沧州盐矿古近系塑脆性地层取心钻头选型研究

景 龙，李 伟

（1.河北省地矿局第三水文工程地质大队，河北 衡水 053000；2.河北省地热资源开发研究所，河北 衡水 053000；3.河北省地矿局第四水文工程地质大队，河北沧州 061000）

沧州盐矿普查项目钻探工程完成了3眼勘探孔，钻探深度3000～3451 m，取心段为1650～3451 m，均为古近系层段。三眼钻孔取心总长度3791 m，钻探孔径215.9 mm，岩心直径90～101 mm。钻探工程作为项目实施的重点工作，因耗时长、成本高、难度大等直接影响着项目的进展。以CY1钻孔1650～3000 m取心钻进施工为例，纯钻耗时占到53%［1］。因钻头选型是提高钻探效率的关键，工区内无经验可循，针对岩层钻进特性，有必要进行钻头选型探讨。

1 工区地层钻进特性

取心层段钻遇主要为塑脆性岩石，根据孔内钻进效果，结合地层岩石力学特性，将工区内塑脆性岩石划分为弹塑性层段和脆性层段。

1.1 弹塑性层段

弹塑性层段以古近系东营组（Ed）、沙一段（Es1）、沙二段（Es2）为主，含部分沙三段（Es3），底界深度一般在2300～2500 m，岩性以泥岩、泥灰岩为主，地层半固结-固结。

该层段岩石硬度低，根据典型样品测试结果，抗压入硬度多数为140～400 MPa，岩石密度2.2～2.7 g/cm3，其单轴抗压强度检测值在11～38 MPa（见表1），地层可钻性一般为2～5级，通过岩样分析结果可知，地层矿物主要成分为粘土矿物、石英、碳酸盐矿物（见图1）。

表1 工区地层岩石单轴抗压强度统计Table 1 Summary of uniaxial compression strength of rock in the work area

图1 工区岩石矿物成分含量分析Fig.1 Analysis chart of rock mineral composition in the work area

地层具有一定胶结性，但固结稍差，部分岩心内钻取试验小样不能成型（见图2）。实测岩心塑性系数为1.44～2.12，属低塑性岩石，因受到地层围压影响，钻进中表现出典型的弹塑性特征［2］，类似“胶皮”层，调整钻进参数，钻速无明显提高。首眼钻孔施工初期，钻头选型没有经验，取心机械钻速仅为0.47～0.79 m/h，且采取率＜70%。该层段取心钻头选型重点解决提高机械钻速和取心质量两个问题。

图2 岩心试验小样Fig.2 Sample of core test

1.2 脆性层段

脆性层段以古近系沙三段（Es3）、沙四段（Es4）为主，深度一般从2300～2500 m开始，底界埋深差异较大，与沉积环境有关。上部岩性以泥岩、泥灰岩、含砂质泥岩为主，下部为含盐膏层段，岩性以泥灰岩、石膏泥岩、石膏层、石盐矿层为主，地层固结。

该层段岩石抗压入硬度多数达400～720 MPa，岩石密度2.2～2.9 g/cm3，其单轴抗压强度检测值在14～74 MPa（见表1），地层可钻性一般为3～5级。通过典型样品分析结果可知，地层矿物主要成分为石英、碳酸盐矿物、长石、石膏、粘土矿物（见图1）。

地层表现出明显的脆性特征，岩石硬度普遍较高，局部层段软硬不均，互层状发育。地层胶结强度高，取心质量容易保证，钻头的选型重点考虑高效耐磨以实现提速。

2 钻头选型原则

钻头是提高机械钻速的重要因素。只有适宜的钻头型式，方能达到安全、高效、低耗的钻进指标。工区内无可借鉴的古近系连续取心案例，钻头选型难度大。综合分析地层特性、技术要求等多方因素，提出钻头选型原则：

（1）根据工区地层钻进特性选型。在较浅部的以弹塑性为特征的岩层，岩石硬度偏低，重点尝试使用硬质合金切削齿钻头，以剪切碎岩方式提高钻效。深部以脆性为特征的岩层，宜使用耐磨性较好的复合片切削齿钻头，以压切碎岩提高钻效。

（2）根据钻探工艺进行选型。岩心口径（90～101 mm）与钻孔口径（216 mm）级差大，全面破碎面积占83%，居主导地位，需要充分借鉴小口径钻探钻头和大口径全面破碎钻头的结构型式，分析各类钻头碎岩方式的基础上进行选型。

（3）根据经验选型。结合岩石力学特性、其它工区类似工程［3-7］以及以往实施的深部钻探工作经验［8-14］进行钻头优选。

（4）根据实钻效果选型。在勘探孔施工过程中，根据每个回次机械钻速、取心质量、钻头磨损等因素选型，即对每个回次的钻进参数、钻头型号进行记录，把取心质量好、机械钻速高的钻头优选出来。

按照上述原则完成了首眼钻孔钻头的选型及研究工作，后期又逐步改进，高效地完成了其余两眼钻孔的取心任务。

3 钻头选型过程

钻探过程中，在钻头的选型、改型上不断进行试验，三眼钻孔完成的263个回次取心中，累计使用了硬质合金、复合片、巴拉斯3类15种钻头，其中硬质合金类钻头7种，复合片类钻头7种，巴拉斯类钻头1种，各种钻头结构特征及试验数据见表2，不同结构类型的钻头钻速悬殊。

3.1 弹塑性层段钻头选型

在首眼钻孔（CY1孔）弹塑性层段钻进中，开始选择了市场广泛应用的硬质合金刮刀类、PDC类钻头，均出现钻速低、取心质量差的问题。通过5次改进、多回次试验，针对既有一定硬度又具弹塑性的浅部古近系层段研发而成H-4-Ⅱ型硬质合金钻头（专利号ZL201720689738.2）。钻头胎体为圆筒状，材质为35CrMo，上部连接取心筒外筒，底部外形为锥面，内部成台阶状，钻头结构及实物见图3、图4。

图3 H-4-Ⅱ型钻头结构示意Fig.3 Structure of H-4-Ⅱbit

图4 H-4-Ⅱ型钻头Fig.4 H-4-Ⅱdrill bit

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3.1.1结构特征

（1）弧形翼片。4个翼片加工呈弧形，呈台阶面。钻头破碎面呈不同高度的台阶，增加了破碎自由面，提高了破碎效率；将翼片设计为弧形，翼片前方剪切破碎的岩屑易于排除，弧形翼片减少冲洗液上返流动阻力，避免重复破碎；阶梯式环状孔底结构（见图5）有利于中心岩心进入取心内筒，减少对岩心的扰动，有利于提高岩心采取率。

图5 阶梯式环状孔底示意Fig.5 Stepped annular shaped hole-bottom

（2）薄片式硬质合金切削刃。主切削刃采用薄片式硬质合金，累计16块，刃角75°；辅助切削刃采用方柱和长柱状硬质合金，累计20块；镶嵌方式均为直镶。将硬质合金片嵌焊于钻头翼片的迎层面上，有利于切削破碎，选用薄片式硬质合金为主切削刃，有利于增加对塑性岩石的切入深度。

（3）底喷式水眼。在钻头内台肩上均匀加工16个Ø10 mm底喷式水眼，可及时清除岩屑，减少重复破碎，降低泵压，同时也可以起到保护岩心减少冲刷的作用。

3.1.2 碎岩效率分析

根据钻头结构特点，进行钻头碎岩效率分析。合金块切入弹塑性岩石时受力情况见图6。根据受力图，按照力学平衡原理，当磨锐式钻头上的切削具未磨钝时推算H-4-Ⅱ型钻头硬质合金齿切入地层深度h0见式（1），机械钻速预测见式（2）［15］。

图6 硬质合金切削齿碎岩受力示意Fig.6 Load on the carbide cutting teeth when cutting rocks

式中：Py——切削齿上的轴向力，常规钻压40 kN，单块合金承受轴向力2.5 kN；b——切削具的刃宽，取15 mm；β——切削具的刃角，取75°；Hy——岩石的压入硬度，取值140～400 MPa；η——考虑到摩擦力的系数，取值0.88～0.97，工区取0.90；v——机械钻速，m/h；m——钻头翼片数，取4；n——钻头转数，取心钻进取50 r/min；t——钻进时间，取60 min。

结合现场钻进参数计算，对于弹塑性岩层段，硬质合金在未磨损时切入深度h0可达到0.28～0.10 mm，此时机械钻速可达到1.20～3.36 m/h。可见，选用硬质合金切削刃在弹塑性层钻进可行，钻头碎岩效率较高。

3.2 脆性层段钻头选型

古近系深部，岩石硬度增加，选择钻头必须考虑碎岩效率和耐磨性。在深部硬层试验时，新硬质合金钻头开始钻速很高，但切削刃很快磨损（或崩齿）而使钻速骤降，甚至不能完成一个完整回次钻进。而复合片钻头切削齿由于具有金刚石耐磨层，刃口锋利，可持续切削岩层，实现高效碎岩［16］。因此，在深部钻进，钻头切削齿优选PDC复合片。

市场上PDC钻头类型比较多，根据地层特征，试验应用了7种，其中自制2种（F-2、F-7型），成品5种（F-1、F-3、F-4、F-5、F-6型），各类钻头的钻速差异较大，最终优选出F-3、F-6型钻头。

3.2.1 结构特征

F-3型钻头通用型号为M124。钻头体为胎体式，底喷式水眼，钻头为6翼，镶焊6排对称复合片切削齿30块，钻头结构见图7（钻头外径215.9 mm，内径102 mm）。该类钻头刀翼出刃较高，切削齿较大，易切入地层，提高钻进效率，适用于胶结性较强的脆性地层。切削齿呈等差角方式布置，避免了同时切入地层引起扭矩增加，确保钻进平稳。

图7 F-3型钻头Fig.7 F-3 drilling bit

F-6型钻头通用型号为M433，钻头体为胎体式，水口为唇面直开式，各翼片中间有扇形水路。设6翼，累计镶焊复合片54块，钻头结构见图8（钻头外径215.9 mm，内径102 mm）。该类钻头刀翼较低，切削齿全出刃，齿小而多，小齿的切削刃具有更大的曲率，可在岩层接触区域形成更高的接触应力，以压切碎岩为主，容易在硬岩中形成连续的小体积破碎。这种钻头耐磨性好，钻进平稳。

图8 F-6型钻头Fig.8 F-6 drilling bit

4 应用效果

H-4-Ⅱ型硬质合金钻头通过CY1孔试验成功后，在浅部层段推广使用，各孔使用统计数据见表3。从表3可以看出，该型钻头在2000～2500 m均保持了较高的机械钻速，平均在1.1 m/h以上，个别回次在3 m/h以上（见图9），与计算数据相近。岩心均可呈柱状，采取率达到95%（见图10）。可见该类钻头在该工区1650～2500 m弹塑性地层钻进效率高，宜优先使用。

图9 H-4-Ⅱ型钻头使用回次钻速曲线Fig.9 ROP per run of H-4-Ⅱbit

图10 CY-1孔岩心实物Fig.10 Core taken from Borehole CY-1

表3 H-4-Ⅱ型钻头钻进数据统计Table 3 Drilling data of H-4-Ⅱbit

F-3型钻头在3个钻孔中均有使用，各孔使用统计数据见表4。该类钻头在ZK001孔中使用效果最佳，平均钻速达1.65 m/h，在CY1孔与ZK002孔中，钻速达0.63 m/h以上（见图11），岩心采取率均达96%以上。可见该类钻头适宜在该工区2500～3000 m脆性层段使用。

表4 F-3型钻头钻进数据统计Table 4 Drilling data of F-3 bit

图11 F-3型钻头使用回次钻速曲线Fig.11 ROP per run of F-3 bit

F-6型钻头使用统计数据见表5。该类钻头使用于两个钻孔中，在ZK001孔的使用中钻效高，机械钻速均在2 m/h以上，最高钻速达9 m/h（见图12）。在含大段盐膏层的ZK002孔的钻速低，实钻发现，盐膏层具蠕变特性，压切破碎作用无法高效发挥。该钻头的特点是在较硬的地层中具有良好的稳定性，寿命长，机械钻速较高，在该工区3000～3450 m硬度较高的脆性层段宜优先使用。

图12 F-6型钻头使用回次钻速曲线Fig.12 ROP per run of F-6 bit

表5 F-6型钻头钻进数据统计Table 5 Drilling data of F-6 bit

5 认识

通过钻头结构分析和实钻检验，优选出F-6、F-3、H-4-Ⅱ型3种钻头，在沧州古近系地层取心钻进中应用，效率高、取心质量好，适合该工区地质条件，建议推广应用。

（1）1650～2500 m对应工区古近系弹塑性特征明显的塑脆性层段，宜选以剪切方式破碎岩石的H-4-Ⅱ型硬质合金钻头。该型钻头剪切效率高，但易崩齿，不宜在深部脆性层段内钻进。

（2）2500～3450 m对应工区古近系脆性特征明显的塑脆性层段，宜选耐磨性强的复合片切削齿钻头。其中F-3型属大齿、耐磨型钻头，采用切削-压切方式破碎岩层，更适合3000 m以浅层段。F-6型属小齿、耐磨型钻头，采用压切方式破碎岩层，更适合3000 m以深层段。