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，使得預探井在目的層內的鉆頭選擇有了疑問，為深層油藏資源勘探開發提供保障。

【關鍵詞】牙輪鉆頭 PDC鉆頭 鉆井卡層

1 牙輪鉆頭特點

1.1牙輪鉆頭的結構特點

以215.9mm金屬密封江漢鑲齒三牙輪鉆頭FJ517G 為例：

1、采用浮動軸承結構，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計加工的金屬密封環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域內作為靜密封，優化的密封壓縮量確保了兩個金屬環密封表面始終保持良好接觸。

3、鋼球鎖緊牙輪，適應高轉速。

4、采用可限制壓差并防止鉆井液進入潤滑系統的全橡膠儲油囊，為軸承系統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合金齒，優化設計的齒排數、齒數、露齒高度和獨特的合金齒外形，充分發揮了鑲齒鉆頭高耐磨性和優異的切削能力。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與牙輪繞自身軸線的自轉所產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據，進而更加準確的確定目的層的所在。

2 PDC鉆頭特點

2.1 PDC鉆頭的結構特點

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

2.大刀翼設計：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：采用力學平衡設計，對PDC鉆頭進行螺旋保徑設計、軌道布齒設計、緩沖塊設計以保證鉆頭抗回旋性能。

4.防泥包涂層：PDC鉆頭可根據地層情況進行防泥包涂層設計，采用獨特的對鉆頭表面負離子處理技術，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，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（聚晶金剛石復合片），這類鉆頭是油氣鉆井中針對中軟地層而開發的新型鉆頭。近年被越來越廣泛的應用，PDC鉆頭的優越性顯而易見，與傳統牙輪鉆頭，PDC鉆頭有著明顯的優勢;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，降低工人勞動強度，輔助時間少，適應地層廣。低鉆壓剪切均勻破碎，有利于防斜，安全系數大。沒有掉牙輪的風險，事故發生概率較小。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其高速鉆進。PDC鉆頭在扭矩力的作用下。復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。從而生產阻礙巖屑移動的摩擦力。這種摩擦力往往可以積累到相當高的程度，以至于會造成巖屑在切削齒邊緣的堆積。這種現象一旦發生，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。這種現象在鉆頭后期表現的尤為突出。

3 不同鉆頭對鉆井卡層的影響

PDC鉆頭的高轉速、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濟效益，但與此同時卻給地質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，導致撈取到的巖屑數量較少。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、泥巖鉆時區別不大（特別是淺層）。因此鉆時在剖面恢復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.砂樣的質量及代表性變差。PDC鉆頭鉆出的巖屑極其細小，給地質剖面的恢復帶來了較大的影響。

例如冀東油田某井：

該井地質設計4096米，預計垂深3430米處東三段遇油層取芯，使用PDC鉆頭鉆進至設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米發現含油砂巖，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：

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中國石油集團渤海鉆探工程有限公司定向井技術服務分公司 300280