不同地层岩性对钻头失效的影响
查干区块火成岩井段钻井难点分析
26CPCI 中国石油和化工地质勘探查干区块火成岩井段钻井难点分析王素文（河南省濮阳市中原油田石油工程技术研究院 河南濮阳 457001）摘 要：本文对目前查干区块地层特点入手，结合实钻情况，总结了查干区块钻井难点，该区块火成岩地层可钻性差，钻头选型困难，钻头磨损严重，钻井液密度偏高，影响了查干区块的勘探速度，查干区块钻井难点的分析，为下步钻井技术优化指明道路，做好技术基础。
查干地区目的层主要在苏红图组、巴音戈壁组，苏红图组有大量火成岩，以玄武岩、凝灰岩为主，中间夹杂着粉砂岩、砂泥岩，埋深在1000～3000m 左右。
玄武岩裂隙和气孔发育，一旦被钻开后，砂泥岩的吸水膨胀，钻井液滤液会进入玄武岩的裂隙和气孔，改变地层原有的压力平衡，裸眼井段极易发生井壁失稳、掉块垮塌现象。
为平衡火成岩地层的坍塌，φ311.15mm 井眼钻井液密度需提至1.45g/cm³左右，φ215.9mm 井眼钻井液密度需提至1.35g/cm³左右，较高的钻井液密度又对机械钻速产生了负面影响，同时不利于保护油气层。
地层硬度高、研磨性强、非均质性严重、可钻性差、井间差异性大、钻头选型困难、玄武岩地层井段长易坍塌等技术难点，造成了查干区块钻井速度低、钻井成本高。
如何提高钻井速度、使用较低密度的钻井液体系抑制火成岩地层井壁垮塌一直是制约查干地区的技术难题。
1 地层可钻性极差，地层岩性分选性差，差异性大，含砾岩地层多，玄武岩地层段长、分散。
由于从上到下多数地层都含砾岩，中部还含有大段不连续的火成岩，硬度非常大，可钻性非常差（见图1），严重约束了PDC 钻头的使用，所施工各井都进行了PDC 钻头的探索，效果很不理想。
并且由于地层岩性的影响，牙轮钻头在使用过程中，磨损、断齿现象很普遍，也严重影响了牙轮钻头的使用寿命。
2 钻头选型困难。
由于地层研磨性强，可钻性差，造成钻头损坏严重，钻头纯钻时间短，牙轮钻头的失效主要是牙齿磨损，很少出现轴承损坏的现象。
地质因素对钻井工程的影响
地质因素对钻井工程的影响摘要：钻井工程是一个多工序、多工种和连续作业的工程，钻井工程包含油气井设计、钻前准备、钻进、固井、测井等一口井的一系列钻井作业。
而地质因素的不确定性对钻井工程的安全性和钻井效率有较大影响，其重要性不言而喻。
关键词：地质因素；钻井工程；井喷；井漏；卡钻钻井工程是油气田勘探开发过程中的重要环节，地质因素的不确定性对钻井工程安全有较大影响。
因此钻井施工前必须进行详细地质情况调查，以保证后期钻井工程的顺利进行。
本文研究了钻井工程中所涉及的地质因素、对钻井工程的影响及应对措施，通过分析地质因素，研究地质因素对钻井工程安全性的影响。
从而保证钻井安全施工的科学性，合理性，为勘探开发提供重要参考价值。
1、工程地质分析的目的和意义煤层气钻井作业的主要影响因素是工程地质，而储藏在煤层中的天然气是支持我国现代社会发展的重要能源。
所以，人们应当运用科学方法分析工程地质，有效开发煤层气资源。
这样不仅可以有效提高煤层气开发工程的固井质量，还能避免煤层被钻井污染，为煤层气的安全、高效开发提供强有力的保障。
总之，要想保证我国社会稳定发展，就必须保证能源供给充足。
煤层作为我国煤层气的重要储存层与产出层，其高效开发是必要之举，也是科学分析工程地质的主要目的。
2、钻井工程中所涉及的地质因素根据单井工程任务书，重点应包括井场调查、区域地质情况介绍、地层压力预测与钻井液使用要求、钻井过程中对录井、测试项目的要求。
井场调查：在探井井位确定以后，应以设计井位为中心对周边海上井场进行调查。
主要包括：水深调查、地貌调查、浅地层剖面调查、多道数字地震调查、磁力调查、海底表层土质取样、工程地质钻探、海底小型CPT测试、岩土工程地质试验、海洋水文环境观测、海底摄像。
作业者根据井场调查，判断是否适合钻井平台进行作业。
区域地质情况介绍：所在区块的地层情况、构造概况、邻井资料等。
油田在进行钻井工程之前，需要以探井地质资料为依据了解该区块地层基本信息，同时根据地震资料对开发井进行地质风险提示，如断层、异常压力、特殊岩性和浅层气等地质风险。
IADC牙轮钻头的分类及编号
IADC牙轮钻头的分类及编号IADC意思是国际钻井承包商协会。
英文全称：International association drilling contractor由于近年来国际上趋向于采用国际钻井承包商协会IADC的牙轮钻头分类和编号，更能方便快键识别和选用。
根据地层钻头分为软、中、硬、极硬4大类，而每一类又分为4个等级，根据钻头结构特征分为9类，根据钻头附加结构分为11类。
IADC规定，每一种钻头用四位字码进行分类及编号，各字码的意义如下。
第一位字码为系列代号（共有8个系列），表示钻头牙齿特征及所适应的地层：1--铣齿，软地层（低抗压强度，高可钻性）；2--铣齿，中-中硬地层（高抗压强度）；3--铣齿，硬、研磨性或半研磨性地层；4--镶齿，软地层（低抗压强度，高可钻性）；5--镶齿，软-中硬地层（低抗压强度）；6--镶齿，中硬地层（高抗压强度）；7--镶齿，硬、研磨性或中等研磨性地层；8--镶齿，极硬（高研磨性地层）。
第二位字码为岩石级别代号，表示在第一位数码表示的所钻地层中再依次从软到硬分成1、2、3、4共4个等级。
第三位数码为钻头结构特征代号，用9个数字表示，其中1～7表示钻头轴承及保径特征，8与9留待未来的新结构钻头用。
1～7表示的意义如下：1--非密封滚动轴承；2--空气清洗、冷却，滚动轴承；3--滚动轴承，保径；4--滚动密封轴承；5--滚动密封轴承，保径；6--滑动、密封轴承；7--滑动、密封轴承，保径。
第四位字码为钻头附加结构特征代号，用以表示前面三位数字无法表达的特征，用英文字母表示。
目前IADC已定义了11个特征：A--空气冷却；C--中心喷嘴；D--定向钻进；E--加长喷嘴；G--附加保径/钻头体保护；J--喷嘴偏射；R--加强焊缝（用于顿钻）；S--标准铣齿；X--楔形镶齿；Y--圆锥形镶齿；Z--其他形状镶齿。
有些钻头其结构可能兼有多种附加结构特征，则应选择一个主要的特征符号表示。
优选PDC钻头提高钻井速度的浅析
浅谈优选PDC钻头提高钻井速度[引言]提高机械钻速是一个复杂的综合性课题，它不仅受地质条件的影响，还要受地面设备、钻具、钻头选型、钻井液密度和钻井参数等多种因素的影响。
近年来，由于PDC钻头在设计技术和操作方面的较大改进使得人们也越来越喜欢使用PDC钻头。
在2000年，PDC钻头的钻井进尺仅占总钻井进尺的26％，2003年增加为50％，而2006年PDC钻头的钻井进尺已经占到总钻井进尺的60％。
本文针对PDC 钻头特性分析，仔细分析其在胜利油田适宜和不适宜钻进的地层岩性，给出了钻头选型及钻井参数选择原则，并对应用效果进行了浅析。
希望对以后类似地层井段钻头选型具有一定指导意义。
1．PDC钻头的特征分析PDC钻头是用人造聚晶金刚石切削齿(复合片齿柱)钎焊于钻头胎体(或银嵌于钻头钢体)上而成的一种新型切削型钻头。
由于它在钻井过程中具有独特的自锐-剪切破岩机理，能量消耗少，无活动件，耐冲蚀性能强，对压差敏感小，适应各种钻井液等特点，在低钻压下不仅可获得高钻速和高进尺，而且工作平稳，使用寿命长，成为快速钻井中高效、经济、安全的优良钻井工具。
为此，在钻井现场使用PDC钻头前要作好其特征分析，为优选作好准备。
1. 1布齿特征刮刀式布齿方式是将切削齿沿着从钻头中心附近到保径部位的直线和螺旋线布置在胎体刮刀上，在适当的位置布置喷嘴或水眼，每个喷嘴或水眼起到冷却或清洗一个或两个刮刀片上的切削齿的作用。
采用这种布齿方式的PDC钻头具有整体强度高、抗冲击能力强、易于清洗和冷却、排屑好、抗泥包能力强的特点。
单齿式布齿方式是将切削齿单独布置在钻头工作而上，在适当的地方布置喷嘴或水眼，泥浆从喷嘴流出后，切削齿受到清洗和冷却，同时也起到阻流与分配液流的作用。
这种结构的布齿区域大、布齿密度高，可以提高钻头的使用寿命，但水力控制能力低，容易在粘性地层泥包。
组合式切削齿的布置方式采用直线刮刀式和成组式相结合的方式，在适当的地方布置喷嘴或水眼。
钻具标准及失效讲解
钻进过程中钻柱受力
中和点及附近受力 钻柱上不受拉力又不受压力的位置称为 中和点。中和点将钻柱分为下部钻柱和 上部钻柱。 钻头在井底工作不稳定和不均匀送钻操 作，会使中和点移动。 中和点受交变载荷。
•API RP 7A1 旋转台肩接 头螺纹脂试验推荐作法
规定了钻具螺纹脂的材 料和试验方法。
API 标准级别
包含了绝大多数管材、工具的尺寸规格、
钢级，解决了互换性问题。 API 标准早，在全世界范围引用。 API 标准不是最高标准，油田应根据井 况制订订货补充技术条件。 API 标准没有包括所用的标准，有待我 们完善补充。
钻杆作用
提供从钻机到钻头的钻井
液通道，输送钻井液。 把地面动力（扭矩）传递 给钻头并给钻头加压。 起下钻头。
通过钻柱了解和观察钻头工
作情况、井眼情况和地层情 况。 进行取心、处理井下事故， 打捞落物，挤水泥等作业 对地层流体及压力情况进行 测试和评价。
加重钻杆 用于钻铤与钻杆过渡区，缓
井下有害气体对钻具使用寿命的
影响 H2S会导致钻具应力腐蚀开裂 CO2、泥浆里的溶解氧会加剧钻 具腐蚀。
井身结构 深井、定向井、水平井越
来越多。 在造斜段全角变化率（狗 腿度大），钻具受到很大 的弯曲载荷，很易发生疲 劳断裂和摩擦热裂纹。
钻井条件对钻具性能要求 尺寸精度高，特别是螺纹接头加
• API SPEC 7
旋转钻井设备规范
规定了从水龙头转换接头到钻头 的所有旋转钻井设备的尺寸规格（除 钻杆管体外）、螺纹接头类型及测量 方法、标准量规及测量方法、接头和 钻铤的机械性能。还包括小直径工作 管柱、转盘、轴系、钻井泵零部件、 水龙带和刹车块的尺寸要求。
地质钻钻头工作原理
地质钻钻头工作原理
地质钻钻头是用于地质勘探和矿产开采的工具，其工作原理是利用旋转和冲击力将岩石破碎并进行钻孔。
具体工作原理如下：
1. 旋转力：地质钻钻头通过连接在钻杆上，由钻机或钻探设备提供旋转力。
当旋转力施加到钻头上时，钻头开始旋转，以增加钻进速度和穿透力。
2. 切削岩石：钻头的前端通常设置有硬质合金切削齿或钻具。
当钻头旋转时，切削齿会切削、破碎和磨损岩石，使得岩石颗粒被钻孔中的冲洗液带出。
3. 冲击力：钻杆与钻头之间通常会通过冲击装置传递冲击力。
冲击力能够帮助增加钻头的穿透力，尤其在遇到较硬岩石或其他障碍物时。
冲击力的施加方式可以通过液压冲击装置、压缩空气或电动力装置来实现。
4. 冲洗液：为了减少摩擦、冷却钻头和清除岩屑，冲洗液（通常为水、泥浆或稀土）被注入钻杆中，通过钻头孔洞进入岩层。
冲洗液的流动和压力有助于将破碎的岩石颗粒带至地面并保持钻索通畅。
以上即是地质钻钻头的工作原理，通过旋转、冲击和冲洗液的配合，钻头能够有效地钻进不同类型的岩石，实现地层分析和矿产勘探。
地层系列与头选型对照表
表1-5 钻头与地层岩石对应关系表齿系地层型 1 2 4 可钻性岩性非密封滚动轴承非密滚动空气轴承密滚动轴承型列号式江汉休斯瑞德赛克史密江汉休斯瑞德史密江汉休斯瑞德赛克密密司司司钢低抗压强1 极软页岩、粘土、泥岩W11 R1 Y11 S3SJ DSJ GA114 GIX-1S11 S33SSDS 度高可钻 G114 ATX-11性的软地 2 泥岩、软页岩、疏松页 W121 R2 Y12 S3J DTJ S33齿层 3 页岩、软石灰岩 W131R3 Y13 S4J DHJ GA134 S444 S4DJ高抗强度 1 页岩、软石灰岩M4NJ V2J GA214 M44N钻 2 的中硬地 2 DR5 M4层 3 中硬岩石灰岩、砂岩、4 板岩钻硬半研磨1 硬质石英岩 H7 H773 性或或研 2 W321 R7 H7J性地层 3 硬质砂岩、白云岩4镶低抗压强 14 度高可钻2性极软地 3 软页岩、粘土层层 4齿低抗压强 1 软泥岩、软页岩、疏松砂岩5 度高可钻2中页岩、砂岩性极软地 3 中软石灰岩层 4中软石灰岩钻高抗压强 1 中地层硬页岩、石灰岩 K621 G44 G4A6 度的中硬 2 中地层白云岩、硬灰岩、Y62JA47JA地层 3 砂岩 G55 Y63JA4 硬质砂岩与白云岩半研磨性1 硬质砂岩与白云岩7 研磨性地2硬质砂岩与白云岩、极硬燧石层 3 极硬燧石 K732 G77Y73JA 7JA4 极硬花岗岩 K742半研磨 1 极硬花岗岩头8 性研磨性2极硬花岗岩地层 3 极硬花岗岩 K832 G99Y83JA 9JA4 极硬花岗岩 K842表1-5续钻头与地层岩石对应关系表系 5 6 7列保径密封滚动轴承密封滑动轴承保径密封滑动轴承型江汉休斯瑞德史密江汉休斯瑞德史密江汉休斯瑞德史密式橡密金密橡密金密司橡密橡密司橡密金密橡密金密司1-1 GA115 GJ115 GIX-G1 MAX-GT1 MS11G MSDSH H116 GT1 HP11 SDS H117 HJ117 GT-G1 MX-1 MHP11G MFDSH GAT115 GJ115L ATX-G1 MAX-GJ1 MSDSSH HA116 ATJ-1 PMC FDS+ HAT11 HJT117 GT-G1H MFDSSH GJT115L MSDSHOD ATJ-1S FDSS+ HJT117G AJT-G1 ATM-GT1 1-2 GA125 H126 HP12 FDT H127/HAT127HA126 EHP12 HAT127L HJT127L（1系列无型式4）FAT127/FAT127L1-3 GA135 GJ135 GTX-G3 MAX-GT3 S13G SDGH/MSDGH H136 FDG H137/HA137 HJ137 ATM-GT3 HP13G FDSH GJ125L ATX-G3 MAX-G3 MS13G MSDSHO D HA136 HAT137 HJT127L MHP13G MFDSH2-1 GA215 S21G SVH H126 H127 ATJ-G4（2系列无型式2、3、4） M21G MSVH HA126 ATJ-4 FV HA127 HP21G FNH3-1 S31G HP31G3-4 （3系列无型式2、3） ATJ-G84-1 G415 GJ415 ATX-05 MAX-05 M01S/M01SOD H417 HJ417 ATM05 ATM05 EHP41A MF02 GA415 GJT415 GTX-00MAXGT-00 MS41A M02S HA417 HJT417 GJ-00 ATMGT03GAT415 GTX-03 MAXGT-03 M02SOD HTT417 GT-03 MX-03 EHP41H4-2 M05S HA427Y HJ427Y GT-09C MX-09C F05/F07GT09C STR-05C MF05 G435 GJ435 ATX-HH MAX-HH S43A M1S H437/H437E HJ437/HJT437ATJ11/H09 ATMGT09 HP43A F1/MF154-3 GA435 GJT435 GTX-09 MAXGT09 MS43A M1SOD HA437/HT437HJ437L/HJT437 GATJ11H ATM11H EHP43A F10DGAT435 HD437/HA437L HJT437L GT09AT M11HG EHP43H MF10DHAT437/HAD437 HJD437L STR09 MX-09/MX-09CMAX-11CG S44A J5JS/M15SD H447/HA447 HJ447Y HJT11C ATMGT18 HP44A F15/MF154-4 MAXGT-18 MS44A M15S/M15SOD HAT447/HA447Y GT18/GT18C ATM11CG F15D/F150DFA447/FA447L HJT447L H18/H18C MF15D/MA15 G515 GJ515 ATX-22 MAX-22 S51A A1JSL H517/HA517 HJ517/HJT517 ATJ22 ATMGT20HP51XM F2/F2H5-1GA515 GJT515 GTX20 MAX-22G MS51A MA1SL H517E/H517L HJ517Y ATJ22S ATM22 HP51/HP51AF25/A1GAT515 GJ515Y MAXGT-20 2JS。
钻头的使用与钻井的关系
钻头的使用与钻井的关系地层岩性、井段位置、井身结构等不同情况都会影响钻头的使用，要根据钻井的参数和情况，合理选择和使用钻头。
目前油用钻头市场已不再混乱而变得规范有序，市场竞争向产品差异性和品牌、售后服务的竞争方向发展。
市场竟争力两大基石之一，钻头技术服务的作用将会越来越显著。
一、钻头使用资料收集内容1、地层岩性地层的岩性和软硬不同，岩石破碎机理不同，造成钻头失效的形式也各异。
我国各油田钻井中常见的地层岩性，其岩石物理机械性质均有测定。
根据现场收集的地层岩性及每米岩性钻时记录，进行地层岩石的硬度、塑性、脆性、研磨性和可钻性分析，对照钻头的失效形式，确认钻头选型及使用是否合理。
2、井段位置在地壳中处于不同位置的岩石，其岩石的机械性质变化很大。
埋藏较深的岩石，处于多向压缩应力状态，使岩石孔隙减小，强度增加。
上部井段一般岩石胶结疏松、质软，钻头转速高、钻压低。
下部井段一般岩石质硬、研磨性大，钻头转速低、钻压高、使用时间长。
根据收集的井段位置及每米岩性钻时记录，分析地层岩石的硬度、塑性、脆性、研磨性和可钻性特点，对照钻头的失效形式，确认钻头选型及使用是否合理。
3、井身结构不同的井身结构，对钻头的尺寸、型号和使用等均有特殊要求。
如造斜钻头一般要求带修边齿或保径结构，使用要求高转速、低钻压等。
收集井身结构及钻头选型、使用参数等资料，根据钻头失效的形式，确认钻头选型及使用是否合理。
4、钻井参数钻压和转速的确定，既决定着钻头破碎岩石的效率，又影响到钻头牙齿、轴承的磨损。
浅井、软地层，钻头以剪切作用为主，一般采用高转速、低钻压。
中硬地层，钻头产生剪切、冲击、压碎综合作用，一般采用中等转速和中、高钻压。
深井、硬地层，钻头以压碎、冲击为主，一般采用较高钻压、低转速。
钻井参数的合理选择，很大程度上决定了钻头的失效形式。
收集班报表和指重表记录，分析所用钻井参数及其变化，根据钻头失效形式确定使用的合理性。
5、泥浆性能喷射钻井要求泥浆具有：比重、粘度、塑性粘度、动切力。
地层系列与钻头选型对照表
表1-5 钻头与地层岩石对应关系表齿系地层型 1 2 4 可钻性岩性非密封滚动轴承非密滚动空气轴承密滚动轴承型列号式江汉休斯瑞德赛克史密江汉休斯瑞德史密江汉休斯瑞德赛克密密司司司钢低抗压强1 极软页岩、粘土、泥岩W11 R1 Y11 S3SJ DSJ GA114 GIX-1S11 S33SSDS 度高可钻 G114 ATX-11性的软地 2 泥岩、软页岩、疏松页 W121 R2 Y12 S3J DTJ S33齿层 3 页岩、软石灰岩 W131R3 Y13 S4J DHJ GA134 S444 S4DJ高抗强度 1 页岩、软石灰岩M4NJ V2J GA214 M44N钻 2 的中硬地 2 DR5 M4层 3 中硬岩石灰岩、砂岩、4 板岩钻硬半研磨1 硬质石英岩 H7 H773 性或或研 2 W321 R7 H7J性地层 3 硬质砂岩、白云岩4镶低抗压强 14 度高可钻2性极软地 3 软页岩、粘土层层 4齿低抗压强 1 软泥岩、软页岩、疏松砂岩5 度高可钻2中页岩、砂岩性极软地 3 中软石灰岩层 4中软石灰岩钻高抗压强 1 中地层硬页岩、石灰岩 K621 G44 G4A6 度的中硬 2 中地层白云岩、硬灰岩、Y62JA47JA地层 3 砂岩 G55 Y63JA4 硬质砂岩与白云岩半研磨性1 硬质砂岩与白云岩7 研磨性地2硬质砂岩与白云岩、极硬燧石层 3 极硬燧石 K732 G77Y73JA 7JA4 极硬花岗岩 K742半研磨 1 极硬花岗岩头8 性研磨性2极硬花岗岩地层 3 极硬花岗岩 K832 G99Y83JA 9JA4 极硬花岗岩 K842表1-5续钻头与地层岩石对应关系表系 5 6 7列保径密封滚动轴承密封滑动轴承保径密封滑动轴承型江汉休斯瑞德史密江汉休斯瑞德史密江汉休斯瑞德史密式橡密金密橡密金密司橡密橡密司橡密金密橡密金密司1-1 GA115 GJ115 GIX-G1 MAX-GT1 MS11G MSDSH H116 GT1 HP11 SDS H117 HJ117 GT-G1 MX-1 MHP11G MFDSH GAT115 GJ115L ATX-G1 MAX-GJ1 MSDSSH HA116 ATJ-1 PMC FDS+ HAT11 HJT117 GT-G1H MFDSSH GJT115L MSDSHOD ATJ-1S FDSS+ HJT117G AJT-G1 ATM-GT1 1-2 GA125 H126 HP12 FDT H127/HAT127HA126 EHP12 HAT127L HJT127L（1系列无型式4）FAT127/FAT127L1-3 GA135 GJ135 GTX-G3 MAX-GT3 S13G SDGH/MSDGH H136 FDG H137/HA137 HJ137 ATM-GT3 HP13G FDSH GJ125L ATX-G3 MAX-G3 MS13G MSDSHO D HA136 HAT137 HJT127L MHP13G MFDSH2-1 GA215 S21G SVH H126 H127 ATJ-G4（2系列无型式2、3、4） M21G MSVH HA126 ATJ-4 FV HA127 HP21G FNH3-1 S31G HP31G3-4 （3系列无型式2、3） ATJ-G84-1 G415 GJ415 ATX-05 MAX-05 M01S/M01SOD H417 HJ417 ATM05 ATM05 EHP41A MF02 GA415 GJT415 GTX-00MAXGT-00 MS41A M02S HA417 HJT417 GJ-00 ATMGT03GAT415 GTX-03 MAXGT-03 M02SOD HTT417 GT-03 MX-03 EHP41H4-2 M05S HA427Y HJ427Y GT-09C MX-09C F05/F07GT09C STR-05C MF05 G435 GJ435 ATX-HH MAX-HH S43A M1S H437/H437E HJ437/HJT437ATJ11/H09 ATMGT09 HP43A F1/MF154-3 GA435 GJT435 GTX-09 MAXGT09 MS43A M1SOD HA437/HT437HJ437L/HJT437 GATJ11H ATM11H EHP43A F10DGAT435 HD437/HA437L HJT437L GT09AT M11HG EHP43H MF10DHAT437/HAD437 HJD437L STR09 MX-09/MX-09CMAX-11CG S44A J5JS/M15SD H447/HA447 HJ447Y HJT11C ATMGT18 HP44A F15/MF154-4 MAXGT-18 MS44A M15S/M15SOD HAT447/HA447Y GT18/GT18C ATM11CG F15D/F150DFA447/FA447L HJT447L H18/H18C MF15D/MA15 G515 GJ515 ATX-22 MAX-22 S51A A1JSL H517/HA517 HJ517/HJT517 ATJ22 ATMGT20HP51XM F2/F2H5-1GA515 GJT515 GTX20 MAX-22G MS51A MA1SL H517E/H517L HJ517Y ATJ22S ATM22 HP51/HP51AF25/A1GAT515 GJ515Y MAXGT-20 2JS。
泥砾岩地层PDC钻头失效研究
分析 了岩性 受泥岩或 砾岩控 制 两类地层 的 Ｐ Ｃ 钻 头 工况特 点及 其 实效 形 式 ， Ｄ 重点 揭 示 了 Ｐ Ｃ钻 头 Ｄ 井底 涡动现 象发 生的原 因、 失效 机理 、 及其 影响规 律 。认 为控 制吃入 深度 实现连 续准静 态切 削是提 高
泥砾岩地层钻头寿命和机械钻速的有效方法， 并从钻头设计和提 高 Ｐ Ｃ复合片材料性能两方面提 出 Ｄ 了预 防泥砾 岩地层 Ｐ Ｃ钻 头失 效的 一些建议 和 对策 。 Ｄ 关键词： 泥砾 岩 ； Ｄ Ｐ Ｃ钻 头 ； 失效机理 ； 失效预 防 中 图分类号 ：６ ４ 文献 标识 码 ： 文章 编号 ：０４ ７６２ １） ２ ｏ ６ ５ Ｐ３ Ａ １０ —５ １ （０ ２Ｏ 一Ｏ ８ 一Ｏ Ｐ Ｃ钻头的优势一方面体现在它以切削方式破岩， Ｄ 无 冲击 振动破岩设计 ， 进时相对平稳 ， 钻 另一 方面体 现在 钻头无活动部件 ， 不易发生零部件脱落等井下事故 ， 因此 它非常适合与井下动力钻具配合来钻探深井， 据统计， 塔 里木山前地区超深井 Ｐ Ｃ钻头使用量已超过 了 ７ 。 Ｄ ０ 研究表明：Ｄ Ｐ Ｃ钻头在破碎均质、 较均质的软—坚硬地层 时具有 明显优 势 ， 而对于软硬频繁 交错 、 性不连续 分布 岩 的泥砾岩地层却是 Ｐ Ｃ钻头使用的禁 区。以塔里木库 Ｄ 车坳陷克拉苏构造带吉迪克一苏维依井段泥砾岩地层为 背景 ， Ｐ Ｅ钻头的工况特征、 对 Ｉ 主要失效机理、 预防和减 少失效 的措 施等进行 了分 析 ， 为泥 砾岩地 层 Ｐ） 这 Ｉ Ｃ钻头 的设计 和使用提供 了重要 的指导。 １ 泥砾 岩地 层钻头 使用情 况 克拉苏构造带位于库车坳 陷中部 ， 地层倾角大 ， 一 般在 ３ 。 ０之间， ０～８。 且倾向不一 ， 超深井钻井速度慢 、 周 期长、 成本高 。吉迪克组从上至下依次可划分为蓝灰色 泥 岩段 、 膏盐 岩段 、 砂泥 岩段 、 泥岩段 及砂 砾岩 段 ５ 膏 个 岩性段 ， 岩石硬度为 中硬一硬， 可钻性级值 为 ４ ； ～６ 苏 维 依 组 从 上 至下 细 分 为 ３个 岩 性 段 ， 要 为 褐 色 粉 砂 主 岩 、 砂岩 与泥 岩不等 厚互层 ， 细 中部 砾岩 发育 ， 硬度 为 中 硬 一硬 ， 可钻 性 级值 ５ ７ ～ 。克深 １ 砾 石 及 含 泥 地 层 井 ２３ ￣４ １ ４４ ９６井段共 ２８ｍ，６Ｐ Ｃ钻 头使用 ２ ４ ２ １ Ｄ ５只 ， 最 高机械 钻 速 １ ２ｍ ｈ 最低 不 到 １ ０ ／ ， 均值 为 ．９ ／ ， ．ｍ ｈ平 １１ｍ／ ， 均 日进 尺 仅 １． ｍ； 深 ７井 砾 石 及 含 泥 ．８ ｈ 平 ４７ 克 地层 ４ ２ ￣６０ 井段共 ２ ７ｍ，３１ ８ Ｄ ３８ ９０ ５ ２ １—／” Ｃ钻头使用 Ｐ ３ 只， ７ 最高机械钻速 １６ｍ／ ， ． １ ｈ 最低不到 ０ ４ ／ ， ． ｍ ｈ 平均 值 为 ０ ５ ｍ／ ， ．７ ｈ 平均 日进 尺 不 到 １． ｍ。 因此 ， ００ 研究 泥 砾岩 地层 Ｐ Ｃ钻头失 效形式 和机理 以及 失效 预 防措施 Ｄ 对 于超 深井钻 井 Ｐ Ｃ钻头提 速具 有非 常重要 的意 义 。 Ｄ ２ 泥砾 岩地层 Ｐ Ｃ钻 头工况 特点 分析 Ｄ 泥 砾岩地 层 是 泥 岩 中夹 杂 砾 石 ， 以泥 岩 作 为 连 续 相、 砾石 作为非 连续 相 的地 层 ， 综 合 物理 力 学 性 质 受 其 泥岩和砾石的双重影响， 究竟谁 占控制和主导作用主要 取决于各 自的百分含量 、 颗粒粒度和分散度。钻头的工 作 对象 是地层 ， 层 物 理力 学 性 质将 决 定 Ｐ Ｃ钻 头 工 地 Ｄ 作状况和实效方式 ， 因此研究将泥砾岩地层分为两类 ： 受泥岩 控制 地层 和受砾 石控制 地层 。 ２１ 岩性 受泥 岩控 制的地层 ． 泥 岩是 由各 种粉状 、 粉砂 状粘 土和 细微矿 物颗 粒经 压实胶结作用而成 ， 它与其它岩石相 比， 表现出较强 的 各项 同性 ， 最 有 利 于 以切 削 方 式 破 坏 的岩 石 种 类 之 是 Ｐ Ｃ钻头 在 其 中钻 进 时 有 着 几 乎 完 美 的表 现 。然 Ｄ 而， 当泥岩中夹杂有零星或者散落的砾石硬点 ， 将会对 Ｐ ＤＣ钻 头 的工 况造 成十分 消 极 的影 响 。为方 便 研 究 抽 象 出 图 １所示 的地 质模型 。 从 图 １中可 以看 出 ， Ｄ Ｐ Ｃ钻 头在 钻 进 含 零 星 砾 石 颗粒的砾岩时， 切削齿可能会沿着 ３ 条路径运动： 一是 切削齿直接将砾石劈开 ， 从砾石块体中部切削过去， 其
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地层岩性对钻头失效的影响表现在钻井工艺上：影响钻进速度、钻头进尺；使钻井过程出现井漏、井喷、井塌和卡钻等复杂情况；使泥浆性能发生变化；影响井眼质量，如井斜、井径不规则，进而影响固井质量。
通过分析地层岩性及其对钻井工艺的影响，可对钻头选型和使用的合理性进行判断。
粘土、泥岩和页岩层影响：极易吸收泥浆中的自由水而膨胀，使井径缩小，造成下钻遇阻，甚至卡钻，随着浸泡时间的延长，又会产生掉块剥落，使井径扩大，造成井塌。
应尽量使用清水或低比重低粘度的泥浆钻进。
炭质页岩联接力弱，容易垮塌。
泥质岩层质软，钻速快，也容易泥包。
砂岩：其性质依颗粒的大小、成分以及胶结物的不同有很大差别。
颗粒越细、石英颗粒越多、硅质和铁质胶结物越多则越硬，对钻头磨损越大，如石英砂岩；泥质胶结物越多，云母和长石的成分越多则较软易钻；颗粒越粗，胶结物越少，渗透性越好，易产生泥浆的渗透性漏失，并在井壁上形成较厚的泥饼，引起粘附卡钻等复杂情况，造成钻头的非正常使用。
砾岩：在砾岩层中钻进易产生跳钻、蹩钻和井壁垮塌；当泵排量小或泥浆粘度低时，砾石颗粒不易上返，对钻头牙轮体和牙齿损坏较大。
石灰岩：一般质硬，钻速慢、进尺少。
有的有缝缝洞洞发育，钻遇缝洞时，会引起蹩钻、放空、泥浆漏失等，井漏后有时还会发生井喷。
石灰岩地层对钻头进尺、机械钻速和钻头失效影响很大。
另外，当地层软硬交错，如泥岩与较硬的砂岩相间，易产生井斜；地层倾角较大时易产生井斜。
钻头在斜井中钻进易造成损坏。
当岩层中含有可溶性盐类，如石膏层、岩盐层等，会破坏泥浆的性能，影响到钻头的正常使用。
（二）、钻井工艺
一般指钻压、转速和泥浆排量三个钻进过程中可控制的工艺参数。
在实际应用中，钻井工艺应根据地层条件、钻头类型、钻井设备和操作人员技术水平制定。
按其要求和条件的不同，钻井工艺分有：
1）优化钻井工艺：在一定条件下，能达到最好经济指标的钻井工艺参数。
2）强化钻井工艺：为达到更高的钻进速度，采用比一般钻井参数高的钻井参数。
3）特殊钻井工艺：为了特殊目的而采用特殊措施或受限制的钻井参数。
不同的钻井参数要求选用不同规格、型号的钻头，钻进中其钻头失效形式也各具特点，应区别对待。
1、钻压对钻进的影响
钻压是井底破岩的必要条件。
钻压的大小决定着破岩的方式和特点，直接影响到钻进速度和钻头的破坏形式。
在钻进中，钻头受轴向压力和回转力的作用，切削齿在压入、剪切岩石的过程中被磨损、变钝或损坏，必然影响钻进速度。
随着钻压的增加，钻速会不断提高，而钻头的轴承和切削齿等部件也会加速磨损，影响到钻速。
钻压与钻速的关系变化有三个不同阶段。
表面破碎阶段：当钻压小于岩石压入硬度时，切削齿不能切入岩石，只能在岩石表面以磨擦形式破碎岩石，对切削齿磨损较大，虽然钻速也随钻压的加大而正比增加，但钻速很低；
疲劳破碎阶段：当钻压接近岩石压入硬度时，切削齿虽未切入岩石，但在岩面产生许多裂纹，经切削齿的反复作用，也产生体积破碎；
体积破碎阶段：当钻压加到大于岩石压入硬度以上时，切削齿切入岩石产生体积破碎，钻进效果才能明显，才属正常钻进。
因此，施加在牙轮钻头上的钻压必须满足切削齿能压入岩石，使岩石产生体积破碎。
通过提高一倍钻压，试验牙轮钻头钻进不同级别的岩石，结果表明：不同的岩石，对增大钻压时所获得的钻速是不相同的。
其中以中硬岩层（岩石级别6～7级）钻速的增长率较高，而较软（岩石级别4～5级）和较硬（岩石级别8～9级）的岩层则相对增长不大。
钻进粘结性软岩时，易产生堵水糊钻，钻压应选得小些。
钻进研磨性较大的岩层时，钻压不足易造成
钻头早期磨损，钻压要适当加大。
钻遇裂隙岩层时，易产生跳钻，钻压应适当降低，避免崩、断切削齿。
钻压是钻进的重要参数，即要有利充分发挥切削齿切入岩层的能力，又要最大限度地降低切削齿的磨损。
２、转速对钻进的影响
转速表示直径一定的钻头旋转的快慢，是钻进过程中用以衡量回转速度的指标。
钻进时，不同硬度岩石的破岩状态不同，钻压对其影响也不相同，因而钻头转速对破岩过程和机械钻速的影响，要考虑岩性与破岩时间因素。
（1）软地层钻进中的转速
在软而塑性大、研磨性小的岩层（如粘土类岩层）中钻进时，切削齿切削下来的岩屑厚度等于切削齿切入岩石的深度，且钻进中切削齿的磨损很小。
因此，在软地层中钻进，当钻压一定时，转速与机械钻速成正比增长。
（2）中硬及硬地层钻进中的转速
中硬及硬地层压入硬度较大、研磨性较高，切削齿在钻进中不断被磨钝，齿与岩石接触面积也不断增大，使得岩石破碎时变形和裂隙发育时间延长，难度增加，钻速变慢，而需要更大的钻压。
随着地层硬度的提高，钻头破岩时间延长，增大钻速，会使岩石破碎过程发育不能完全，切削齿还未充分破碎岩石，就与岩石分离开，引起破岩深度减小。
因此，受破岩时间的限制，为避免切削齿较快磨损，在中硬及硬地层中钻进时不能过分增大转速。
（3）不同岩石中钻进的转速
不同的岩石，钻速随转速增长均有一定的变化曲线和极限转速。
在粘土类岩石中钻进，钻速随转速成正比增长；在坚硬的、高研磨性岩石中钻进，钻速随转速增加而增长相对缓慢，由于破岩时间延长，极限转速比其它类岩石要小，当转速超过极限转速，将导致钻速下降。
通过提高一倍转速，试验牙轮钻头钻进不同级别的岩石，结果表明：岩石级别为4级的大理石，钻速增长率为93%，岩石级别为9级的斑状花岗岩，钻速增长率仅为28%，从4级到9级，钻速增长率呈递减曲线。
因此，对较软的研磨性地层，提高转速有利，而对坚硬的高磨性地层，则意义不大。
在实际工作中，提高转速受到钻杆柱强度、长度和钻头性能及钻井设备能力的限制。
现阶段，
随着小井眼钻井技术的发展，以及钻杆柱在井内工作状态的改善和采用先进的润滑剂以减小回转磨阻的研究，高转速将得到充分应用。