不同鉆井參數(shù)、不同磨損期PDC鉆頭巖屑分析

羅武

（大慶油田有限責(zé)任公司鉆探工程公司機(jī)械廠，黑龍江 大慶163000）

1 PDC鉆頭特點(diǎn)及造屑機(jī)理

1.1 PDC鉆頭的主要特點(diǎn)

PDC全稱為 Polycrystalline Diamond Compact（聚晶金剛合金片），這類鉆頭是油氣鉆井中針對中軟地層而開發(fā)的新型鉆頭。近幾年，PDC鉆頭被越來越廣泛地應(yīng)用，PDC鉆頭的優(yōu)越性顯而易見，與傳統(tǒng)的牙輪鉆頭相比，PDC鉆頭有著明顯的優(yōu)勢：鉆井速度快，可以提高機(jī)械鉆速，降低鉆井成本；使用壽命長，減少起下鉆次數(shù)，降低工人勞動強(qiáng)度，輔助時間少；適應(yīng)地層廣。適合川西氣田特殊地質(zhì)特征，低鉆壓剪切均勻破碎，有利于防斜；安全系數(shù)大。沒有掉牙輪風(fēng)險，事故發(fā)生概率較小。不過PDC鉆頭存在一些缺點(diǎn)：鉆頭成本高，要求井底干凈，禁止井下有金屬落物；對井壁進(jìn)行修復(fù)的功能不如牙輪鉆頭；PDC鉆頭所鉆的巖屑細(xì)小，雖便于泥漿攜帶，保持井底干凈，但給巖屑錄井工作帶來很大困難。

1.2 PDC鉆頭造屑機(jī)理

PDC鉆頭破碎巖石的方式主要是剪切作用。從巖石破碎強(qiáng)度可知，巖石抗剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)低于巖石的抗壓強(qiáng)度（為抗壓強(qiáng)度的0.09～0.15倍），PDC鉆頭正是利用巖石的這一特征實現(xiàn)其高速鉆進(jìn)。PDC鉆頭在扭矩力的作用下，復(fù)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(fù)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(chǎn)阻礙巖屑移動的摩擦力。這種摩擦力往往可以積累到相當(dāng)高的程度，以至于會造成巖屑在切削齒邊緣的堆積。這種現(xiàn)象一旦發(fā)生，井底巖石的運(yùn)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(xiàn)象在鉆頭后期表現(xiàn)的尤為突出。

2 PDC鉆頭使用對巖屑錄井質(zhì)量的影響

高轉(zhuǎn)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(jīng)濟(jì)效益，但與此同時卻給地質(zhì)錄井中工作帶來諸多困難，鉆頭鉆出的巖屑極其細(xì)小，給地質(zhì)資料的錄取質(zhì)量帶來了較大的影響。鉆井地質(zhì)錄井主要工作之一是通過巖屑建立巖性剖面、劃分地層，鉆井巖屑細(xì)小，無疑是對巖性剖面的恢復(fù)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(xì)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(dǎo)致?lián)迫〉降膸r屑數(shù)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(xì)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(yán)重影響巖性剖面符合率。另外砂、泥巖鉆時區(qū)別不大（特別是淺層），因此鉆時在剖面恢復(fù)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(jìn)時間搭配不合理。在川西淺層中軟地層，PDC鉆頭鉆時較快，1500m以前平均鉆時1～4min/m，快的時候不足1min鉆進(jìn)一米，而采集、清洗一包巖屑樣一般需要5～10min左右，即使按照4m的采樣間距也無法跟上鉆頭，如果是勘探井或油氣顯示加密段，當(dāng)采樣間距縮小時，采樣就更無法跟上鉆頭進(jìn)尺，從而造成采樣困難，砂樣的質(zhì)量及代表性變差。PDC鉆頭鉆出的巖屑極其細(xì)小，給地質(zhì)剖面的恢復(fù)帶來了較大的影響。如何識別不同磨損時期、不同鉆井參數(shù)條件下PDC鉆頭的巖屑，保證巖屑錄井的質(zhì)量，筆者就在川西孝泉、新場等構(gòu)造現(xiàn)場錄井工作中所遇到的情況及采取的處理方法來淺談解決細(xì)小巖屑錄井的問題，以供大家探討。

3 不同鉆井參數(shù)、不同磨損期PDC鉆頭巖屑的分析識別。

根據(jù)川孝169從式井組、川孝452井、川孝464井等十余口的巖屑來看，鉆頭使用的時期不同，鉆頭本身磨損程度肯定不同，在相同鉆井參數(shù)下鉆進(jìn)返出的巖屑大小不同。同樣，鉆頭磨損程度一定，而鉆井參數(shù)不同，所鉆巖屑大小也肯定不同。因此在對巖屑代表性進(jìn)行判定時，地質(zhì)工作者必須將PDC鉆頭使用的時期及鉆井參數(shù)相結(jié)合來綜合考慮問題。

3.1 使用早期的PDC鉆頭在不同鉆井參數(shù)下的巖屑分析識別

高轉(zhuǎn)速、低鉆壓、低排量。在這種鉆井參數(shù)條件下使用磨損程度小的PDC鉆頭鉆進(jìn)，鉆速相對較慢，掉塊多，轉(zhuǎn)盤負(fù)荷較大。由于泥漿對地層巖屑的沖刷破碎力小，鉆頭破碎的巖屑未被進(jìn)一步破碎，因此所鉆巖屑顆粒較大，但是由于排量低，巖屑上返不及時，井筒內(nèi)巖屑多，部分巖屑又受鉆頭及高速旋轉(zhuǎn)鉆桿的劇烈攪拌造成重復(fù)性碾磨而變小，最終導(dǎo)致巖屑情況復(fù)雜，觀察發(fā)現(xiàn)所得巖屑總體新鮮感降低，粒徑最大4～5mm，一般在2～3mm之間，最小為1～2mm。以2mm篩層巖屑（大小2～3mm）代表性最好。

低轉(zhuǎn)速、低鉆壓、高排量。這種鉆井參數(shù)組合很少見，在這種條件下使用磨損程度小的PDC鉆頭鉆進(jìn)，鉆速較慢。鉆盤轉(zhuǎn)速低，鉆頭對已破碎的巖屑未造成重復(fù)性碾磨，并且?guī)r屑上返過程中也未受鉆桿高速旋轉(zhuǎn)的劇烈攪拌,從而使返出的巖屑顆粒相對較大。粒徑最大4～6mm，一般在2～4mm之間，最小達(dá)1.0mm，以2mm篩層巖屑（大小2～4mm）代表性最好，1mm篩層巖屑（大小1～2mm）代表性略次。

低轉(zhuǎn)速、低鉆壓、低排量。尚未遇到在這種鉆井參數(shù)條件下使用磨損程度小的PDC鉆頭鉆進(jìn)的情況。

3.2 進(jìn)入晚期的PDC鉆頭在不同鉆井參數(shù)下的巖屑分析識別

高轉(zhuǎn)速、低鉆壓、高排量。在這種鉆井參數(shù)組合下使用磨損程度較高的PDC鉆頭鉆進(jìn)所得巖屑，鉆速變得很慢，巖屑變得很細(xì)，粒徑最大2～3mm，一般在0.5～1mm之間或呈粉末狀。此時巖屑很細(xì)，篩樣要特別注意，篩樣時要前后對比巖屑，看暗色巖屑（泥巖）與淺色巖屑（砂巖）的增減量，使用1～2～5mm四層選樣篩選樣，如淺色巖屑（砂巖）增加，則漏過1mm篩層的粉末狀巖屑代表性最好；如暗色巖屑（泥巖）增加，則漏過1mm篩層巖屑（大小0.5～1mm）代表性最好，1mm篩層巖屑（大小1～2mm）代表性次之，2mm篩層以上巖屑代表性就非常差了。

高轉(zhuǎn)速、高鉆壓、高排量。在川西，井隊當(dāng)PDC鉆頭使用到晚期后，由于鉆頭昂貴，為節(jié)約鉆頭成本，一般都要加大鉆井參數(shù)，特別是加大鉆壓繼續(xù)維持鉆進(jìn)，因此這種鉆井參數(shù)組合使用較多。此時使用磨損程度高的PDC鉆頭鉆進(jìn)，鉆速仍然很慢。井下巖屑由于所承受的壓力過大而使其緊貼切削齒表面，從而生產(chǎn)阻礙巖屑移動的摩擦力。這種摩擦力往往可以積累到相當(dāng)高的程度，以至于會造成巖屑在切削齒邊緣的堆積。井底巖石的運(yùn)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，如果排量減小，這種現(xiàn)象將更加嚴(yán)重。

低轉(zhuǎn)速、低鉆壓、高排量。在這種鉆井參數(shù)條件下使用高磨損程度PDC鉆頭鉆進(jìn)，鉆速非常慢，井隊基本都會起鉆換鉆頭。

低轉(zhuǎn)速、低鉆壓、低排量。尚未遇到在這種鉆井參數(shù)條件下使用高磨損程度的PDC鉆頭鉆進(jìn)的情況。

綜上所述，在川西孝泉、新場等構(gòu)造的中軟地層，PDC鉆頭在鉆井過程中形成的巖屑與PDC鉆頭的磨損程度及鉆井參數(shù)的使用有密切關(guān)系。不同的鉆井參數(shù)、不同的鉆頭磨損程度對巖屑的大小、形狀有著重要影響，作為地質(zhì)工作者在使用PDC鉆頭巖屑錄井過程中應(yīng)綜合考慮影響巖屑成因的各種因素，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。

[1]張成.PDC鉆頭巖屑分析.2002-12.

[2]孫明金.PDC鉆屑巖性識別技術(shù)研究與應(yīng)用.