PDC鉆頭在三疊系泥巖鉆進(jìn)過(guò)程中的技術(shù)問(wèn)題及對(duì)策研究

范曉東

摘 要：為了提高PDC鉆頭在ZK7057鉆孔三疊系泥巖中的工作效率，減小鉆頭的切削磨碎程度。本文根據(jù)PDC鉆頭在現(xiàn)場(chǎng)使用的情況，分析鉆頭在三疊系泥巖進(jìn)尺緩慢的原因，并提出改進(jìn)措施。結(jié)果表明：由于目的層疏松砂巖、砂礫巖和軟煤造成取芯困難，孔壁穩(wěn)定性差，引起自然事故頻發(fā)，三疊系泥巖致密造成鉆進(jìn)困難，復(fù)合片的異常消耗導(dǎo)致鉆速降低，吸附的巖粉清洗不及時(shí)導(dǎo)致進(jìn)尺緩慢.，建議在以后的鉆進(jìn)工作中使用屋脊片（V型）復(fù)合片鉆頭進(jìn)行工作。通過(guò)對(duì)復(fù)合片進(jìn)行表面拋光處理，改造復(fù)合片的齒形結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)復(fù)合片胎體的抗沖擊韌性和抗彎強(qiáng)度，增大復(fù)合片鉆頭水路空間來(lái)提高PDC鉆頭在三疊系泥巖中的鉆進(jìn)速度。

關(guān)鍵詞：PDC鉆頭：三疊系泥巖;鉆孔取芯;屋脊片;復(fù)合片

1.引言

ZK7057孔是伊犁南緣中西段項(xiàng)目近年來(lái)在鈾礦地質(zhì)勘查中施工的最深鉆孔。該孔設(shè)計(jì)孔深llOOm，井型為垂直井，目的層為三疊系中上統(tǒng)小泉溝群砂礫巖，要求除第四系外全孔取芯，主要使用PDC鉆頭進(jìn)行鉆孔鉆進(jìn)。

在鉆孔取芯的過(guò)程中，由于第四系覆蓋為力學(xué)不穩(wěn)定地層，鉆進(jìn)時(shí)易發(fā)生孔壁坍塌、掉塊卡鉆和孔斜事故[1-2]。泥巖水敏為化學(xué)不穩(wěn)定地層，鉆進(jìn)時(shí)易發(fā)生孔壁縮徑、擴(kuò)徑和泥漿巖粉化，由此造成的后果是鉆具和測(cè)井儀器下不去，增加了沖孔和擴(kuò)孔的時(shí)間消耗，夾埋鉆具，擴(kuò)徑處鉆桿折斷及鉆桿斷頭貼近空穴壁[3-4]。在鉆探承壓含水的疏松砂巖時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)伴隨有破壞孔壁的涌水或泥漿漏失。由于目的層多疏松砂巖、砂礫巖和軟煤，也造成取芯困難[5]。

根據(jù)巖芯情況顯示，800m以后深度大部分為泥巖，少量煤，砂巖填充，后期泥巖在一定的溫度，壓力條件下，孔隙度減小，膠結(jié)更加致密，彈塑性、研磨性極強(qiáng);深部彈塑性泥巖上覆地層壓力大，巖性致密，硬度大強(qiáng)度高，鉆進(jìn)時(shí)切削工具的研磨損耗大，造成碎巖困難、鉆進(jìn)困難[6]。合金鉆進(jìn)時(shí)效小于Im，石英砂巖研磨性強(qiáng)，合金鉆頭壽命和時(shí)效低于0.5m，造成PDC鉆頭的大量破壞[7]。根據(jù)PDC鉆頭的現(xiàn)場(chǎng)使用情況和三疊系泥巖進(jìn)尺緩慢的原因分析，為了提高鉆頭在ZK7057鉆孔工作區(qū)的鉆進(jìn)效率，有必要對(duì)PDC鉆頭進(jìn)行改進(jìn)。

2.ZK7057鉆孔工作區(qū)簡(jiǎn)介

ZK7057鉆孔工作區(qū)位于伊犁盆地洪海溝地區(qū)，為察布查爾錫伯自治縣和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)六十七團(tuán)管轄，距伊寧市50km—80km，縣道和簡(jiǎn)易公路網(wǎng)狀分布可達(dá)各鄉(xiāng)和鉆探施工區(qū)，交通便利。伊寧市與烏魯木齊相距約700km。

ZK7057鉆孔工作區(qū)位于山前沖擊平原地帶，地勢(shì)較平緩，為大陸性北溫帶半干旱氣候。鉆孔揭露地層主要包括第四系、第三系和侏羅系，其中第四系為砂、礫、泥松散堆積，厚度220m—280m，可鉆性6—8級(jí);第三系為雜色泥巖，厚度30m—80m;侏羅系為泥巖、砂巖和煤互層，可鉆性3—8級(jí)。據(jù)地質(zhì)資料，中上三疊統(tǒng)小泉溝群為構(gòu)造活動(dòng)由強(qiáng)減弱，快速水進(jìn)條件下形成的沖積扇一淺水湖相沉積。區(qū)域內(nèi)白下而上可分三段，勘查區(qū)內(nèi)由兩個(gè)由粗而細(xì)的沉積韻律組成，總體缺少區(qū)域上的第三段和第二段的下部。僅在洪海溝地區(qū)揭穿小泉溝群，總體由厚大泥質(zhì)類巖石和粗大礫巖組成。下段扇根相礫巖層不整合上覆于石炭系花崗巖之上，平均厚度56m，其上為厚約lOm的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等泥質(zhì)類巖石;上段的底部為厚約67m的礫巖、含礫砂巖，上覆厚度大于200m的淺湖相厚大泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖，以?shī)A薄層菱鐵礦為特征。

ZK7057鉆孔施工時(shí)間為2018年7月28日至2018年9月30日，施工周期62天，終孔孔深1101.86m，累計(jì)采取巖芯606.84m。井深結(jié)構(gòu)：φ151-φ132-φ113-φ98，自311m開(kāi)始取芯，取芯段孔徑為φ113和φ98。

3.PDC鉆頭現(xiàn)場(chǎng)使用情況

ZK7057孔白311m取芯以來(lái)，一直采用φ113PDC復(fù)合片鉆頭單管取芯，使用常用的PDC鉆頭，在進(jìn)入致密泥巖地層之前（800m之前），效率普遍較高，取芯情況良好。在鉆遇致密泥巖之后鉆速逐漸降低，鉆頭切削具磨損嚴(yán)重，嚴(yán)重時(shí)一回次需要更換一次鉆頭，在鉆至890m～910m時(shí)，平均機(jī)械鉆速低至0.2m/h，現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)為進(jìn)尺緩慢，甚至遲遲不進(jìn)尺。三疊系泥巖地層厚度約200m，現(xiàn)場(chǎng)更換使用了多種形式的PDC鉆頭，更換多種切削具形式，使用過(guò)的有鉆頭有：普通圓片復(fù)合片鉆頭，尖齒復(fù)合片鉆頭，尖齒半圓對(duì)焊復(fù)合片鉆頭，錐形復(fù)合片鉆頭，階梯式網(wǎng)片鉆頭，屋脊片（V型）復(fù)合片鉆頭，階梯式屋脊片復(fù)合片鉆頭等，但總體效率較低，極大延長(zhǎng)了鉆井時(shí)間，嚴(yán)重影響鉆井效率。在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)的屋脊片（V型）、錐形、階梯式屋脊片（V片）、尖齒半網(wǎng)對(duì)焊型PDC鉆頭如圖1、圖2、圖3、圖4所示。

4.PDC鉆頭三疊系泥巖進(jìn)尺緩慢原因分析

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)的鉆頭分析發(fā)現(xiàn)，較多的鉆頭表現(xiàn)為復(fù)合片異常磨損、消耗、斷齒等原因可能導(dǎo)致的鉆進(jìn)緩慢;有部分鉆頭表現(xiàn)為鉆頭正常磨損，但進(jìn)尺也緩慢;也有一些鉆頭表現(xiàn)為部分復(fù)合片少量磨損，其他復(fù)合片幾乎不磨損，但同樣進(jìn)尺緩慢。PDC鉆頭三疊系泥巖進(jìn)尺緩慢的具體原因有以下三條。

4.1致密泥巖造成鉆進(jìn)困難

地層中含有一定的硬夾層，易造成憋鉆，鉆頭異常磨損、掉齒、斷齒現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆頭早期損壞，甚至使切削具失效[8]。大量的致密泥巖，研磨性很強(qiáng)，易對(duì)鉆頭保徑和切削齒造成最壞。彈塑性很強(qiáng)，切削齒難以壓人地層形成體積破碎，只能形成表面疲勞破碎，產(chǎn)生的細(xì)小巖粉顆粒極易吸附在鉆頭和切削具上，甚至造成鉆頭泥包，造成鉆進(jìn)困難。目的層松散砂礫巖、硬而致密的三疊系泥巖、疑似斷齒的PDC鉆頭、尖齒復(fù)合片損壞嚴(yán)重的鉆頭如圖5、圖6、圖7、圖8所示。

4.2復(fù)合片的異常消耗導(dǎo)致鉆速降低

鉆頭復(fù)合片非正常磨損，主要損壞特征表現(xiàn)為：（1）復(fù)合片碎裂、崩片。由于地層中含有一些硬夾層，以及一些鉆頭冠部制作不規(guī)范，導(dǎo)致PDC鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中，突然遇到該類硬夾層時(shí)，復(fù)合片受力不均勻，產(chǎn)生的瞬間載荷過(guò)高，足以使得局部切削齒碎裂、斷片等。（2）復(fù)合片脫落。主要原因是由于制作工藝的不佳所制。復(fù)合片與基底焊接不牢固，當(dāng)遇到復(fù)雜孔內(nèi)載荷或者大載荷時(shí)，很容易出現(xiàn)復(fù)合片脫落的現(xiàn)象。（3）金剛石層脫落。由于鉆頭水力結(jié)構(gòu)的缺陷或不合理，或者是沖洗液量不夠，導(dǎo)致沖洗液不能良好的沖洗和冷卻，致使金剛石層溫度過(guò)高，導(dǎo)致金剛石層出現(xiàn)微裂紋，在外力作用下最終致使金剛石層脫落。

4.3吸附的巖粉清洗不及時(shí)導(dǎo)致進(jìn)尺緩慢

由于水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因或沖洗液量和流動(dòng)性的原因，導(dǎo)致鉆進(jìn)時(shí)由切削齒破碎的巖屑不能被及時(shí)的有效清除，而泥巖本身是由<4um的黏度礦物顆粒構(gòu)成的，在鉆進(jìn)過(guò)程中形成的巖粉具有很強(qiáng)的吸附能力，并在井底被重復(fù)破碎，且易形成糊鉆、泥包，嚴(yán)重影響碎巖能力，進(jìn)而影響機(jī)械鉆速[9]。

三疊系泥巖大部分為硬而致密的彈塑性泥巖，PDC切削齒對(duì)這類彈塑性泥巖是一個(gè)剪切滑移的過(guò)程，再加之泥巖顆粒細(xì)小，結(jié)構(gòu)緊密，表現(xiàn)為切削具很難切入，即使切入以后其切入深度也很小，切削具壓人泥巖產(chǎn)生的微小變形很快被泥巖的彈性變形所抵消，切削具向前移動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的變形很快恢復(fù)，使切削具的破碎做功失去效果[10]。再加上泥巖成分中存在較多的硬顆粒，例如石英細(xì)顆粒，切削具切人后很快被研磨，無(wú)法進(jìn)行切削，導(dǎo)致“打滑”不進(jìn)尺，最終導(dǎo)致機(jī)械鉆速低下。

5.PDC鉆頭進(jìn)尺緩慢應(yīng)對(duì)措施及建議

5.1 ZK7057孔經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

ZK7057孔鉆進(jìn)三疊系泥巖累計(jì)達(dá)200m，常規(guī)PDC取芯鉆頭不但磨損嚴(yán)重，消耗量大，而且機(jī)械鉆速低至0.5m/h，最低只有0.2m/h，延長(zhǎng)鉆井周期，致使裸眼時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，泥漿很難長(zhǎng)期維持覆蓋層的穩(wěn)定性，對(duì)上覆不穩(wěn)定地層有很大的影響。在后期施工中，上覆地層頻繁掉塊，導(dǎo)致提下鉆困難，鉆頭擠壓變形，甚至較為嚴(yán)重的卡鉆現(xiàn)象。但后期在試用一種屋脊片（V型）復(fù)合片鉆頭時(shí)，較其他鉆頭相比，鉆速有一定程度的提升。對(duì)此在今后的施工中，可采取該種鉆頭進(jìn)行試驗(yàn)和施工，以繼續(xù)探索鉆進(jìn)三疊系泥巖的最優(yōu)鉆具?，F(xiàn)場(chǎng)使用的屋脊片（V型）復(fù)合片鉆頭如圖9所示。

5.2 PDC復(fù)合片鉆頭的改進(jìn)

5.2.1復(fù)合片性能分析

（1）據(jù)了解，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外復(fù)合片的性能指標(biāo)已發(fā)生質(zhì)的飛越，指標(biāo)大幅度提高[5-7]。目前國(guó)內(nèi)復(fù)合片耐磨性平均值已達(dá)到18萬(wàn)～22萬(wàn)（磨耗比），抗沖擊韌性平均值可達(dá)400J～600J，依據(jù)三疊系泥巖的巖石組成顆粒細(xì)小，石英含量高，應(yīng)盡量采用具有高耐磨性（磨耗比>20萬(wàn)）、高沖擊韌性（ >400J），高熱穩(wěn)定性（750 0C燒結(jié)后，磨耗比和抗沖擊韌性的變化< +5%）的復(fù)合片[8-9]。（2）我國(guó)復(fù)合片性能發(fā)展到現(xiàn)在，其平均性能已經(jīng)和國(guó)外性能指標(biāo)十分相近，但是在使用過(guò)程中仍有差距[10]。復(fù)合片除了高耐磨、高沖擊強(qiáng)度以外，其第三個(gè)性能一高耐熱性顯得尤為重要，它直接導(dǎo)致PDC的熱損壞。當(dāng)PDC受到熱侵蝕后，其金剛石層中的金剛石受到碳化和氧化以及產(chǎn)生裂紋，因此這也是PDC損壞的重要原因之一，因此高質(zhì)量的復(fù)合片除了具備高耐磨性，高沖擊強(qiáng)度以外，還需要具備高耐熱性。

5.2.2復(fù)合片改進(jìn)措施

（1）進(jìn)行復(fù)合片表面拋光處理。由于泥巖本身顆粒細(xì)微，在鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的巖粉具有很強(qiáng)的吸附能力，很容易黏附在復(fù)合片表面，形成一層巖粉墊。因此對(duì)于復(fù)合片來(lái)說(shuō)，可以將其表面進(jìn)行拋光處理，使之表面成為鏡面，使得鉆進(jìn)中產(chǎn)生的巖粉巖復(fù)合片鏡面迅速排排除，防止巖粉墊的形成，從而有利于提高機(jī)械鉆速。

（2）改造復(fù)合片的齒形結(jié)構(gòu)。對(duì)于三疊系泥巖這種結(jié)構(gòu)十分致密的泥巖，復(fù)合片壓人是十分困難的，在孔底三軸應(yīng)力的包圍下，壓人泥巖顯得更加困難。為此，應(yīng)當(dāng)將復(fù)合片設(shè)計(jì)成齒形，在鉆進(jìn)時(shí)可在孔底形成多個(gè)白由面，即多個(gè)齒形環(huán)，使巖石產(chǎn)生拉應(yīng)力破碎。依據(jù)泥巖的成分、硬度、結(jié)構(gòu)等，可以將復(fù)合片設(shè)計(jì)成單齒的，兩齒的和四齒的，其中單齒的和V型片結(jié)構(gòu)類似。齒形復(fù)合片示意圖如圖10所示。

（3）增強(qiáng)復(fù)合片胎體的抗沖擊韌性和抗彎強(qiáng)度。如若采用齒形復(fù)合片，則鉆頭胎體后支撐則同樣為齒形。常規(guī)圓片型復(fù)合片的后支撐為半圓形，齒形后支撐相對(duì)于半圓形后支撐相比，其抗彎強(qiáng)度明顯不如前者，因此需要增強(qiáng)胎體的抗沖擊韌性和抗彎強(qiáng)度。復(fù)合片后支撐類型示意圖如圖11所示。

（4）增大鉆頭水路空間。水路一般可分為三部分，即內(nèi)水槽、外水槽、底水口，為及時(shí)排除巖粉，有效冷卻PDC復(fù)合片，應(yīng)在合理的前提下盡量增大水路空間。為增大底水口，可將復(fù)合片底出刃設(shè)計(jì)為全出刃鑲嵌，外水口可設(shè)計(jì)為超徑鉆頭，內(nèi)水槽設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到胎體內(nèi)徑、鋼體的內(nèi)徑和內(nèi)環(huán)狀間隙，防止泥巖巖芯膨脹并使其順利進(jìn)入巖芯管。齒形復(fù)合片鉆頭和細(xì)齒狀復(fù)合片鉆頭如圖12、圖13所示。

6.結(jié)論

（1）ZK7057孔使用的PDC鉆頭，在進(jìn)入800m的三疊致密泥巖之后，鉆孔效率低，平均機(jī)械鉆速低至0.2m/h，進(jìn)尺緩慢，同時(shí)增加了鉆頭的切削磨損程度，在現(xiàn)場(chǎng)頻繁更換鉆頭，極大延長(zhǎng)了鉆井時(shí)間，嚴(yán)重影響鉆井效率。

（2）由于三疊系泥巖致密造成鉆進(jìn)困難，鉆頭異常磨損、掉齒、斷齒。復(fù)合片的異常消耗導(dǎo)致鉆速降低，復(fù)合片碎裂、崩片、金剛石層脫落，巖粉吸附力強(qiáng)，切削碎屑清洗不及時(shí)導(dǎo)致進(jìn)尺緩慢。

（3）在鉆孔工作中，推薦使用屋脊片（V型）復(fù)合片鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，同時(shí)通過(guò)對(duì)復(fù)合片進(jìn)行表面拋光處理、改造復(fù)合片的齒形結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)復(fù)合片胎體的抗沖擊韌性和抗彎強(qiáng)度、增大復(fù)合片鉆頭水路空間來(lái)提高鉆進(jìn)效率。

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