硬岩钻进中的钻头选择

　　为探明广东省东莞东南部的地热资源情况，根据物探与地质资料分析，决定在东莞南部钻成一眼地热探采结合井，预计钻深1500米。钻探设备采用SPS-2000型水源钻机，配套TBW1200/7及3NB-800型泥浆泵。600米以后为了提高钻进速度，采用Z172直螺杆复合钻进。
　　 用216四翼PDC钻头钻至855.5米时，钻压为3 ~ 4t，出现钻头打滑现象，取出钻头发现PDC钻头磨损严重，局部发生崩齿。PDC钻头已经不再适用，需要更换钻头。
　　
　　故障原因分析
　　2.1地层性质
　　 钻井所遇地层预测为：0-25m：为第四系松散地层（Q4），主要为素填土,粉质粘土,淤泥质粉质粘土,细砂，富水性好；25-1000m：其岩性主要为粉砂质泥岩（k2b）、灰黑色泥岩，含膏泥岩、灰质泥岩，薄层炭质页岩和凝灰岩。
　　 PDC在此地层打滑，可以确定岩石已经较为坚硬。该钻孔在801.3米处采用单动双管法采取了8.7米的岩心，对岩心进行分析确定为泥质粉砂岩，含有铁矿质结核，呈暗红色。资料显示地层总体走向NE45-70°，倾向NW，倾角70°左右。
　　 查阅相关资料，一般的泥质粉砂岩其抗压硬度为几十兆帕，与岩石的石英和其他硬矿物的含量有极大关系，应属于软岩的范畴。但是，根据钻井液携带上来的钻渣分析，泥质粉砂岩含有一定量的石英，研磨性较强。上述所取得岩心完整性好，坚固，敲击声较脆，可知这个层位的泥质粉砂岩坚固系数高。综合分析岩石的性质，认为岩石为硬岩。
　　2..2钻进参数的校核
　　2.2.1钻压
　　 根据钻头切削具应该有效吃入岩石，即钻压要大于门限钻压。钻头上切削具切入岩石的必要条件是：切削具与岩石接触面上的压力必须大于或至少等于岩石的抗压入硬度【1】。
　　即：
　　Py≥Hy F0 （2.1）
　　式中：Hy――岩石的压入硬度；
　　F0――切削具刃尖处与岩石的接触面积。
　　 Py即是钻压。实际钻压=给进力(钻具质量+正或负的机械施加力) - (冲洗液浮力+孔内摩擦阻)。
　　使用216四翼PDC钻头，PDC切削片直径13.4mm，负倾角10o,对称布齿20个，吃入岩石1.5mm,计算得F0 = 0.23cm2，取岩石的压入硬度取为1400MPa，可得Py = 3.22t。
　　说明PDC钻头能够有效吃入岩石，因钻压引起的重复破碎不是钻头磨损严重的重要原因。
　　2.2.2泵量
　　 根据石油钻井章程，根据铁道部第一勘测设计院于1985年所确定的地质钻探常用计算方法，以排除岩粉岩屑为主要目的得出泵量计算公式【3】：
　　 全面钻进时的泵量为
  （2.2）
　　取=0.4cm； D = 21.6cm；d = 8.9cm；=1.10泥浆比重gf/cm3；=2.3gf/cm3；=1.20gf/cm3；S=2.0cm/s；K =25。计算得出： ＝17 L/s
　　实际钻探中，泵的排量达到20 L/s，说明孔底岩粉能够被有效排出，不存在重复破碎的现象。PDC切削具的磨损与崩刃与泵量的关系不大。
　　2.2.3转速
　　 转速是保证PDC钻头有效破岩的重要参数，但由于受制造和使用条件的影响，马达副存在漏失，转子的实际输出转速n低于理论转速nT。实际转速为：
　　 n =(r/min)（2.3）
　　式中：△Q― 马达漏失量，L/s ；q ― 马达每转排量，是一个结构参数，仅与线型和几何尺寸有关。
　　 由于有7%的钻井液没有通过螺杆马达，则Q =93% ，查相关5LZ172的参数得只大知q = 0.155 L/s，计算得到实际转速n=120r/min，能够满足PDC钻头的破岩需求。
　　2.2.4泵量
　　 螺杆钻具的扭矩与螺杆马达的压力降有直接的关系，而压力降又与泵量息息相关，在无漏失、无摩擦的状态下，螺杆钻具的马达有：
　　 转子的理论扭矩 与马达进出口的压力降成正比，即
　　 = 159 q (2.4)
　　 式中，q为转子每转的流量，L/s。
　　 实际上理想状态下的马达是不存在的，在螺杆钻具工作的过程中转子公转形成的离心惯性力、马达压力降在转子上产生的倾斜力矩、定子和转子的尺寸精度与形状误差、马达副的配合间隙及定子橡胶的变形等因数都会破环马达的密封，造成钻井液的漏失。致使q和都会相应的变化，则与成近视线性关系。
　　 将与看成线性关系，再分析泵量与螺杆马达输出扭矩的关系，并且螺杆钻具的压力降与排量、加载扭距和钻具工作副中的过盈和间隙等有很大关系。这些因数在使用过程中不断变化，引起螺杆钻具压力降的改变【2】。
　　 根据压力降的计算公式，分析可以得出在的螺杆马达输出扭矩与泵量成对数关系如图（）。在不断磨损中，螺杆马达漏失逐渐变大的过程中，扭矩成倍减少（如图）
　　
　　 计算并核对Z172直螺杆的参数表，PDC钻头的打滑与磨损与扭矩的关系不大。
　　 综合以上因素的分析结果，钻进的参数没有选错，地层确定为软---硬岩，结合PDC钻头的严重磨损情况，可以断定岩石的性质为硬岩，研磨性较强。PDC切削刃的崩刃解释为：局部吃入岩石较深，在较大的扭矩与动荷载下，达到PDC切削具的剪切强度，最终被破坏；切削具与岩石不断摩擦，被磨钝，不能再吃入岩石，形成表面破碎，长时间后钻头磨损严重。总之，对于这种硬岩地层，PDC钻头的已经不再适用需要更换钻头。
　　
　　钻头的选择
　　 钻头是破岩的关键工具，必须与地层相适应。在得到该地层段岩石的性质后，再分析各种钻头的适用情况。结合各种钻头的一般特点（见表3.1）：
　　表3.1各种钻头的使用特性
　　
　　考虑到以上经过校核的钻进因素后，螺杆钻具可以提供动力和以上的钻进参数，综合考虑各种钻头的工作条件进行分析：在钻井中，孔径较大，选择金刚石钻头成本较高，螺杆可以的提供的钻速也达不到；硬质合金与PDC钻头已经不再适用；钢粒钻进设备需重新购置；则牙轮钻头为最佳选择。
　　4、钻进效果对比
　　 在下入牙轮钻头后，钻压为7t进尺平稳，二者对比如下：
　　表4.1不同岩层不同钻头的时效
　　
　　可知，PDC钻头在钻进中硬岩层时，碎岩效率较高，能带来较好的经济效益；在硬岩地层中出现打滑现象，不能适用。牙轮钻头因其破碎机理不同，能够钻进较硬的岩层，选择牙轮钻头是符合实际生产要求与现场条件的。
　　5、结论
　　 钻头对于钻进的影响十分关键，地层必须运用相适应的钻头，这对于取得良好的经济效益具有重要意义。在硬岩钻进中，合理选择钻头应注意一下几点：
　　岩样性质的合理分析：岩石的研磨性、压入硬度等；
　　钻进的参数；
　　钻进的工艺与现场条件；
　　钻头的使用特点。
　　 牙轮铣齿钻头对于部分硬岩有较好的钻进效果，结合实际运用，可以发挥较理想的作用。