牙轮钻头的选型分析

杨 全张 智李海洋

（1.威锐国际公司中国区（北京），北京 100025；2.西南石油大学，成都 610500）

牙轮钻头的选型分析

杨 全1张 智2李海洋2

（1.威锐国际公司中国区（北京），北京 100025；2.西南石油大学，成都 610500）

钻头选型的正确与否直接关系到钻井进度和成本的控制，所以选择与地层和工具相匹配的钻头型号非常关键。结合地层抗压强度的资料，临井钻井的钻头使用情况及磨损分析提出牙轮钻头的选型方案。提出初次选型要考虑地层物性参数和临井使用钻头资料，根据这两个途径来进行钻头合理化选择；二次选型方案中重点分析钻头磨损，找出原因，为后续作业中钻头选择提供有力支持。

牙轮钻头；地层硬度；磨损分析

钻头是钻井行业中最前沿且技术要求最高的工具之一，钻头的合理选型对提高钻进速度，降低钻井综合成本起着重要作用。目前,钻头选型方法大致可概括为3种:一是钻头使用效果评价法；二是岩石力学参数法；三是综合法。钻头使用效果评价法把反映钻头使用效果的一个或多个指标作为钻头选型的依据；岩石力学参数法根据待钻地层的某一个或几个岩石力学参数,结合钻头厂家的使用说明进行钻头选型；综合法把钻头使用效果和地层岩石力学性质结合起来进行选型。本文以综合法来进行牙轮钻头选型分析。

1 牙轮钻头初选

1.1 地层抗压强度

我们对一个新的地区和区块进行开发作业时，首先要了解地层，包括可钻性的预测和钻头的合理选型。钻头选型的正确与否直接关系到钻井进度和成本的控制。所以，选择与地层和工具相匹配的钻头型号非常关键。目前可以从DBOS系统,地质录井图,地层硬度和IADC对照表3个方面判断与分析钻头选型问题。

地层分析系统：根据距离较近的已钻井的测井资料（声波和伽马等）来做地层的抗压强度分析；威锐钻头公司的UCS二维抗压强度曲线，能较直观的反应地层硬度和研磨及冲击力等情况。

图1 威锐公司的UCS地层和牙轮钻头选型系统

通过史密斯的DBOS钻头优选系统，可以给出钻头IADC范围和钻头的保护特征的选择参考。通过对地层的分析和理解，可进一步为钻头的选型提供参考依据。DBOS选型示意图见图2。

图2 DBOS选型示意图

地质录井是配合钻井勘探油气的一种重要手段，它随着钻井过程利用多种资料和参数，观察、检测、判断和分析地下岩石性质和含油气情况。主要包括岩屑录井、岩心录井、钻时录井、荧光录井、钻井液录井及气测录井等。地质录井图可以显示岩石特性等信息，为钻头的选型提供帮助，地质录井图如图3所示。

图3 地质录井图

表1 地层及硬度和IADC对照表

表2 牙轮钻头使用记录

根据表1可以初步确认在特定地层中对应的钻头的IDAC编码，从而根据各个钻头公司的钻头命名来划分大致范围。

1.2 临井的钻头使用资料

临井使用的钻头记录是进行钻头选择的重要参考依据，需要了解以下几个参数：

型号；钻井参数（钻压，转数，等）；进尺和机械钻速；起钻后的磨损情况。

通过对表2各数据的分析，我们会对某种型号钻头在特定的工况下的表现有更深入的认识，再次分析钻头和地层在给定工具的配合下的表现，得出初步结论。

影响钻头选择的次要因素包括：

（1）井身结构（直井，定向井，水平井）：根据井身结构来确定特定尺寸下的井眼尺寸，再根据地层特性来参考钻头型号，并且根据井型特点来考虑对钻头的保护，如水平井要考虑保径部分加强，直井要求钻头的稳定性能要好等。

（2）钻井液的使用类型：钻井液的选择对钻头的选择也非常重要。如使用油基泥浆时应考虑到其特点，泥浆固相和含砂较少，对钻头磨损小，所以，应该选择比水基泥浆中使用钻头攻击性更强的钻头，在抗研磨上要求较低。

（3）对将要作业层位和尺寸的钻头初选：在选型之前需要知道井身结构和要使用的参数情况。比如，在水平井中应考虑到钻头的附加特征保护保径，以及钻头的导向性能是否满足作业要求等。

2 钻头二次选型

在现场应用中经常会出现与预期不同的结果，这就需要我们再一次地进行钻头选型。

通常情况，在现场使用中常出现的不良情况是钻时过低，其原因有：选型过硬，可提高攻击性能，如果磨损不大，可以选择IADC527的钻头；钻井参数选择不合理，可以根据试钻法来优化参数，步骤如下：

（1）试钻是确定最优钻压和转速组合获得很快机械钻速的有效手段；（2）在地层变化，机械钻速变化，扭矩变化，人员变化以及作业参数变化（如泥浆性能），水力学变化时要进行试钻；（3）试钻转速从低转速开始，钻压以推荐的钻头所承受的最大钻压为上线；（4）在不同的钻压和转速组合都能获得很高的机械钻速时，取不跳钻的低钻压－转速组合以延长钻头寿命；（5）最优的钻压和转速以线性终点和扭矩的限制为佳。

3 钻头磨损分析

如果钻头出现了磨损严重的情况，则需要对钻头的磨损做更详细的科学分析，找出真正的原因，解决问题。不论是钻时低还是磨损情况复杂等，都可以通过对钻头的磨损等级分析得出相应的结论和解决方法。

钻头磨损特征的描述和分析：

（1）IADC钻头磨损定级方法

对使用过的钻头进行磨损定级，是对钻头使用状况的分析和总结，也是选择下一个钻头和确定合理的钻井参数的依据。

为了能够详尽和准确地反映钻头使用后各个部位的磨损特征和钻头停止使用的原因，IADC在新的钻头磨损定级方法中规定，对钻头的磨损定级要用八位数来描述。这种方法适用于所有类型的牙轮钻头和金刚石钻头，是一种比较先进和科学的评价钻头磨损情况的方法。

对于三牙轮钻头，规径磨损值的测量应遵循“2／3规则”，以测得较准确的数据。所谓的“2／3规则”，是用钻头量规接触两个牙轮的最外缘点，测量出第三个牙轮的最外缘点与钻头量规的最小距离，以这个距离值乘以2／3，换算成 1.6mm（1／16in）的单位，即为规径的磨损减小值。

（2）钻头磨损特征分析

为了更好地理解各种钻头磨损特征的意义，对钻头（以牙轮钻头为主）的磨损特征逐一进行分析。这些磨损特征都是钻头工作时常常遇到的问题，通常与我们使用中遇到的各种情况相对应，从而分析各种可能的原因和解决办法。在实际使用中，还可能会出现各种意料不到的情况，必须根据具体问题加以分析和判断。

举例说明钻头磨损定级的意义。一个215.9mm、IADC编码为517的牙轮钻头，使用后磨损定级为7、1、BT、M、E、I、NO、PR。这个磨损状况说明该钻头钻遇的地层过硬，内圈齿断裂严重；因地层太硬而导致内圈齿断裂或磨损严重，致使钻速降低，是被迫起钻的原因（有时，钻压过大也会出现这种磨损）。根据无其他磨损特征、轴承密封有效和规径完好等情况分析，钻头的使用较合理。如果钻头的使用时间比预期的寿命短，则说明该钻头的选型相对地层而言“太软”。

根据钻头的磨损分析，可以找到钻头磨损的原因和处理方法，例如，钻头磨损很轻而且钻时慢，说明钻头在该地层中偏硬，应选择IADC相对小点的钻头；如果钻头磨损严重，断齿多，说明地层相对钻头有点硬，可以选择IADC相对大点的钻头。

4 结 语

钻头型号的选择要考虑各种因素的影响，根据不同的地层条件和工作环境进行合理的钻头型号优化。

综合分析方法将钻头使用效果和地层的岩石力学性质结合起来进行选型。钻头在井下受多种力学因素的影响,单凭一个或几个力学参数很难选出真正适合本地区的钻头。地层综合系数法虽然综合考虑了多种岩石力学特性参数，但只是针对某一区块进行的，受区域限制。由于不同地区地层起伏变化不同，岩性多变 ，岩石坚硬破碎难度不一，地层可钻性不同等地层因素，是影响钻头在井底破岩效率的主要原因，故钻头选型研究工作的开展在油田任重道远。

[1]刘斌,楼一珊,吴惠梅,等.吐哈盆地柯柯亚区块侏罗系钻探中的钻头选型[J].新疆石油地质,2012,33(1):106-107.

[2]刘天恩,付友义,窦同伟,等.钻头选型新思路[J].油气田地面工程,2011,30(1):87-88.

[3]杨仲涵,何世明,周晓红,等.国内外钻头优选方法述评[J].重庆科技学院学报：自然科学版,2011,13(4):87-89.

[4]彭刚,杨世军,先齐.轮古区块深井复杂地层钻头选型研究与应用[J].钻采工艺,2011,34(5):28-30.

[5]李福来.浅谈钻头地选型及分类法[J].中国石油与化工标准与质量,2011(9):96.

[6]陈汶滨,程浩,李斌,等.基于邻井钻头优选算法的研究[J].信息技术,2009(7):128-130.

[7]李忠慧,张春阳,楼一珊,等.钻头优选新方法及其应用[J].天然气工业,2008(12):54-56.

[8]张辉,高德利.钻头选型方法综述[J].石油钻采工艺,2005,27(4):1-4.

Abstrac：Right bits option affects drilling effective and drilling cost directly.So it is very important to select correct bit types based on the formation and tools.This article introduces some schemes for Roller Cone Bits selection through some comprehensive analysis including formation compressive stress,offset bit run information and dull conditions.It mentions main points for first selection including formation property parameters,offset used bits information,based on above two ways to do the suitable bits option.For the second step,it is more focus on bit dull condition,and tries to find the reason for the dull,so that it can supply better and useful advises for future drilling operations.

Optimization Choice Analysis of Roller Cone Bits

YANG Quan1ZHANG Zhi2LI Haiyang2
（1.China Section of Weirui International Company(Beijing)，Beijing 100025；2.Southwest Petroleum University，Chengdu 610500）

roller cone bits；formation hardness；dull analysis

TE922

A

1673-1980(2012)05-0122-04

2012-04-08

国家自然科学基金项目（50904050）；四川省科技厅应用基础计划项目（2011JY0106）；博士后科学基金项目（20110490810）

杨全（1973-），男，辽宁锦州人，高级工程师，维锐国际公司中国区经理（北京），研究方向为石油设备。