应用
 
Y6 井在须家河组使用优选出的 KM1662ART PDC 钻 头 配 合PowerV 垂直钻井工具，它采用 6刀翼、短冠部形状，减震结构设计、加强保径、具备倒划眼功能，单趟进尺 514m，平均机械钻速 5.19m/h，与前期相比，进尺增加 1.02 倍，钻速提高 1.53 倍，创同区块须家河组地层单趟进尺最长、平均机械钻速最高两项纪录，实现了“一趟钻钻穿须家河”。在海相地层使用的 EM1655SE 钻头 + 螺杆复合钻井，采用 5 刀翼、16mm 切削齿设计，具有螺旋保径特点，配备辅助切削齿，从嘉陵江组钻至茅口组地层，总进尺 1,314m，平均机械钻速 5.64m/h，创永川同尺寸井眼单只钻头进尺最高纪录。
 
全井钻井周期 81.04d， 比 前 期 平 均 指 标 缩 短12.6%，提速效果显著。一开沙溪庙组 - 新田沟组地层适合攻击性强的 4-5 刀翼 PDC 钻头；二开陆相地层使用耐磨性强的6 刀翼 PDC 钻头， 海相以 PDC 为主，牙轮为辅；三开造斜段使用 6 刀翼、短保径定向钻头，水平段使用 5 刀翼、长保径钻头。永川页岩气水平井水平段普遍使用旋转导向系统，建议针对性的开展与旋转导向相匹配的钻头个性化设计研究。