滄州鹽礦古近系塑脆性地層取心鉆頭選型研究

景 龍，李 偉

（1.河北省地礦局第三水文工程地質大隊，河北 衡水 053000；2.河北省地熱資源開發(fā)研究所，河北 衡水 053000；3.河北省地礦局第四水文工程地質大隊，河北滄州 061000）

滄州鹽礦普查項目鉆探工程完成了3眼勘探孔，鉆探深度3000～3451 m，取心段為1650～3451 m，均為古近系層段。三眼鉆孔取心總長度3791 m，鉆探孔徑215.9 mm，巖心直徑90～101 mm。鉆探工程作為項目實施的重點工作，因耗時長、成本高、難度大等直接影響著項目的進展。以CY1鉆孔1650～3000 m取心鉆進施工為例，純鉆耗時占到53%［1］。因鉆頭選型是提高鉆探效率的關鍵，工區(qū)內無經(jīng)驗可循，針對巖層鉆進特性，有必要進行鉆頭選型探討。

1 工區(qū)地層鉆進特性

取心層段鉆遇主要為塑脆性巖石，根據(jù)孔內鉆進效果，結合地層巖石力學特性，將工區(qū)內塑脆性巖石劃分為彈塑性層段和脆性層段。

1.1 彈塑性層段

彈塑性層段以古近系東營組（Ed）、沙一段（Es1）、沙二段（Es2）為主，含部分沙三段（Es3），底界深度一般在2300～2500 m，巖性以泥巖、泥灰?guī)r為主，地層半固結-固結。

該層段巖石硬度低，根據(jù)典型樣品測試結果，抗壓入硬度多數(shù)為140～400 MPa，巖石密度2.2～2.7 g/cm3，其單軸抗壓強度檢測值在11～38 MPa（見表1），地層可鉆性一般為2～5級，通過巖樣分析結果可知，地層礦物主要成分為粘土礦物、石英、碳酸鹽礦物（見圖1）。

表1 工區(qū)地層巖石單軸抗壓強度統(tǒng)計Table 1 Summary of uniaxial compression strength of rock in the work area

圖1 工區(qū)巖石礦物成分含量分析Fig.1 Analysis chart of rock mineral composition in the work area

地層具有一定膠結性，但固結稍差，部分巖心內鉆取試驗小樣不能成型（見圖2）。實測巖心塑性系數(shù)為1.44～2.12，屬低塑性巖石，因受到地層圍壓影響，鉆進中表現(xiàn)出典型的彈塑性特征［2］，類似“膠皮”層，調整鉆進參數(shù)，鉆速無明顯提高。首眼鉆孔施工初期，鉆頭選型沒有經(jīng)驗，取心機械鉆速僅為0.47～0.79 m/h，且采取率＜70%。該層段取心鉆頭選型重點解決提高機械鉆速和取心質量兩個問題。

圖2 巖心試驗小樣Fig.2 Sample of core test

1.2 脆性層段

脆性層段以古近系沙三段（Es3）、沙四段（Es4）為主，深度一般從2300～2500 m開始，底界埋深差異較大，與沉積環(huán)境有關。上部巖性以泥巖、泥灰?guī)r、含砂質泥巖為主，下部為含鹽膏層段，巖性以泥灰?guī)r、石膏泥巖、石膏層、石鹽礦層為主，地層固結。

該層段巖石抗壓入硬度多數(shù)達400～720 MPa，巖石密度2.2～2.9 g/cm3，其單軸抗壓強度檢測值在14～74 MPa（見表1），地層可鉆性一般為3～5級。通過典型樣品分析結果可知，地層礦物主要成分為石英、碳酸鹽礦物、長石、石膏、粘土礦物（見圖1）。

地層表現(xiàn)出明顯的脆性特征，巖石硬度普遍較高，局部層段軟硬不均，互層狀發(fā)育。地層膠結強度高，取心質量容易保證，鉆頭的選型重點考慮高效耐磨以實現(xiàn)提速。

2 鉆頭選型原則

鉆頭是提高機械鉆速的重要因素。只有適宜的鉆頭型式，方能達到安全、高效、低耗的鉆進指標。工區(qū)內無可借鑒的古近系連續(xù)取心案例，鉆頭選型難度大。綜合分析地層特性、技術要求等多方因素，提出鉆頭選型原則：

（1）根據(jù)工區(qū)地層鉆進特性選型。在較淺部的以彈塑性為特征的巖層，巖石硬度偏低，重點嘗試使用硬質合金切削齒鉆頭，以剪切碎巖方式提高鉆效。深部以脆性為特征的巖層，宜使用耐磨性較好的復合片切削齒鉆頭，以壓切碎巖提高鉆效。

（2）根據(jù)鉆探工藝進行選型。巖心口徑（90～101 mm）與鉆孔口徑（216 mm）級差大，全面破碎面積占83%，居主導地位，需要充分借鑒小口徑鉆探鉆頭和大口徑全面破碎鉆頭的結構型式，分析各類鉆頭碎巖方式的基礎上進行選型。

（3）根據(jù)經(jīng)驗選型。結合巖石力學特性、其它工區(qū)類似工程［3-7］以及以往實施的深部鉆探工作經(jīng)驗［8-14］進行鉆頭優(yōu)選。

（4）根據(jù)實鉆效果選型。在勘探孔施工過程中，根據(jù)每個回次機械鉆速、取心質量、鉆頭磨損等因素選型，即對每個回次的鉆進參數(shù)、鉆頭型號進行記錄，把取心質量好、機械鉆速高的鉆頭優(yōu)選出來。

按照上述原則完成了首眼鉆孔鉆頭的選型及研究工作，后期又逐步改進，高效地完成了其余兩眼鉆孔的取心任務。

3 鉆頭選型過程

鉆探過程中，在鉆頭的選型、改型上不斷進行試驗，三眼鉆孔完成的263個回次取心中，累計使用了硬質合金、復合片、巴拉斯3類15種鉆頭，其中硬質合金類鉆頭7種，復合片類鉆頭7種，巴拉斯類鉆頭1種，各種鉆頭結構特征及試驗數(shù)據(jù)見表2，不同結構類型的鉆頭鉆速懸殊。

3.1 彈塑性層段鉆頭選型

在首眼鉆孔（CY1孔）彈塑性層段鉆進中，開始選擇了市場廣泛應用的硬質合金刮刀類、PDC類鉆頭，均出現(xiàn)鉆速低、取心質量差的問題。通過5次改進、多回次試驗，針對既有一定硬度又具彈塑性的淺部古近系層段研發(fā)而成H-4-Ⅱ型硬質合金鉆頭（專利號ZL201720689738.2）。鉆頭胎體為圓筒狀，材質為35CrMo，上部連接取心筒外筒，底部外形為錐面，內部成臺階狀，鉆頭結構及實物見圖3、圖4。

圖3 H-4-Ⅱ型鉆頭結構示意Fig.3 Structure of H-4-Ⅱbit

圖4 H-4-Ⅱ型鉆頭Fig.4 H-4-Ⅱdrill bit

?

3.1.1結構特征

（1）弧形翼片。4個翼片加工呈弧形，呈臺階面。鉆頭破碎面呈不同高度的臺階，增加了破碎自由面，提高了破碎效率；將翼片設計為弧形，翼片前方剪切破碎的巖屑易于排除，弧形翼片減少沖洗液上返流動阻力，避免重復破碎；階梯式環(huán)狀孔底結構（見圖5）有利于中心巖心進入取心內筒，減少對巖心的擾動，有利于提高巖心采取率。

圖5 階梯式環(huán)狀孔底示意Fig.5 Stepped annular shaped hole-bottom

（2）薄片式硬質合金切削刃。主切削刃采用薄片式硬質合金，累計16塊，刃角75°；輔助切削刃采用方柱和長柱狀硬質合金，累計20塊；鑲嵌方式均為直鑲。將硬質合金片嵌焊于鉆頭翼片的迎層面上，有利于切削破碎，選用薄片式硬質合金為主切削刃，有利于增加對塑性巖石的切入深度。

（3）底噴式水眼。在鉆頭內臺肩上均勻加工16個?10 mm底噴式水眼，可及時清除巖屑，減少重復破碎，降低泵壓，同時也可以起到保護巖心減少沖刷的作用。

3.1.2 碎巖效率分析

根據(jù)鉆頭結構特點，進行鉆頭碎巖效率分析。合金塊切入彈塑性巖石時受力情況見圖6。根據(jù)受力圖，按照力學平衡原理，當磨銳式鉆頭上的切削具未磨鈍時推算H-4-Ⅱ型鉆頭硬質合金齒切入地層深度h0見式（1），機械鉆速預測見式（2）［15］。

圖6 硬質合金切削齒碎巖受力示意Fig.6 Load on the carbide cutting teeth when cutting rocks

式中：Py——切削齒上的軸向力，常規(guī)鉆壓40 kN，單塊合金承受軸向力2.5 kN；b——切削具的刃寬，取15 mm；β——切削具的刃角，取75°；Hy——巖石的壓入硬度，取值140～400 MPa；η——考慮到摩擦力的系數(shù)，取值0.88～0.97，工區(qū)取0.90；v——機械鉆速，m/h；m——鉆頭翼片數(shù)，取4；n——鉆頭轉數(shù)，取心鉆進取50 r/min；t——鉆進時間，取60 min。

結合現(xiàn)場鉆進參數(shù)計算，對于彈塑性巖層段，硬質合金在未磨損時切入深度h0可達到0.28～0.10 mm，此時機械鉆速可達到1.20～3.36 m/h?？梢?，選用硬質合金切削刃在彈塑性層鉆進可行，鉆頭碎巖效率較高。

3.2 脆性層段鉆頭選型

古近系深部，巖石硬度增加，選擇鉆頭必須考慮碎巖效率和耐磨性。在深部硬層試驗時，新硬質合金鉆頭開始鉆速很高，但切削刃很快磨損（或崩齒）而使鉆速驟降，甚至不能完成一個完整回次鉆進。而復合片鉆頭切削齒由于具有金剛石耐磨層，刃口鋒利，可持續(xù)切削巖層，實現(xiàn)高效碎巖［16］。因此，在深部鉆進，鉆頭切削齒優(yōu)選PDC復合片。

市場上PDC鉆頭類型比較多，根據(jù)地層特征，試驗應用了7種，其中自制2種（F-2、F-7型），成品5種（F-1、F-3、F-4、F-5、F-6型），各類鉆頭的鉆速差異較大，最終優(yōu)選出F-3、F-6型鉆頭。

3.2.1 結構特征

F-3型鉆頭通用型號為M124。鉆頭體為胎體式，底噴式水眼，鉆頭為6翼，鑲焊6排對稱復合片切削齒30塊，鉆頭結構見圖7（鉆頭外徑215.9 mm，內徑102 mm）。該類鉆頭刀翼出刃較高，切削齒較大，易切入地層，提高鉆進效率，適用于膠結性較強的脆性地層。切削齒呈等差角方式布置，避免了同時切入地層引起扭矩增加，確保鉆進平穩(wěn)。

圖7 F-3型鉆頭Fig.7 F-3 drilling bit

F-6型鉆頭通用型號為M433，鉆頭體為胎體式，水口為唇面直開式，各翼片中間有扇形水路。設6翼，累計鑲焊復合片54塊，鉆頭結構見圖8（鉆頭外徑215.9 mm，內徑102 mm）。該類鉆頭刀翼較低，切削齒全出刃，齒小而多，小齒的切削刃具有更大的曲率，可在巖層接觸區(qū)域形成更高的接觸應力，以壓切碎巖為主，容易在硬巖中形成連續(xù)的小體積破碎。這種鉆頭耐磨性好，鉆進平穩(wěn)。

圖8 F-6型鉆頭Fig.8 F-6 drilling bit

4 應用效果

H-4-Ⅱ型硬質合金鉆頭通過CY1孔試驗成功后，在淺部層段推廣使用，各孔使用統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表3。從表3可以看出，該型鉆頭在2000～2500 m均保持了較高的機械鉆速，平均在1.1 m/h以上，個別回次在3 m/h以上（見圖9），與計算數(shù)據(jù)相近。巖心均可呈柱狀，采取率達到95%（見圖10）?？梢娫擃愩@頭在該工區(qū)1650～2500 m彈塑性地層鉆進效率高，宜優(yōu)先使用。

圖9 H-4-Ⅱ型鉆頭使用回次鉆速曲線Fig.9 ROP per run of H-4-Ⅱbit

圖10 CY-1孔巖心實物Fig.10 Core taken from Borehole CY-1

表3 H-4-Ⅱ型鉆頭鉆進數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 3 Drilling data of H-4-Ⅱbit

F-3型鉆頭在3個鉆孔中均有使用，各孔使用統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表4。該類鉆頭在ZK001孔中使用效果最佳，平均鉆速達1.65 m/h，在CY1孔與ZK002孔中，鉆速達0.63 m/h以上（見圖11），巖心采取率均達96%以上?？梢娫擃愩@頭適宜在該工區(qū)2500～3000 m脆性層段使用。

表4 F-3型鉆頭鉆進數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 4 Drilling data of F-3 bit

圖11 F-3型鉆頭使用回次鉆速曲線Fig.11 ROP per run of F-3 bit

F-6型鉆頭使用統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表5。該類鉆頭使用于兩個鉆孔中，在ZK001孔的使用中鉆效高，機械鉆速均在2 m/h以上，最高鉆速達9 m/h（見圖12）。在含大段鹽膏層的ZK002孔的鉆速低，實鉆發(fā)現(xiàn)，鹽膏層具蠕變特性，壓切破碎作用無法高效發(fā)揮。該鉆頭的特點是在較硬的地層中具有良好的穩(wěn)定性，壽命長，機械鉆速較高，在該工區(qū)3000～3450 m硬度較高的脆性層段宜優(yōu)先使用。

圖12 F-6型鉆頭使用回次鉆速曲線Fig.12 ROP per run of F-6 bit

表5 F-6型鉆頭鉆進數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 5 Drilling data of F-6 bit

5 認識

通過鉆頭結構分析和實鉆檢驗，優(yōu)選出F-6、F-3、H-4-Ⅱ型3種鉆頭，在滄州古近系地層取心鉆進中應用，效率高、取心質量好，適合該工區(qū)地質條件，建議推廣應用。

（1）1650～2500 m對應工區(qū)古近系彈塑性特征明顯的塑脆性層段，宜選以剪切方式破碎巖石的H-4-Ⅱ型硬質合金鉆頭。該型鉆頭剪切效率高，但易崩齒，不宜在深部脆性層段內鉆進。

（2）2500～3450 m對應工區(qū)古近系脆性特征明顯的塑脆性層段，宜選耐磨性強的復合片切削齒鉆頭。其中F-3型屬大齒、耐磨型鉆頭，采用切削-壓切方式破碎巖層，更適合3000 m以淺層段。F-6型屬小齒、耐磨型鉆頭，采用壓切方式破碎巖層，更適合3000 m以深層段。