諸廣南地區(qū)S75 繩索取心金剛石鉆頭選型研究

王康，童俊濤，呂文軍，曾令，莫崇柳

（核工業(yè)二九〇研究所，廣東 韶關(guān) 512029）

鈾礦鉆探施工過程中，鉆頭的合理選型對完成國家戰(zhàn)略性鈾礦勘查任務(wù)、提高鉆探效率具有十分重要的意義［1］。前人對鉆頭優(yōu)選方法進(jìn)行了大量研究，提出了多種優(yōu)選方法［2-6］。地質(zhì)巖心鉆探中，常用巖石可鉆性作為反映地層性質(zhì)的重要參數(shù)，并據(jù)此進(jìn)行鉆頭優(yōu)選。優(yōu)選出的鉆頭鉆進(jìn)匹配地層時(shí)能極大提高鉆進(jìn)速度，但同一鉆孔鉆遇巖層存在較大差異，導(dǎo)致優(yōu)選鉆頭的地層適應(yīng)性較差。在石油鉆井領(lǐng)域，由于設(shè)備性能、工藝方法等的不同，采用的鉆頭選型方法也相應(yīng)有所不同。通用的選型方法包括根據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)確定的地層綜合系數(shù)法、建立聲波時(shí)差與巖石可鉆性關(guān)系的模型法；在鉆頭使用資料較多的工區(qū)，根據(jù)鉆頭使用效果進(jìn)行鉆頭優(yōu)選，如灰色關(guān)聯(lián)分析法、灰色聚類法、經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)法、比能法、每米成本法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。諸廣南地區(qū)地質(zhì)巖心鉆探主要使用S75 繩索取心孕鑲金剛石鉆頭，由于鉆頭生產(chǎn)廠家多、型號雜，使用效果參差不齊。因此，有必要開展鉆頭優(yōu)選方法的分析，本文結(jié)合諸廣南地區(qū)多年鉆頭使用資料，選取多種前人提出的優(yōu)選方法，探索適用于諸廣南地區(qū)的鉆頭優(yōu)選方法。

1 項(xiàng)目概況

1.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

諸廣巖體位于南嶺EW 向構(gòu)造巖漿帶中段，處于閩贛后加里東隆起西南邊緣，與北、西、南的萍樂、粵北海西-印支坳陷相接壤。區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)頻繁，根據(jù)巖體的侵入關(guān)系、巖相、巖性對比等資料，將區(qū)內(nèi)侵入巖劃分為6 個(gè)侵入階段，8 次侵入活動(dòng)［7-9］（圖1）。鉆遇的巖石主要為細(xì)～中粗粒二云母花崗巖、碎裂花崗巖和硅化花崗巖［10］。巖石為塊狀構(gòu)造，斑狀、似斑狀花崗結(jié)構(gòu)。主要由長石、石英、黑云母和白云母組成，其中長石占65% 左右，石英占25%左右。巖石的力學(xué)測試結(jié)果表明完整巖石硬度大，研磨性中等，可鉆性介于8～9 級之間，部分孔段巖石裂隙發(fā)育，研磨性較強(qiáng)，可鉆性介于6～7 級之間（表1）。

表1 巖石壓入硬度測試結(jié)果Table 1 Test results of rock indentation hardness

圖1 諸廣南地質(zhì)簡圖（據(jù)參考文獻(xiàn)［7］修改）Fig.1 Geological sketch of South Zhuguang Area（Modified after Reference［7］）

1.2 項(xiàng)目概況

根據(jù)諸廣南地區(qū)地層條件及現(xiàn)有設(shè)備，使用XY—44A 立軸式鉆機(jī)，配HCX—13 斜直兩用四腳塔，BW—250 泥漿泵，SJ—1 取心絞車。鉆進(jìn)工藝主要為繩索取心鉆進(jìn)，沖洗液為無固相沖洗液。

鉆孔傾角為75°，鉆孔深度一般小于1 000 m。三開孔身結(jié)構(gòu)，一開為Φ110 mm 硬質(zhì)合金鉆頭開孔，鉆穿第四系地層后下入Φ108 mm 套管，保護(hù)孔口；二開為S95 繩索取心鉆進(jìn)至基巖層，下入Φ89 mm 套管；三開為S75 繩索取心鉆進(jìn)至終孔。S75 繩索取心鉆具組合為：Φ75 mm 孕鑲金剛石鉆頭+Φ75.5 mm 擴(kuò)孔器+Φ73 mm 巖心管+Φ71 mm鉆桿+變徑接手+主動(dòng)鉆桿+水接頭。

鉆進(jìn)時(shí)，底唇面比壓介于0.8～1.1 kN·cm-2之間；由于孕鑲金剛石鉆頭出刃量較小，靠高轉(zhuǎn)速獲取碎巖效率，根據(jù)XY—44A 鉆機(jī)性能，轉(zhuǎn)速設(shè)置介于463～660 r·min-1之間；根據(jù)俄羅斯專家提出的孕鑲金剛石鉆探孔底巖屑利于自銳的巖屑方程［11］及現(xiàn)有BW—250 泥漿泵的性能，泵量設(shè)置為52 L·min-1。

2 鉆頭優(yōu)選

2.1 巖石可鉆性法

巖石可鉆性是在一定鉆進(jìn)條件下巖石抵抗鉆頭破碎它的能力，是地質(zhì)巖心鉆探常用的鉆頭選型依據(jù)。根據(jù)諸廣南地區(qū)巖石類型及其壓入硬度測試結(jié)果（表1），確定其可鉆性等級，完整花崗巖的可鉆性介于8～9 級之間，若發(fā)育裂隙則可鉆性介于6～7 級之間。據(jù)此，結(jié)合繩索取心鉆進(jìn)工藝，對S75 鉆頭進(jìn)行初步篩選：金剛石濃度介于80%～100%之間，目數(shù)為40/60；胎體洛氏硬度（HRC）介于20～35 之間，硬度整體較軟，利于出刃；鉆頭底唇為同心環(huán)齒，提高鉆進(jìn)速度；水口介于8～10 個(gè)之間。

在鉆進(jìn)前，根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)預(yù)測的地層巖性，確定巖石可鉆性，提前規(guī)劃好鉆頭選型方案。在裂隙發(fā)育、破碎地層使用胎體硬度較高，水口數(shù)量較多的鉆頭，提高耐磨性及排渣能力；在地層較為完整的孔段使用胎體硬度較低，水口數(shù)量較少的鉆頭，保證金剛石正常出刃。

使用巖石可鉆性法，在諸廣南地區(qū)取得了一定成效，但優(yōu)選出的鉆頭性能波動(dòng)范圍較大，機(jī)械鉆速介于0.5～2.5 m·h-1之間，鉆頭壽命介于20～150 m 之間，還需要進(jìn)一步對比其他優(yōu)選方法。波動(dòng)大可能的原因有以下3 點(diǎn)：1）地質(zhì)設(shè)計(jì)預(yù)測的地層與實(shí)際地層存在出入，鉆頭方案與實(shí)際鉆遇地層不匹配；2）機(jī)班長在現(xiàn)場無法精準(zhǔn)地確定巖石可鉆性，根據(jù)前次鉆頭的表現(xiàn)來確定下一個(gè)鉆頭的選擇，存在誤差；3）極少部分機(jī)班長操作失誤，導(dǎo)致鉆頭異常消耗。

2.2 根據(jù)鉆頭使用效果優(yōu)選

2.2.1數(shù)據(jù)收集

收集2018—2020 年諸廣南地區(qū)6 臺XY—44A 巖心鉆機(jī)的S75 繩索取心金剛石鉆頭使用情況數(shù)據(jù)，綜合考慮3 個(gè)子工區(qū)的鉆頭，以鉆速1.5 m·h-1，鉆頭壽命50 m 為界限，進(jìn)行篩選。篩選后的鉆頭金剛石濃度為100%，粒度為40/60 目，底唇為同心環(huán)齒。根據(jù)胎體硬度和水口數(shù)量可以分為4 種類型，分別編號A、B、C、D，并統(tǒng)計(jì)其成本、平均鉆速和進(jìn)尺（圖2、表2、3）。

圖2 鉆頭照片F(xiàn)ig.2 Photos of drill bits

表2 初步篩選后的鉆頭類型Table 2 Result of bit type after preliminary screening

表3 不同型號鉆頭的鉆頭壽命及機(jī)械鉆速Table 3 Life and mechanical drilling speed of different types of drill bits

2.2.2時(shí)間因素分析法

鉆探總時(shí)間［12-14］由純鉆進(jìn)時(shí)間t1、提下鉆時(shí)間t2、打撈巖心時(shí)間t3和加單根時(shí)間t4組成（式1）。在正常鉆進(jìn)的條件下，鉆頭壽命控制了提下鉆間隔，影響了提下鉆時(shí)間，機(jī)械鉆速影響的是純鉆時(shí)間。

式中：D—鉆孔深度（取每個(gè)工區(qū)的平均鉆孔深度，黃竹坪工區(qū)平均孔深為693 m，9 號帶南平均孔深為731 m，長排東南平均孔深為709 m），m；v1—機(jī)械鉆速，m·h-1；v2—提下鉆速度（提鉆和下鉆速度取平均值200 m·h-1），m·h-1；h—提下鉆間隔（在正常鉆進(jìn)下，即為鉆頭壽命），m；s—打撈巖心間隔（取3 m），m；v3—打撈巖心速度（取3 600 m·h-1），m·h-1；l—加單根間隔深度（取3 m），m；t—每次加單根所需時(shí)間（取2 h），h。

通過理論分析鉆進(jìn)不同孔深耗時(shí)［12］，繩索取心鉆進(jìn)在淺孔耗時(shí)略大于提鉆鉆進(jìn)，即提鉆間隔對其耗時(shí)影響較小。在淺孔中使用機(jī)械鉆速較大的鉆頭以提高純鉆時(shí)間，在中深孔中使用壽命較高的鉆頭以減少提下鉆次數(shù)。根據(jù)時(shí)間因素優(yōu)選鉆頭結(jié)果如表4 所示。

表4 根據(jù)時(shí)間因素分析法的鉆頭優(yōu)選結(jié)果Table 4 Drill bit selection results based on time factor analysis

2.2.3經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)法

鉆頭經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)Ib最早應(yīng)用于渤海油田［14-16］。綜合了鉆頭壽命、機(jī)械鉆速和鉆頭成本3 個(gè)因素來進(jìn)行鉆頭性能評價(jià)（式2），經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)越大，說明該鉆頭效果越好（表5）。

表5 根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)法的鉆頭優(yōu)選結(jié)果Table 5 Drill bit selection result based on economic benefit index method

式中：F—鉆頭總進(jìn)尺，m；vROP—機(jī)械鉆速，m·h-1；Cb—鉆頭成本，元；a—系數(shù)，一般取0.6。

2.2.4灰色聚類法

灰色聚類法是以灰色統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，建立在灰色關(guān)聯(lián)矩陣或者灰數(shù)的白化函數(shù)生成基礎(chǔ)上的方法［17-21］。對于鉆頭選型而言，給出每個(gè)鉆頭性能指標(biāo)優(yōu)、良、差的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)后，求其聚類標(biāo)準(zhǔn)的聚類系數(shù)，比較聚類系數(shù)大小，即可得出結(jié)果。其公式如下：

式中：σjk—第i個(gè)聚類對象對于第k個(gè)灰類的聚類系數(shù)；fkj(xij)—第j個(gè)聚類指標(biāo)對于第k個(gè)灰類的標(biāo)準(zhǔn)聚類函數(shù)；ηjk—第j個(gè)聚類指標(biāo)對應(yīng)的第k個(gè)灰類的聚類權(quán)。

式中：λjk—第j個(gè)聚類指標(biāo)對應(yīng)的第k個(gè)灰類白化函數(shù)的臨界值。

式中：λjk—第j個(gè)聚類指標(biāo)對應(yīng)的第k個(gè)灰類白化函數(shù)的閥值。

通過選取鉆頭壽命、機(jī)械轉(zhuǎn)速、純鉆時(shí)間和成本4 個(gè)指標(biāo)（表2），使用灰色聚類法，確定灰類白化函數(shù)，算出不同工況下鉆頭的聚類系數(shù)，對于“優(yōu)”“良”“差”的3 個(gè)檔 次 的 聚 類 系 數(shù)越大，說明該鉆頭在某個(gè)檔次是最優(yōu)選擇（表6）。例如黃竹坪淺孔，D 鉆頭的聚類系數(shù)在“優(yōu)”檔中最大，為0.981 1，根據(jù)灰色聚類法，可以認(rèn)為D 鉆頭的效果最好，依次類推，可以得出C 鉆頭使用效果良好，A 鉆頭使用效果最差。

表6 根據(jù)灰色聚類法的鉆頭優(yōu)選結(jié)果Table 6 Drill bit selection results based on grey clustering method

2.3 討論

通過對諸廣南地層巖性的分析，根據(jù)巖石可鉆性確定了鉆頭選型的基本范圍。使用初步篩選后的鉆頭，取得了一定效果，但由于地層與人員的原因，鉆頭機(jī)械鉆速和鉆頭壽命波動(dòng)范圍較大，對不同巖層的適應(yīng)性較差。對比后3 種優(yōu)選方法，通過鉆頭使用結(jié)果來評價(jià)其在某一地區(qū)的整體效果，具有一定的地層適應(yīng)性。優(yōu)選結(jié)果由于其側(cè)重點(diǎn)不同，出現(xiàn)個(gè)別差異（表7）?？梢钥闯鳇S竹坪淺孔和9 號帶南中深孔經(jīng)過優(yōu)選后，存在B 和D 鉆頭的選擇差異；長排東南時(shí)間因素分析和經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)優(yōu)選出的是A 鉆頭，而灰色聚類法優(yōu)選出的是C 鉆頭，長排東南中深孔A 鉆頭的鉆速和壽命均高于C 鉆頭，灰色聚類法出現(xiàn)明顯優(yōu)選失敗。

表7 根據(jù)鉆頭使用效果的優(yōu)選結(jié)果對比Table 7 Comparison of the optimal results according to the use effect of the drill bits

3 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)及分析

通過以上理論分析，不同方法的優(yōu)選結(jié)果存在一定差異性，為了驗(yàn)證不同方法優(yōu)選出的差異結(jié)果，在黃竹坪同一地層、同一個(gè)機(jī)臺施工的兩個(gè)鉆孔進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)（表8）。

由表8 可見，ZK14-4 使用巖石可鉆性法優(yōu)選鉆頭，孔深為820 m，選取71～491 m 孔段的鉆頭；ZK14-6 使用后3 種優(yōu)選方法選擇鉆頭，孔深490 m，選取24～490 m 孔段的鉆頭。ZK14-6 較ZK14-4 鉆頭平均壽命高29.44%，平均機(jī)械鉆速高9.64%，平均每米成本低24.10%，驗(yàn)證了根據(jù)鉆頭使用效果進(jìn)行鉆頭優(yōu)選效果更好。單看ZK14-6，在淺孔中B 鉆頭較D 鉆頭平均壽命高20%，平均機(jī)械鉆速高2.38%，平均每米成本低30.56%，B 鉆頭更適于黃竹坪淺孔，與經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)法和時(shí)間因素分析法結(jié)果吻合，而灰色聚類法優(yōu)選失敗。

表8 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)鉆頭數(shù)據(jù)表Table 8 Field test data of drill bits

綜上所述，灰色聚類法計(jì)算過程復(fù)雜，存在優(yōu)選結(jié)果失敗的風(fēng)險(xiǎn)；時(shí)間因素法未考慮到鉆頭成本這一指標(biāo)，存在一定的片面性，但其方法簡單，適用于鉆探現(xiàn)場臨時(shí)使用；經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)法既考慮了鉆頭壽命和鉆速，也考慮了鉆頭成本，最大化效率的同時(shí)也兼顧了經(jīng)濟(jì)效益，從整個(gè)項(xiàng)目施工角度來看，是最優(yōu)的鉆頭優(yōu)選方法。

4 結(jié) 論

1）根據(jù)巖石可鉆性進(jìn)行鉆頭選型是最基礎(chǔ)，也是最重要的方法，在諸廣南地區(qū)使用該方法，確定了鉆頭選擇的大致范圍，但其優(yōu)選鉆頭使用效果波動(dòng)范圍較大。

2）通過幾種常用鉆頭優(yōu)選方法對比，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出時(shí)間因素法適用于鉆探現(xiàn)場臨時(shí)使用，經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)法為最優(yōu)的鉆頭選型方法，適用于項(xiàng)目整體鉆頭選型規(guī)劃。