從PDC與牙輪鉆頭的特點談鉆頭對鉆井卡層的影響

楊云龍

【摘要】隨著鉆進工藝水平的的不斷提高，PDC鉆頭在提高鉆井速度、降低鉆井成本，使得牙輪鉆頭漸漸被PDC鉆頭代替。但由于PDC鉆頭的鉆屑細小而給鉆井卡層帶來諸多困難，使得預(yù)探井在目的層內(nèi)的鉆頭選擇有了疑問，為深層油藏資源勘探開發(fā)提供保障。

【關(guān)鍵詞】牙輪鉆頭 PDC鉆頭 鉆井卡層

1 牙輪鉆頭特點

1.1牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)特點

以215.9mm金屬密封江漢鑲齒三牙輪鉆頭FJ517G 為例：

1、采用浮動軸承結(jié)構(gòu)，浮動元件由高強度、高彈性、高耐溫性、高耐磨性特點的新材料制成，表面經(jīng)固體潤滑劑處理。在降低軸承副相對線速度的同時，減少摩擦面溫升，能有效提高高鉆壓或高轉(zhuǎn)速鉆井工藝條件下的軸承壽命和軸承可靠性。

2、采用高精度的金屬密封。金屬密封由一副精心設(shè)計加工的金屬密封環(huán)作為軸承軸向動密封，兩個高彈性的橡膠供能圈分別位于牙掌和牙輪密封區(qū)域內(nèi)作為靜密封，優(yōu)化的密封壓縮量確保了兩個金屬環(huán)密封表面始終保持良好接觸。

3、鋼球鎖緊牙輪，適應(yīng)高轉(zhuǎn)速。

4、采用可限制壓差并防止鉆井液進入潤滑系統(tǒng)的全橡膠儲油囊，為軸承系統(tǒng)提供了良好的潤滑保證。

5、采用可耐250°C高溫、抗磨損的新型潤滑脂。

6、鑲齒鉆頭采用高強度高韌性硬質(zhì)合金齒，優(yōu)化設(shè)計的齒排數(shù)、齒數(shù)、露齒高度和獨特的合金齒外形，充分發(fā)揮了鑲齒鉆頭高耐磨性和優(yōu)異的切削能力。鋼齒鉆頭齒面敷焊新型耐磨材料，在保持鋼齒鉆頭高機械鉆速的同時，提高了鉆頭切削齒壽命

1.2 牙輪鉆頭工作特點

牙輪鉆頭是石油鉆井中使用最廣泛的鉆頭。這是由于牙輪鉆頭旋轉(zhuǎn)時具有沖擊、壓碎和剪切破碎巖石的作用，牙齒與井底的接觸面積小，比壓高、工作扭矩小、工作刃總長度大等。因而使牙輪鉆頭能適用于多種性質(zhì)的巖石。

1.3 牙輪鉆頭造屑機理

牙輪鉆頭是依靠牙輪繞鉆頭軸線的公轉(zhuǎn)與牙輪繞自身軸線的自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的沖擊壓碎作用和滑動剪切作用來破碎巖石的。其作用包括：沖擊壓碎作用、滑動剪切作用、牙齒本身的剪切作用。這三點決定了所鉆巖屑較大，便于卡層時獲得更好的巖層數(shù)據(jù)，進而更加準確的確定目的層的所在。

2 PDC鉆頭特點

2.1 PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)特點

1.采用爪型設(shè)計：PDC鉆頭的性能在很大程度上取決于切削齒的質(zhì)量，PDC鉆頭都采用了高質(zhì)量爪型齒和環(huán)形齒，經(jīng)過與其它類型復(fù)合片對比試驗分析，證明它具有抗 剪強度高、耐沖擊、壽命長、熱穩(wěn)定性能好的特點。

2.大刀翼設(shè)計：全部PDC鉆頭系列的刀翼進行加高加大，采用超大排屑流道設(shè)計，可以更加有效的運移鉆屑，清洗鉆頭，防止鉆頭泥包，提高機械鉆速。

3.抗回旋：采用力學(xué)平衡設(shè)計，對PDC鉆頭進行螺旋保徑設(shè)計、軌道布齒設(shè)計、緩沖塊設(shè)計以保證鉆頭抗回旋性能。

4.防泥包涂層：PDC鉆頭可根據(jù)地層情況進行防泥包涂層設(shè)計，采用獨特的對鉆頭表面負離子處理技術(shù)，使鉆頭表面帶有負電荷，在鉆頭周圍形成一個陽板，形成電流，鉆頭與鉆井液之間形成一個水的集區(qū)，其作用就如同潤滑劑或象隔板，在鉆進中，泥頁巖鉆屑中的負離子與鋼體表面的負電荷相斥，從而起到防泥包的效果。

2.2 PDC鉆頭的工作特點

PDC全稱Polycrystalline Diamond Compact（聚晶金剛石復(fù)合片），這類鉆頭是油氣鉆井中針對中軟地層而開發(fā)的新型鉆頭。近年被越來越廣泛的應(yīng)用，PDC鉆頭的優(yōu)越性顯而易見，與傳統(tǒng)牙輪鉆頭，PDC鉆頭有著明顯的優(yōu)勢;鉆井速度快，可以提高機械鉆速，降低鉆井成本;使用壽命長，減小起下鉆次數(shù)，降低工人勞動強度，輔助時間少，適應(yīng)地層廣。低鉆壓剪切均勻破碎，有利于防斜，安全系數(shù)大。沒有掉牙輪的風(fēng)險，事故發(fā)生概率較小。不過PDC存在一些缺點：要求井底干凈，禁止井下有金屬落物;對井壁進行修復(fù)功能不如牙輪鉆頭;所鉆巖屑較小，雖便于泥漿攜帶，保持井底干凈，但給錄井卡層帶來了很大困難。

2.3 PDC鉆頭造屑機理

PDC鉆頭破碎巖石的方式主要是剪切作用。從巖石破碎強度可知，巖石抗剪切強度遠低于巖石的抗壓強度（為抗壓強度的0.09—0.15倍），PDC鉆頭正是利用巖石的這一特征實現(xiàn)其高速鉆進。PDC鉆頭在扭矩力的作用下。復(fù)合片刮切巖石時生成的巖屑會沿著金剛石表面上移，直至與復(fù)合片脫離，通過巖石在切削齒邊緣處的破碎，鉆頭的切削能量得到高效釋放。然而，在很多情況下，巖屑所承受的壓力過大使其緊貼切削齒表面。從而生產(chǎn)阻礙巖屑移動的摩擦力。這種摩擦力往往可以積累到相當(dāng)高的程度，以至于會造成巖屑在切削齒邊緣的堆積。這種現(xiàn)象一旦發(fā)生，井底巖石的運移就不再是直接依靠切削齒的邊緣，而是通過切削齒表面積累的巖屑自身來完成。這種現(xiàn)象在鉆頭后期表現(xiàn)的尤為突出。

3 不同鉆頭對鉆井卡層的影響

PDC鉆頭的高轉(zhuǎn)速、低鉆壓、高排量鉆頭的使用提高了鉆井的速度、降低了鉆井的成本、明顯增加了鉆井的經(jīng)濟效益，但與此同時卻給地質(zhì)錄井中工作帶來諸多困難，鉆頭鉆出的巖屑極其細小，給鉆井卡層帶來了較大的難度。鉆井卡層是通過巖屑建立巖性剖面、劃分地層，鉆井巖屑細小，無疑是對巖性剖面的恢復(fù)帶來極大的影響。首先：巖屑取、洗樣的難度加大。由于所鉆巖屑細小。甚至部分巖屑呈粉沫狀，在鉆井液中較少通過振動篩從鉆井液中分離出來，導(dǎo)致?lián)迫〉降膸r屑數(shù)量較少。其次：加大了巖屑觀察、描述、分層定名、百分比估計的難度。由于巖屑細小，有的甚至為粉末狀.給正確的巖屑描述觀察、挑樣、定名等判定帶來了很大的難度，嚴重影響巖性剖面符合率。另外砂、泥巖鉆時區(qū)別不大（特別是淺層）。因此鉆時在剖面恢復(fù)的過程中的作用明顯較牙輪鉆頭的鉆時要小。再次：撈砂時間與鉆進時間搭配不合理，如果是勘探井或油氣顯示加密段，當(dāng)采樣間距縮小時，采樣就更無法跟上鉆頭進尺，從而造成卡層困難.砂樣的質(zhì)量及代表性變差。PDC鉆頭鉆出的巖屑極其細小，給地質(zhì)剖面的恢復(fù)帶來了較大的影響。

例如冀東油田某井：

該井地質(zhì)設(shè)計4096米，預(yù)計垂深3430米處東三段遇油層取芯，使用PDC鉆頭鉆進至設(shè)計井深后由于機械鉆時短、砂樣細小、砂樣混雜，無法進行卡層工作。后起鉆更換牙輪鉆頭，鉆進至4125米發(fā)現(xiàn)含油砂巖，并更換取芯鉆桶取芯，取芯后效果良好。該井鉆頭使用的事實支持了上文了觀點。綜上所述，鉆進卡層，尤其預(yù)探井的鉆井卡層，使用牙輪鉆頭可以有效分析識別具有代表性的巖屑，以提高巖屑真實性及地層剖面的符合率。

參考文獻：

[1]王清江. 定向鉆井技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2016.

[2]馬德坤. 牙輪鉆頭工作力學(xué)[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2009.

[3]周筑寶，唐松花. 基于最小耗能原理的巖石破壞理論與巖爆研究[M]. 北京：科學(xué)出版社，2017.

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