PDC钻头在三叠系泥岩钻进过程中的技术问题及对策研究

范晓东

摘 要：为了提高PDC钻头在ZK7057钻孔三叠系泥岩中的工作效率，减小钻头的切削磨碎程度。本文根据PDC钻头在现场使用的情况，分析钻头在三叠系泥岩进尺缓慢的原因，并提出改进措施。结果表明：由于目的层疏松砂岩、砂砾岩和软煤造成取芯困难，孔壁稳定性差，引起自然事故频发，三叠系泥岩致密造成钻进困难，复合片的异常消耗导致钻速降低，吸附的岩粉清洗不及时导致进尺缓慢.，建议在以后的钻进工作中使用屋脊片（V型）复合片钻头进行工作。通过对复合片进行表面抛光处理，改造复合片的齿形结构，增强复合片胎体的抗冲击韧性和抗弯强度，增大复合片钻头水路空间来提高PDC钻头在三叠系泥岩中的钻进速度。

关键词：PDC钻头：三叠系泥岩;钻孔取芯;屋脊片;复合片

1.引言

ZK7057孔是伊犁南缘中西段项目近年来在铀矿地质勘查中施工的最深钻孔。该孔设计孔深llOOm，井型为垂直井，目的层为三叠系中上统小泉沟群砂砾岩，要求除第四系外全孔取芯，主要使用PDC钻头进行钻孔钻进。

在钻孔取芯的过程中，由于第四系覆盖为力学不稳定地层，钻进时易发生孔壁坍塌、掉块卡钻和孔斜事故[1-2]。泥岩水敏为化学不稳定地层，钻进时易发生孔壁缩径、扩径和泥浆岩粉化，由此造成的后果是钻具和测井仪器下不去，增加了冲孔和扩孔的时间消耗，夹埋钻具，扩径处钻杆折断及钻杆断头贴近空穴壁[3-4]。在钻探承压含水的疏松砂岩时，可能会出现伴随有破坏孔壁的涌水或泥浆漏失。由于目的层多疏松砂岩、砂砾岩和软煤，也造成取芯困难[5]。

根据岩芯情况显示，800m以后深度大部分为泥岩，少量煤，砂岩填充，后期泥岩在一定的温度，压力条件下，孔隙度减小，胶结更加致密，弹塑性、研磨性极强;深部弹塑性泥岩上覆地层压力大，岩性致密，硬度大强度高，钻进时切削工具的研磨损耗大，造成碎岩困难、钻进困难[6]。合金钻进时效小于Im，石英砂岩研磨性强，合金钻头寿命和时效低于0.5m，造成PDC钻头的大量破坏[7]。根据PDC钻头的现场使用情况和三叠系泥岩进尺缓慢的原因分析，为了提高钻头在ZK7057钻孔工作区的钻进效率，有必要对PDC钻头进行改进。

2.ZK7057钻孔工作区简介

ZK7057钻孔工作区位于伊犁盆地洪海沟地区，为察布查尔锡伯自治县和新疆生产建设兵团六十七团管辖，距伊宁市50km—80km，县道和简易公路网状分布可达各乡和钻探施工区，交通便利。伊宁市与乌鲁木齐相距约700km。

ZK7057钻孔工作区位于山前冲击平原地带，地势较平缓，为大陆性北温带半干旱气候。钻孔揭露地层主要包括第四系、第三系和侏罗系，其中第四系为砂、砾、泥松散堆积，厚度220m—280m，可钻性6—8级;第三系为杂色泥岩，厚度30m—80m;侏罗系为泥岩、砂岩和煤互层，可钻性3—8级。据地质资料，中上三叠统小泉沟群为构造活动由强减弱，快速水进条件下形成的冲积扇一浅水湖相沉积。区域内白下而上可分三段，勘查区内由两个由粗而细的沉积韵律组成，总体缺少区域上的第三段和第二段的下部。仅在洪海沟地区揭穿小泉沟群，总体由厚大泥质类岩石和粗大砾岩组成。下段扇根相砾岩层不整合上覆于石炭系花岗岩之上，平均厚度56m，其上为厚约lOm的泥岩、泥质粉砂岩等泥质类岩石;上段的底部为厚约67m的砾岩、含砾砂岩，上覆厚度大于200m的浅湖相厚大泥岩、泥质粉砂岩和粉砂质泥岩，以夹薄层菱铁矿为特征。

ZK7057钻孔施工时间为2018年7月28日至2018年9月30日，施工周期62天，终孔孔深1101.86m，累计采取岩芯606.84m。井深结构：φ151-φ132-φ113-φ98，自311m开始取芯，取芯段孔径为φ113和φ98。

3.PDC钻头现场使用情况

ZK7057孔白311m取芯以来，一直采用φ113PDC复合片钻头单管取芯，使用常用的PDC钻头，在进入致密泥岩地层之前（800m之前），效率普遍较高，取芯情况良好。在钻遇致密泥岩之后钻速逐渐降低，钻头切削具磨损严重，严重时一回次需要更换一次钻头，在钻至890m～910m时，平均机械钻速低至0.2m/h，现场表现为进尺缓慢，甚至迟迟不进尺。三叠系泥岩地层厚度约200m，现场更换使用了多种形式的PDC钻头，更换多种切削具形式，使用过的有钻头有：普通圆片复合片钻头，尖齿复合片钻头，尖齿半圆对焊复合片钻头，锥形复合片钻头，阶梯式网片钻头，屋脊片（V型）复合片钻头，阶梯式屋脊片复合片钻头等，但总体效率较低，极大延长了钻井时间，严重影响钻井效率。在现场使用过的屋脊片（V型）、锥形、阶梯式屋脊片（V片）、尖齿半网对焊型PDC钻头如图1、图2、图3、图4所示。

4.PDC钻头三叠系泥岩进尺缓慢原因分析

通过对现场使用过的钻头分析发现，较多的钻头表现为复合片异常磨损、消耗、断齿等原因可能导致的钻进缓慢;有部分钻头表现为钻头正常磨损，但进尺也缓慢;也有一些钻头表现为部分复合片少量磨损，其他复合片几乎不磨损，但同样进尺缓慢。PDC钻头三叠系泥岩进尺缓慢的具体原因有以下三条。

4.1致密泥岩造成钻进困难

地层中含有一定的硬夹层，易造成憋钻，钻头异常磨损、掉齿、断齿现象，导致钻头早期损坏，甚至使切削具失效[8]。大量的致密泥岩，研磨性很强，易对钻头保径和切削齿造成最坏。弹塑性很强，切削齿难以压人地层形成体积破碎，只能形成表面疲劳破碎，产生的细小岩粉颗粒极易吸附在钻头和切削具上，甚至造成钻头泥包，造成钻进困难。目的层松散砂砾岩、硬而致密的三叠系泥岩、疑似断齿的PDC钻头、尖齿复合片损坏严重的钻头如图5、图6、图7、图8所示。

4.2复合片的异常消耗导致钻速降低

钻头复合片非正常磨损，主要损坏特征表現为：（1）复合片碎裂、崩片。由于地层中含有一些硬夹层，以及一些钻头冠部制作不规范，导致PDC钻头在钻进过程中，突然遇到该类硬夹层时，复合片受力不均匀，产生的瞬间载荷过高，足以使得局部切削齿碎裂、断片等。（2）复合片脱落。主要原因是由于制作工艺的不佳所制。复合片与基底焊接不牢固，当遇到复杂孔内载荷或者大载荷时，很容易出现复合片脱落的现象。（3）金刚石层脱落。由于钻头水力结构的缺陷或不合理，或者是冲洗液量不够，导致冲洗液不能良好的冲洗和冷却，致使金刚石层温度过高，导致金刚石层出现微裂纹，在外力作用下最终致使金刚石层脱落。

4.3吸附的岩粉清洗不及时导致进尺缓慢

由于水力结构设计的原因或冲洗液量和流动性的原因，导致钻进时由切削齿破碎的岩屑不能被及时的有效清除，而泥岩本身是由<4um的黏度矿物颗粒构成的，在钻进过程中形成的岩粉具有很强的吸附能力，并在井底被重复破碎，且易形成糊钻、泥包，严重影响碎岩能力，进而影响机械钻速[9]。

三叠系泥岩大部分为硬而致密的弹塑性泥岩，PDC切削齿对这类弹塑性泥岩是一个剪切滑移的过程，再加之泥岩颗粒细小，结构紧密，表现为切削具很难切入，即使切入以后其切入深度也很小，切削具压人泥岩产生的微小变形很快被泥岩的弹性变形所抵消，切削具向前移动时，所产生的变形很快恢复，使切削具的破碎做功失去效果[10]。再加上泥岩成分中存在较多的硬颗粒，例如石英细颗粒，切削具切人后很快被研磨，无法进行切削，导致“打滑”不进尺，最终导致机械钻速低下。

5.PDC钻头进尺缓慢应对措施及建议

5.1 ZK7057孔经验总结

ZK7057孔钻进三叠系泥岩累计达200m，常规PDC取芯钻头不但磨损严重，消耗量大，而且机械钻速低至0.5m/h，最低只有0.2m/h，延长钻井周期，致使裸眼时间过长，泥浆很难长期维持覆盖层的稳定性，对上覆不稳定地层有很大的影响。在后期施工中，上覆地层频繁掉块，导致提下钻困难，钻头挤压变形，甚至较为严重的卡钻现象。但后期在试用一种屋脊片（V型）复合片钻头时，较其他钻头相比，钻速有一定程度的提升。对此在今后的施工中，可采取该种钻头进行试验和施工，以继续探索钻进三叠系泥岩的最优钻具。现场使用的屋脊片（V型）复合片钻头如图9所示。

5.2 PDC复合片钻头的改进

5.2.1复合片性能分析

（1）据了解，经过多年的发展，国内外复合片的性能指标已发生质的飞越，指标大幅度提高[5-7]。目前国内复合片耐磨性平均值已达到18万～22万（磨耗比），抗冲击韧性平均值可达400J～600J，依据三叠系泥岩的岩石组成颗粒细小，石英含量高，应尽量采用具有高耐磨性（磨耗比>20万）、高冲击韧性（ >400J），高热稳定性（750 0C烧结后，磨耗比和抗冲击韧性的变化< +5%）的复合片[8-9]。（2）我国复合片性能发展到现在，其平均性能已经和国外性能指标十分相近，但是在使用过程中仍有差距[10]。复合片除了高耐磨、高冲击强度以外，其第三个性能一高耐热性显得尤为重要，它直接导致PDC的热损坏。当PDC受到热侵蚀后，其金刚石层中的金刚石受到碳化和氧化以及产生裂纹，因此这也是PDC损坏的重要原因之一，因此高质量的复合片除了具备高耐磨性，高冲击强度以外，还需要具备高耐热性。

5.2.2复合片改进措施

（1）进行复合片表面抛光处理。由于泥岩本身颗粒细微，在钻进过程中产生的岩粉具有很强的吸附能力，很容易黏附在复合片表面，形成一层岩粉垫。因此对于复合片来说，可以将其表面进行抛光处理，使之表面成为镜面，使得钻进中产生的岩粉岩复合片镜面迅速排排除，防止岩粉垫的形成，从而有利于提高机械钻速。

（2）改造复合片的齿形结构。对于三叠系泥岩这种结构十分致密的泥岩，复合片压人是十分困难的，在孔底三轴应力的包围下，压人泥岩显得更加困难。为此，应当将复合片设计成齿形，在钻进时可在孔底形成多个白由面，即多个齿形环，使岩石产生拉应力破碎。依据泥岩的成分、硬度、结构等，可以将复合片設计成单齿的，两齿的和四齿的，其中单齿的和V型片结构类似。齿形复合片示意图如图10所示。

（3）增强复合片胎体的抗冲击韧性和抗弯强度。如若采用齿形复合片，则钻头胎体后支撑则同样为齿形。常规圆片型复合片的后支撑为半圆形，齿形后支撑相对于半圆形后支撑相比，其抗弯强度明显不如前者，因此需要增强胎体的抗冲击韧性和抗弯强度。复合片后支撑类型示意图如图11所示。

（4）增大钻头水路空间。水路一般可分为三部分，即内水槽、外水槽、底水口，为及时排除岩粉，有效冷却PDC复合片，应在合理的前提下尽量增大水路空间。为增大底水口，可将复合片底出刃设计为全出刃镶嵌，外水口可设计为超径钻头，内水槽设计应考虑到胎体内径、钢体的内径和内环状间隙，防止泥岩岩芯膨胀并使其顺利进入岩芯管。齿形复合片钻头和细齿状复合片钻头如图12、图13所示。

6.结论

（1）ZK7057孔使用的PDC钻头，在进入800m的三叠致密泥岩之后，钻孔效率低，平均机械钻速低至0.2m/h，进尺缓慢，同时增加了钻头的切削磨损程度，在现场频繁更换钻头，极大延长了钻井时间，严重影响钻井效率。

（2）由于三叠系泥岩致密造成钻进困难，钻头异常磨损、掉齿、断齿。复合片的异常消耗导致钻速降低，复合片碎裂、崩片、金刚石层脱落，岩粉吸附力强，切削碎屑清洗不及时导致进尺缓慢。

（3）在钻孔工作中，推荐使用屋脊片（V型）复合片钻头进行钻进，同时通过对复合片进行表面抛光处理、改造复合片的齿形结构、增强复合片胎体的抗冲击韧性和抗弯强度、增大复合片钻头水路空间来提高钻进效率。

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