从PDC与牙轮钻头的特点谈钻头对钻井卡层的影响

杨云龙

【摘要】随着钻进工艺水平的的不断提高，PDC钻头在提高钻井速度、降低钻井成本，使得牙轮钻头渐渐被PDC钻头代替。但由于PDC钻头的钻屑细小而给钻井卡层带来诸多困难，使得预探井在目的层内的钻头选择有了疑问，为深层油藏资源勘探开发提供保障。

【关键词】牙轮钻头 PDC钻头 钻井卡层

1 牙轮钻头特点

1.1牙轮钻头的结构特点

以215.9mm金属密封江汉镶齿三牙轮钻头FJ517G 为例：

1、采用浮动轴承结构，浮动元件由高强度、高弹性、高耐温性、高耐磨性特点的新材料制成，表面经固体润滑剂处理。在降低轴承副相对线速度的同时，减少摩擦面温升，能有效提高高钻压或高转速钻井工艺条件下的轴承寿命和轴承可靠性。

2、采用高精度的金属密封。金属密封由一副精心设计加工的金属密封环作为轴承轴向动密封，两个高弹性的橡胶供能圈分别位于牙掌和牙轮密封区域内作为静密封，优化的密封压缩量确保了两个金属环密封表面始终保持良好接触。

3、钢球锁紧牙轮，适应高转速。

4、采用可限制压差并防止钻井液进入润滑系统的全橡胶储油囊，为轴承系统提供了良好的润滑保证。

5、采用可耐250°C高温、抗磨损的新型润滑脂。

6、镶齿钻头采用高强度高韧性硬质合金齿，优化设计的齿排数、齿数、露齿高度和独特的合金齿外形，充分发挥了镶齿钻头高耐磨性和优异的切削能力。钢齿钻头齿面敷焊新型耐磨材料，在保持钢齿钻头高机械钻速的同时，提高了钻头切削齿寿命

1.2 牙轮钻头工作特点

牙轮钻头是石油钻井中使用最广泛的钻头。这是由于牙轮钻头旋转时具有冲击、压碎和剪切破碎岩石的作用，牙齿与井底的接触面积小，比压高、工作扭矩小、工作刃总长度大等。因而使牙轮钻头能适用于多种性质的岩石。

1.3 牙轮钻头造屑机理

牙轮钻头是依靠牙轮绕钻头轴线的公转与牙轮绕自身轴线的自转所产生的冲击压碎作用和滑动剪切作用来破碎岩石的。其作用包括：冲击压碎作用、滑动剪切作用、牙齿本身的剪切作用。这三点决定了所钻岩屑较大，便于卡层时获得更好的岩层数据，进而更加准确的确定目的层的所在。

2 PDC钻头特点

2.1 PDC钻头的结构特点

1.采用爪型设计：PDC钻头的性能在很大程度上取决于切削齿的质量，PDC钻头都采用了高质量爪型齿和环形齿，经过与其它类型复合片对比试验分析，证明它具有抗 剪强度高、耐冲击、寿命长、热稳定性能好的特点。

2.大刀翼设计：全部PDC钻头系列的刀翼进行加高加大，采用超大排屑流道设计，可以更加有效的运移钻屑，清洗钻头，防止钻头泥包，提高机械钻速。

3.抗回旋：采用力学平衡设计，对PDC钻头进行螺旋保径设计、轨道布齿设计、缓冲块设计以保证钻头抗回旋性能。

4.防泥包涂层：PDC钻头可根据地层情况进行防泥包涂层设计，采用独特的对钻头表面负离子处理技术，使钻头表面带有负电荷，在钻头周围形成一个阳板，形成电流，钻头与钻井液之间形成一个水的集区，其作用就如同润滑剂或象隔板，在钻进中，泥页岩钻屑中的负离子与钢体表面的负电荷相斥，从而起到防泥包的效果。

2.2 PDC钻头的工作特点

PDC全称Polycrystalline Diamond Compact（聚晶金刚石复合片），这类钻头是油气钻井中针对中软地层而开发的新型钻头。近年被越来越广泛的应用，PDC钻头的优越性显而易见，与传统牙轮钻头，PDC钻头有着明显的优势;钻井速度快，可以提高机械钻速，降低钻井成本;使用寿命长，减小起下钻次数，降低工人劳动强度，辅助时间少，适应地层广。低钻压剪切均匀破碎，有利于防斜，安全系数大。没有掉牙轮的风险，事故发生概率较小。不过PDC存在一些缺点：要求井底干净，禁止井下有金属落物;对井壁进行修复功能不如牙轮钻头;所钻岩屑较小，虽便于泥浆携带，保持井底干净，但给录井卡层带来了很大困难。

2.3 PDC钻头造屑机理

PDC钻头破碎岩石的方式主要是剪切作用。从岩石破碎强度可知，岩石抗剪切强度远低于岩石的抗压强度（为抗压强度的0.09—0.15倍），PDC钻头正是利用岩石的这一特征实现其高速钻进。PDC钻头在扭矩力的作用下。复合片刮切岩石时生成的岩屑会沿着金刚石表面上移，直至与复合片脱离，通过岩石在切削齿边缘处的破碎，钻头的切削能量得到高效釋放。然而，在很多情况下，岩屑所承受的压力过大使其紧贴切削齿表面。从而生产阻碍岩屑移动的摩擦力。这种摩擦力往往可以积累到相当高的程度，以至于会造成岩屑在切削齿边缘的堆积。这种现象一旦发生，井底岩石的运移就不再是直接依靠切削齿的边缘，而是通过切削齿表面积累的岩屑自身来完成。这种现象在钻头后期表现的尤为突出。

3 不同钻头对钻井卡层的影响

PDC钻头的高转速、低钻压、高排量钻头的使用提高了钻井的速度、降低了钻井的成本、明显增加了钻井的经济效益，但与此同时却给地质录井中工作带来诸多困难，钻头钻出的岩屑极其细小，给钻井卡层带来了较大的难度。钻井卡层是通过岩屑建立岩性剖面、划分地层，钻井岩屑细小，无疑是对岩性剖面的恢复带来极大的影响。首先：岩屑取、洗样的难度加大。由于所钻岩屑细小。甚至部分岩屑呈粉沫状，在钻井液中较少通过振动筛从钻井液中分离出来，导致捞取到的岩屑数量较少。其次：加大了岩屑观察、描述、分层定名、百分比估计的难度。由于岩屑细小，有的甚至为粉末状.给正确的岩屑描述观察、挑样、定名等判定带来了很大的难度，严重影响岩性剖面符合率。另外砂、泥岩钻时区别不大（特别是浅层）。因此钻时在剖面恢复的过程中的作用明显较牙轮钻头的钻时要小。再次：捞砂时间与钻进时间搭配不合理，如果是勘探井或油气显示加密段，当采样间距缩小时，采样就更无法跟上钻头进尺，从而造成卡层困难.砂样的质量及代表性变差。PDC钻头钻出的岩屑极其细小，给地质剖面的恢复带来了较大的影响。

例如冀东油田某井：

该井地质设计4096米，预计垂深3430米处东三段遇油层取芯，使用PDC钻头钻进至设计井深后由于机械钻时短、砂样细小、砂样混杂，无法进行卡层工作。后起钻更换牙轮钻头，钻进至4125米发现含油砂岩，并更换取芯钻桶取芯，取芯后效果良好。该井钻头使用的事实支持了上文了观点。综上所述，钻进卡层，尤其预探井的钻井卡层，使用牙轮钻头可以有效分析识别具有代表性的岩屑，以提高岩屑真实性及地层剖面的符合率。

参考文献：

[1]王清江. 定向钻井技术[M].北京：石油工业出版社，2016.

[2]马德坤. 牙轮钻头工作力学[M]. 北京：石油工业出版社，2009.

[3]周筑宝，唐松花. 基于最小耗能原理的岩石破坏理论与岩爆研究[M]. 北京：科学出版社，2017.

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