PDC鉆頭在三疊系泥巖鉆進過程中的技術問題及對策研究

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PDC鉆頭在現場使用的情況，分析鉆頭在三疊系泥巖進尺緩慢的原因，并提出改進措施。結果表明：由于目的層疏松砂巖、砂礫巖和軟煤造成取芯困難，孔壁穩定性差，引起自然事故頻發，三疊系泥巖致密造成鉆進困難，復合片的異常消耗導致鉆速降低，吸附的巖粉清洗不及時導致進尺緩慢.，建議在以后的鉆進工作中使用屋脊片（V型）復合片鉆頭進行工作。通過對復合片進行表面拋光處理，改造復合片的齒形結構，增強復合片胎體的抗沖擊韌性和抗彎強度，增大復合片鉆頭水路空間來提高PDC鉆頭在三疊系泥巖中的鉆進速度。

關鍵詞：PDC鉆頭：三疊系泥巖;鉆孔取芯;屋脊片;復合片

1.引言

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

在鉆孔取芯的過程中，由于第四系覆蓋為力學不穩定地層，鉆進時易發生孔壁坍塌、掉塊卡鉆和孔斜事故[1-2]。泥巖水敏為化學不穩定地層，鉆進時易發生孔壁縮徑、擴徑和泥漿巖粉化，由此造成的后果是鉆具和測井儀器下不去，增加了沖孔和擴孔的時間消耗，夾埋鉆具，擴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，可能會出現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，膠結更加致密，彈塑性、研磨性極強;深部彈塑性泥巖上覆地層壓力大，巖性致密，硬度大強度高，鉆進時切削工具的研磨損耗大，造成碎巖困難、鉆進困難[6]。合金鉆進時效小于Im，石英砂巖研磨性強，合金鉆頭壽命和時效低于0.5m，造成PDC鉆頭的大量破壞[7]。根據PDC鉆頭的現場使用情況和三疊系泥巖進尺緩慢的原因分析，為了提高鉆頭在ZK7057鉆孔工作區的鉆進效率，有必要對PDC鉆頭進行改進。

2.ZK7057鉆孔工作區簡介

ZK7057鉆孔工作區位于伊犁盆地洪海溝地區，為察布查爾錫伯自治縣和新疆生產建設兵團六十七團管轄，距伊寧市50km—80km，縣道和簡易公路網狀分布可達各鄉和鉆探施工區，交通便利。伊寧市與烏魯木齊相距約700km。

ZK7057鉆孔工作區位于山前沖擊平原地帶，地勢較平緩，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;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。據地質資料，中上三疊統小泉溝群為構造活動由強減弱，快速水進條件下形成的沖積扇一淺水湖相沉積。區域內白下而上可分三段，勘查區內由兩個由粗而細的沉積韻律組成，總體缺少區域上的第三段和第二段的下部。僅在洪海溝地區揭穿小泉溝群，總體由厚大泥質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、泥質粉砂巖等泥質類巖石;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、泥質粉砂巖和粉砂質泥巖，以夾薄層菱鐵礦為特征。

ZK7057鉆孔施工時間為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，累計采取巖芯606.84m。井深結構：φ151-φ132-φ113-φ98，自311m開始取芯，取芯段孔徑為φ113和φ98。

3.PDC鉆頭現場使用情況

ZK7057孔白311m取芯以來，一直采用φ113PDC復合片鉆頭單管取芯，使用常用的PDC鉆頭，在進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，鉆頭切削具磨損嚴重，嚴重時一回次需要更換一次鉆頭，在鉆至890m～910m時，平均機械鉆速低至0.2m/h，現場表現為進尺緩慢，甚至遲遲不進尺。三疊系泥巖地層厚度約200m，現場更換使用了多種形式的PDC鉆頭，更換多種切削具形式，使用過的有鉆頭有：普通圓片復合片鉆頭，尖齒復合片鉆頭，尖齒半圓對焊復合片鉆頭，錐形復合片鉆頭，階梯式網片鉆頭，屋脊片（V型）復合片鉆頭，階梯式屋脊片復合片鉆頭等，但總體效率較低，極大延長了鉆井時間，嚴重影響鉆井效率。在現場使用過的屋脊片（V型）、錐形、階梯式屋脊片（V片）、尖齒半網對焊型PDC鉆頭如圖1、圖2、圖3、圖4所示。

4.PDC鉆頭三疊系泥巖進尺緩慢原因分析

通過對現場使用過的鉆頭分析發現，較多的鉆頭表現為復合片異常磨損、消耗、斷齒等原因可能導致的鉆進緩慢;有部分鉆頭表現為鉆頭正常磨損，但進尺也緩慢;也有一些鉆頭表現為部分復合片少量磨損，其他復合片幾乎不磨損，但同樣進尺緩慢。PDC鉆頭三疊系泥巖進尺緩慢的具體原因有以下三條。

4.1致密泥巖造成鉆進困難

地層中含有一定的硬夾層，易造成憋鉆，鉆頭異常磨損、掉齒、斷齒現象，導致鉆頭早期損壞，甚至使切削具失效[8]。大量的致密泥巖，研磨性很強，易對鉆頭保徑和切削齒造成最壞。彈塑性很強，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，產生的細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、尖齒復合片損壞嚴重的鉆頭如圖5、圖6、圖7、圖8所示。

4.2復合片的異常消耗導致鉆速降低

鉆頭復合片非正常磨損，主要損壞特征表現為：（1）復合片碎裂、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范，導致PDC鉆頭在鉆進過程中，突然遇到該類硬夾層時，復合片受力不均勻，產生的瞬間載荷過高，足以使得局部切削齒碎裂、斷片等。（2）復合片脫落。主要原因是由于制作工藝的不佳所制。復合片與基底焊接不牢固，當遇到復雜孔內載荷或者大載荷時，很容易出現復合片脫落的現象。（3）金剛石層脫落。由于鉆頭水力結構的缺陷或不合理，或者是沖洗液量不夠，導致沖洗液不能良好的沖洗和冷卻，致使金剛石層溫度過高，導致金剛石層出現微裂紋，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導致進尺緩慢

由于水力結構設計的原因或沖洗液量和流動性的原因，導致鉆進時由切削齒破碎的巖屑不能被及時的有效清除，而泥巖本身是由<4um的黏度礦物顆粒構成的，在鉆進過程中形成的巖粉具有很強的吸附能力，并在井底被重復破碎，且易形成糊鉆、泥包，嚴重影響碎巖能力，進而影響機械鉆速[9]。

三疊系泥巖大部分為硬而致密的彈塑性泥巖，PDC切削齒對這類彈塑性泥巖是一個剪切滑移的過程，再加之泥巖顆粒細小，結構緊密，表現為切削具很難切入，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，切削具向前移動時，所產生的變形很快恢復，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，例如石英細顆粒，切削具切人后很快被研磨，無法進行切削，導致“打滑”不進尺，最終導致機械鉆速低下。

5.PDC鉆頭進尺緩慢應對措施及建議

5.1 ZK7057孔經驗總結

ZK7057孔鉆進三疊系泥巖累計達200m，常規PDC取芯鉆頭不但磨損嚴重，消耗量大，而且機械鉆速低至0.5m/h，最低只有0.2m/h，延長鉆井周期，致使裸眼時間過長，泥漿很難長期維持覆蓋層的穩定性，對上覆不穩定地層有很大的影響。在后期施工中，上覆地層頻繁掉塊，導致提下鉆困難，鉆頭擠壓變形，甚至較為嚴重的卡鉆現象。但后期在試用一種屋脊片（V型）復合片鉆頭時，較其他鉆頭相比，鉆速有一定程度的提升。對此在今后的施工中，可采取該種鉆頭進行試驗和施工，以繼續探索鉆進三疊系泥巖的最優鉆具。現場使用的屋脊片（V型）復合片鉆頭如圖9所示。

5.2 PDC復合片鉆頭的改進

5.2.1復合片性能分析

（1）據了解，經過多年的發展，國內外復合片的性能指標已發生質的飛越，指標大幅度提高[5-7]。目前國內復合片耐磨性平均值已達到18萬～22萬（磨耗比），抗沖擊韌性平均值可達400J～600J，依據三疊系泥巖的巖石組成顆粒細小，石英含量高，應盡量采用具有高耐磨性（磨耗比>20萬）、高沖擊韌性（ >400J），高熱穩定性（750 0C燒結后，磨耗比和抗沖擊韌性的變化< +5%）的復合片[8-9]。（2）我國復合片性能發展到現在，其平均性能已經和國外性能指標十分相近，但是在使用過程中仍有差距[10]。復合片除了高耐磨、高沖擊強度以外，其第三個性能一高耐熱性顯得尤為重要，它直接導致PDC的熱損壞。當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生裂紋，因此這也是PDC損壞的重要原因之一，因此高質量的復合片除了具備高耐磨性，高沖擊強度以外，還需要具備高耐熱性。

5.2.2復合片改進措施

（1）進行復合片表面拋光處理。由于泥巖本身顆粒細微，在鉆進過程中產生的巖粉具有很強的吸附能力，很容易黏附在復合片表面，形成一層巖粉墊。因此對于復合片來說，可以將其表面進行拋光處理，使之表面成為鏡面，使得鉆進中產生的巖粉巖復合片鏡面迅速排排除，防止巖粉墊的形成，從而有利于提高機械鉆速。

（2）改造復合片的齒形結構。對于三疊系泥巖這種結構十分致密的泥巖，復合片壓人是十分困難的，在孔底三軸應力的包圍下，壓人泥巖顯得更加困難。為此，應當將復合片設計成齒形，在鉆進時可在孔底形成多個白由面，即多個齒形環，使巖石產生拉應力破碎。依據泥巖的成分、硬度、結構等，可以將復合片設計成單齒的，兩齒的和四齒的，其中單齒的和V型片結構類似。齒形復合片示意圖如圖10所示。

（3）增強復合片胎體的抗沖擊韌性和抗彎強度。如若采用齒形復合片，則鉆頭胎體后支撐則同樣為齒形。常規圓片型復合片的后支撐為半圓形，齒形后支撐相對于半圓形后支撐相比，其抗彎強度明顯不如前者，因此需要增強胎體的抗沖擊韌性和抗彎強度。復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，即內水槽、外水槽、底水口，為及時排除巖粉，有效冷卻PDC復合片，應在合理的前提下盡量增大水路空間。為增大底水口，可將復合片底出刃設計為全出刃鑲嵌，外水口可設計為超徑鉆頭，內水槽設計應考慮到胎體內徑、鋼體的內徑和內環狀間隙，防止泥巖巖芯膨脹并使其順利進入巖芯管。齒形復合片鉆頭和細齒狀復合片鉆頭如圖12、圖13所示。

6.結論

（1）ZK7057孔使用的PDC鉆頭，在進入800m的三疊致密泥巖之后，鉆孔效率低，平均機械鉆速低至0.2m/h，進尺緩慢，同時增加了鉆頭的切削磨損程度，在現場頻繁更換鉆頭，極大延長了鉆井時間，嚴重影響鉆井效率。

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

（3）在鉆孔工作中，推薦使用屋脊片（V型）復合片鉆頭進行鉆進，同時通過對復合片進行表面拋光處理、改造復合片的齒形結構、增強復合片胎體的抗沖擊韌性和抗彎強度、增大復合片鉆頭水路空間來提高鉆進效率。

參考文獻：

[1]李會.PDC鉆進條件下錄井應對措施探討[J].西部探礦工程，2017（7）：50-53.

[2]陳修平，鄒德永.PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進泥包機理及對策研究進展[J].天然氣工業，2014，34（2）：87-91.

[3]李增科，楊玉坤.PDC鉆頭在西部工區的應用分析[J].鉆采工藝，2006，29（1）：99-102.

[4]要二倉.地浸砂巖型鈾礦致密泥巖齒形復合片鉆頭的研究與應用[J].地質與勘探，201 1，47（2）：316-322

[5]刁文慶，唐大勇.定向鉆進用胎體式PDC鉆頭燒結工藝研究[J]煤炭科學技術，2013，41（3）：21-23.

[6]郭輝.杭來灣煤礦大直徑鉆井工程鉆頭選型[J].煤礦安全，2018，49（3）：112-114.

[7]劉少偉，朱乾坤，賈后省，李鑫濤煤巷頂板錨固孔鉆進巖層界面動力響應特征與識別[J].采礦與安全工程學報，2017，34（4）：748753+759.

[8]劉翠紅，袁天兵，劉新元雙驅復合鉆進技術在中原油田的應用[J].鉆采工藝，2004，27（5）：98-100.