牙輪鉆頭的選型分析

楊 全張 智李海洋

（1.威銳國際公司中國區(qū)（北京），北京 100025；2.西南石油大學，成都 610500）

牙輪鉆頭的選型分析

楊 全1張 智2李海洋2

（1.威銳國際公司中國區(qū)（北京），北京 100025；2.西南石油大學，成都 610500）

鉆頭選型的正確與否直接關系到鉆井進度和成本的控制，所以選擇與地層和工具相匹配的鉆頭型號非常關鍵。結合地層抗壓強度的資料，臨井鉆井的鉆頭使用情況及磨損分析提出牙輪鉆頭的選型方案。提出初次選型要考慮地層物性參數(shù)和臨井使用鉆頭資料，根據(jù)這兩個途徑來進行鉆頭合理化選擇；二次選型方案中重點分析鉆頭磨損，找出原因，為后續(xù)作業(yè)中鉆頭選擇提供有力支持。

牙輪鉆頭；地層硬度；磨損分析

鉆頭是鉆井行業(yè)中最前沿且技術要求最高的工具之一，鉆頭的合理選型對提高鉆進速度，降低鉆井綜合成本起著重要作用。目前,鉆頭選型方法大致可概括為3種:一是鉆頭使用效果評價法；二是巖石力學參數(shù)法；三是綜合法。鉆頭使用效果評價法把反映鉆頭使用效果的一個或多個指標作為鉆頭選型的依據(jù)；巖石力學參數(shù)法根據(jù)待鉆地層的某一個或幾個巖石力學參數(shù),結合鉆頭廠家的使用說明進行鉆頭選型；綜合法把鉆頭使用效果和地層巖石力學性質結合起來進行選型。本文以綜合法來進行牙輪鉆頭選型分析。

1 牙輪鉆頭初選

1.1 地層抗壓強度

我們對一個新的地區(qū)和區(qū)塊進行開發(fā)作業(yè)時，首先要了解地層，包括可鉆性的預測和鉆頭的合理選型。鉆頭選型的正確與否直接關系到鉆井進度和成本的控制。所以，選擇與地層和工具相匹配的鉆頭型號非常關鍵。目前可以從DBOS系統(tǒng),地質錄井圖,地層硬度和IADC對照表3個方面判斷與分析鉆頭選型問題。

地層分析系統(tǒng)：根據(jù)距離較近的已鉆井的測井資料（聲波和伽馬等）來做地層的抗壓強度分析；威銳鉆頭公司的UCS二維抗壓強度曲線，能較直觀的反應地層硬度和研磨及沖擊力等情況。

圖1 威銳公司的UCS地層和牙輪鉆頭選型系統(tǒng)

通過史密斯的DBOS鉆頭優(yōu)選系統(tǒng)，可以給出鉆頭IADC范圍和鉆頭的保護特征的選擇參考。通過對地層的分析和理解，可進一步為鉆頭的選型提供參考依據(jù)。DBOS選型示意圖見圖2。

圖2 DBOS選型示意圖

地質錄井是配合鉆井勘探油氣的一種重要手段，它隨著鉆井過程利用多種資料和參數(shù)，觀察、檢測、判斷和分析地下巖石性質和含油氣情況。主要包括巖屑錄井、巖心錄井、鉆時錄井、熒光錄井、鉆井液錄井及氣測錄井等。地質錄井圖可以顯示巖石特性等信息，為鉆頭的選型提供幫助，地質錄井圖如圖3所示。

圖3 地質錄井圖

表1 地層及硬度和IADC對照表

表2 牙輪鉆頭使用記錄

根據(jù)表1可以初步確認在特定地層中對應的鉆頭的IDAC編碼，從而根據(jù)各個鉆頭公司的鉆頭命名來劃分大致范圍。

1.2 臨井的鉆頭使用資料

臨井使用的鉆頭記錄是進行鉆頭選擇的重要參考依據(jù)，需要了解以下幾個參數(shù)：

型號；鉆井參數(shù)（鉆壓，轉數(shù)，等）；進尺和機械鉆速；起鉆后的磨損情況。

通過對表2各數(shù)據(jù)的分析，我們會對某種型號鉆頭在特定的工況下的表現(xiàn)有更深入的認識，再次分析鉆頭和地層在給定工具的配合下的表現(xiàn)，得出初步結論。

影響鉆頭選擇的次要因素包括：

（1）井身結構（直井，定向井，水平井）：根據(jù)井身結構來確定特定尺寸下的井眼尺寸，再根據(jù)地層特性來參考鉆頭型號，并且根據(jù)井型特點來考慮對鉆頭的保護，如水平井要考慮保徑部分加強，直井要求鉆頭的穩(wěn)定性能要好等。

（2）鉆井液的使用類型：鉆井液的選擇對鉆頭的選擇也非常重要。如使用油基泥漿時應考慮到其特點，泥漿固相和含砂較少，對鉆頭磨損小，所以，應該選擇比水基泥漿中使用鉆頭攻擊性更強的鉆頭，在抗研磨上要求較低。

（3）對將要作業(yè)層位和尺寸的鉆頭初選：在選型之前需要知道井身結構和要使用的參數(shù)情況。比如，在水平井中應考慮到鉆頭的附加特征保護保徑，以及鉆頭的導向性能是否滿足作業(yè)要求等。

2 鉆頭二次選型

在現(xiàn)場應用中經(jīng)常會出現(xiàn)與預期不同的結果，這就需要我們再一次地進行鉆頭選型。

通常情況，在現(xiàn)場使用中常出現(xiàn)的不良情況是鉆時過低，其原因有：選型過硬，可提高攻擊性能，如果磨損不大，可以選擇IADC527的鉆頭；鉆井參數(shù)選擇不合理，可以根據(jù)試鉆法來優(yōu)化參數(shù)，步驟如下：

（1）試鉆是確定最優(yōu)鉆壓和轉速組合獲得很快機械鉆速的有效手段；（2）在地層變化，機械鉆速變化，扭矩變化，人員變化以及作業(yè)參數(shù)變化（如泥漿性能），水力學變化時要進行試鉆；（3）試鉆轉速從低轉速開始，鉆壓以推薦的鉆頭所承受的最大鉆壓為上線；（4）在不同的鉆壓和轉速組合都能獲得很高的機械鉆速時，取不跳鉆的低鉆壓－轉速組合以延長鉆頭壽命；（5）最優(yōu)的鉆壓和轉速以線性終點和扭矩的限制為佳。

3 鉆頭磨損分析

如果鉆頭出現(xiàn)了磨損嚴重的情況，則需要對鉆頭的磨損做更詳細的科學分析，找出真正的原因，解決問題。不論是鉆時低還是磨損情況復雜等，都可以通過對鉆頭的磨損等級分析得出相應的結論和解決方法。

鉆頭磨損特征的描述和分析：

（1）IADC鉆頭磨損定級方法

對使用過的鉆頭進行磨損定級，是對鉆頭使用狀況的分析和總結，也是選擇下一個鉆頭和確定合理的鉆井參數(shù)的依據(jù)。

為了能夠詳盡和準確地反映鉆頭使用后各個部位的磨損特征和鉆頭停止使用的原因，IADC在新的鉆頭磨損定級方法中規(guī)定，對鉆頭的磨損定級要用八位數(shù)來描述。這種方法適用于所有類型的牙輪鉆頭和金剛石鉆頭，是一種比較先進和科學的評價鉆頭磨損情況的方法。

對于三牙輪鉆頭，規(guī)徑磨損值的測量應遵循“2／3規(guī)則”，以測得較準確的數(shù)據(jù)。所謂的“2／3規(guī)則”，是用鉆頭量規(guī)接觸兩個牙輪的最外緣點，測量出第三個牙輪的最外緣點與鉆頭量規(guī)的最小距離，以這個距離值乘以2／3，換算成 1.6mm（1／16in）的單位，即為規(guī)徑的磨損減小值。

（2）鉆頭磨損特征分析

為了更好地理解各種鉆頭磨損特征的意義，對鉆頭（以牙輪鉆頭為主）的磨損特征逐一進行分析。這些磨損特征都是鉆頭工作時常常遇到的問題，通常與我們使用中遇到的各種情況相對應，從而分析各種可能的原因和解決辦法。在實際使用中，還可能會出現(xiàn)各種意料不到的情況，必須根據(jù)具體問題加以分析和判斷。

舉例說明鉆頭磨損定級的意義。一個215.9mm、IADC編碼為517的牙輪鉆頭，使用后磨損定級為7、1、BT、M、E、I、NO、PR。這個磨損狀況說明該鉆頭鉆遇的地層過硬，內(nèi)圈齒斷裂嚴重；因地層太硬而導致內(nèi)圈齒斷裂或磨損嚴重，致使鉆速降低，是被迫起鉆的原因（有時，鉆壓過大也會出現(xiàn)這種磨損）。根據(jù)無其他磨損特征、軸承密封有效和規(guī)徑完好等情況分析，鉆頭的使用較合理。如果鉆頭的使用時間比預期的壽命短，則說明該鉆頭的選型相對地層而言“太軟”。

根據(jù)鉆頭的磨損分析，可以找到鉆頭磨損的原因和處理方法，例如，鉆頭磨損很輕而且鉆時慢，說明鉆頭在該地層中偏硬，應選擇IADC相對小點的鉆頭；如果鉆頭磨損嚴重，斷齒多，說明地層相對鉆頭有點硬，可以選擇IADC相對大點的鉆頭。

4 結 語

鉆頭型號的選擇要考慮各種因素的影響，根據(jù)不同的地層條件和工作環(huán)境進行合理的鉆頭型號優(yōu)化。

綜合分析方法將鉆頭使用效果和地層的巖石力學性質結合起來進行選型。鉆頭在井下受多種力學因素的影響,單憑一個或幾個力學參數(shù)很難選出真正適合本地區(qū)的鉆頭。地層綜合系數(shù)法雖然綜合考慮了多種巖石力學特性參數(shù)，但只是針對某一區(qū)塊進行的，受區(qū)域限制。由于不同地區(qū)地層起伏變化不同，巖性多變 ，巖石堅硬破碎難度不一，地層可鉆性不同等地層因素，是影響鉆頭在井底破巖效率的主要原因，故鉆頭選型研究工作的開展在油田任重道遠。

[1]劉斌,樓一珊,吳惠梅,等.吐哈盆地柯柯亞區(qū)塊侏羅系鉆探中的鉆頭選型[J].新疆石油地質,2012,33(1):106-107.

[2]劉天恩,付友義,竇同偉,等.鉆頭選型新思路[J].油氣田地面工程,2011,30(1):87-88.

[3]楊仲涵,何世明,周曉紅,等.國內(nèi)外鉆頭優(yōu)選方法述評[J].重慶科技學院學報：自然科學版,2011,13(4):87-89.

[4]彭剛,楊世軍,先齊.輪古區(qū)塊深井復雜地層鉆頭選型研究與應用[J].鉆采工藝,2011,34(5):28-30.

[5]李福來.淺談鉆頭地選型及分類法[J].中國石油與化工標準與質量,2011(9):96.

[6]陳汶濱,程浩,李斌,等.基于鄰井鉆頭優(yōu)選算法的研究[J].信息技術,2009(7):128-130.

[7]李忠慧,張春陽,樓一珊,等.鉆頭優(yōu)選新方法及其應用[J].天然氣工業(yè),2008(12):54-56.

[8]張輝,高德利.鉆頭選型方法綜述[J].石油鉆采工藝,2005,27(4):1-4.

Abstrac：Right bits option affects drilling effective and drilling cost directly.So it is very important to select correct bit types based on the formation and tools.This article introduces some schemes for Roller Cone Bits selection through some comprehensive analysis including formation compressive stress,offset bit run information and dull conditions.It mentions main points for first selection including formation property parameters,offset used bits information,based on above two ways to do the suitable bits option.For the second step,it is more focus on bit dull condition,and tries to find the reason for the dull,so that it can supply better and useful advises for future drilling operations.

Optimization Choice Analysis of Roller Cone Bits

YANG Quan1ZHANG Zhi2LI Haiyang2
（1.China Section of Weirui International Company(Beijing)，Beijing 100025；2.Southwest Petroleum University，Chengdu 610500）

roller cone bits；formation hardness；dull analysis

TE922

A

1673-1980(2012)05-0122-04

2012-04-08

國家自然科學基金項目（50904050）；四川省科技廳應用基礎計劃項目（2011JY0106）；博士后科學基金項目（20110490810）

楊全（1973-），男，遼寧錦州人，高級工程師，維銳國際公司中國區(qū)經(jīng)理（北京），研究方向為石油設備。