牙轮钻头与PDC钻头的对比分析.pdf

李 勇等： 牙轮钻头与P D C钻头的对比分析 翼数增加， 作用在切削齿上的冲击载荷减小， 钻头 的可控性提高， 钻头寿命延长； 反之， 随着刀翼数减 少， 钻头的钻进性能提高， 具有较高的钻速， 一般来 说， 地层强度越大 ， 切削齿数越多， 刀翼数也就越 多 ， P D C钻头刀翼数量一般不低于 3个 但是也很 少多余十个【 l 】 。 表 1 岩石坚硬程度分级表 豢 代 表 性 岩 石 f 级 别 程 度 。 。 I 最 坚固 很坚 固 坚固 I i i a 坚固 比较坚固 I V a 比较坚固 V 中等坚固 Va中等坚固 比较软 a 比较软 最坚固、致密、有韧性的石英岩、 ， 玄武岩和其他特别坚固的岩石 很坚同的花岗岩、 石英斑岩、 硅质 片岩 、 较坚固的石英岩 ， 最坚固的 1 5 砂岩和石灰岩 致密的花岗岩 ， 很坚固的砂岩和石 灰岩 ， 石英矿脉，坚固的砾岩，很l 0 坚阎的铁矿石 坚固的砂岩 、 石灰岩、大理岩 、 白8 云岩 、黄铁矿、不坚固的花岗岩 一 般的砂岩、铁矿石 6 砂质页岩，页岩质砂岩 5 坚固的泥质页岩 ， 不坚固的砂岩和 石灰岩，软砾石 各种不坚固的页岩， 致密的泥灰岩3 软弱页岩 ，很软的石灰岩，白垩， 盐岩，石膏，无烟煤，破碎的砂岩2 和石质土壤 碎石质土壤 ， 破碎的页岩， 粘结成 块的砾石、碎石，坚固的煤，硬化 1 5 的粘土 软 软致密粘土 ， 较软的烟煤 ，坚固1 的冲击土层，粘土质土壤 a 软 软砂质粘土 、砾石，黄土0 8 土状 腐殖土， 泥煤， 软砂质土壤 ， 湿砂 0 6 2 牙轮钻头及 P DG钻头的破碎岩石机理对比分析 2 1 牙轮钻头破碎岩石机理 牙轮钻头在钻压和钻柱旋转 的作用下 ， 牙齿压 碎并吃入岩石，同时产生一定的滑动而剪切岩石。 当牙 轮在井底 滚动时 ，牙轮上 的牙齿依 次 冲击 、 压入 地层 。这 个作 用可 以将井 底 岩石 压碎 一部 分 ， 同时靠牙 轮滑动带来 的剪切作用削 掉牙齿 间 残留的另一部分岩石 ，使井底岩石全面破碎 ， 井 眼得 以延伸f 2 1 。 2 2 P D C钻头破碎岩石机理 I 鱼 ： P D C钻头的工作原理和刮刀钻头基本相同。 ( 1 ) P D C钻头在钻进某些硬地层时，在钻压作 用下压人岩石， 使与金刚石接触的岩石处于极高的 应力状态而使岩石呈现塑性。 ( 2 ) 在塑性 ( 或岩石在应力作用下呈塑性 ) 地层 ， 金 刚石吃入地层并在钻 头扭矩 的作用下使前方 的 岩石内部发生破碎或塑性流动，脱离岩石基体， 形 成岩屑 。 ( 3 ) 在脆性较大的岩石中， 在钻压和扭矩作用下 产生的应力使岩石表现为脆性破碎 即属于以剪力 和张力破坏岩石。这种情况下金刚石钻头的破岩速 度较高， 岩石破碎的体积远大于金刚石吃入后位移 的体积 。 ( 4 )在坚硬岩石 中，由于金刚石本身强度 的限 制 较大粒度金刚石上的钻压不足 以使岩石内部产 生塑性变形 ， 所 以一般均采用细颗粒的金刚石制成 孕镶式金 刚石钻头来钻进 ， 其特点是要靠金刚石 的 棱角实现微切削 ， 刻划等方式来破碎岩石 。这样分 离出来的岩屑基本上是粒度很细的粉末 ， 钻头的工 作效率和寿命均很低3 1。 3 牙轮钻头及 I D ( 3 钻头的适用条件 3 1 牙轮钻头的适用范围 石油钻井和地质钻探 中应用最多 的还是牙轮 钻头。牙轮钻头在旋转时具有 冲击 、 压碎 和剪切破 碎地层岩石的作用 ，所以，牙轮钻头能够适应软、 中、 硬 的各种地层 。特别是在喷射式牙轮钻头和长 喷嘴牙轮钻头出现后。 牙轮钻头的钻井速度大大提 高 是牙轮钻头发展史上的一次重大革命。牙轮钻 头按牙齿类型可分为铣齿( 钢齿) 牙轮钻头 、 镶齿( 牙 轮上镶装硬质合金齿1 牙轮钻头； 按牙轮数 目可分为 单牙轮钻头 、 三牙轮钻头和组装多牙轮钻头。国内 外使用最多、 最普遍的是三牙轮钻头。 3 2 P D C的适 用范 围 P D C钻头目前经常使用在井底需要钻头长时 间工作的井段、 油基泥浆、 或在非缩径井段使用的 水基泥浆。在高转速钻具上 ， P D C钻头也具有优越 性， 如涡轮钻具、 螺杆钻具或造斜井段。 P D C钻头经常使用在低抗压强度、胶结性差、 低研磨性、 或带有薄夹层的地层中， 如盐岩 、 石膏 岩、 泥灰岩、 灰岩等， 中等抗压强度、 具有一定研磨 李勇等： 牙轮钻头与 P DC钻 头的对比分析 性和脆性 的地层 ， 如砂泥岩 、 硅质页岩 、 孔隙性碳酸 岩和石膏岩 但 P D C钻头在高抗压强度 、 致密胶结 的研磨性砂岩、 燧石和花岗岩、 刚玉、 黄铁矿 、 砾石 中使用效果不好 4 。 很多服务公司和钻井承包商使用岩石抗压强 度 5 软件来确定地层的硬度值。 这些计算机分析岩 石抗压强度模式使用 了测井分析技术 ， 主要分析和 确定地层的三轴抗压强度。 岩石抗压强度分析软件可以协助钻井承包商 确定 P D C钻头可钻的井段 ， 优化钻头选型 ， 确定最 优钻井参数。该软件的开发应用 ， 为扩大 P D C钻头 的使用范围起到推进作用 。 4牙轮钻头及 P D C钻头的优劣性 4 1 牙轮钻头的优劣性 ( 1 ) 牙轮钻头适用于各种地层 ， 因此其是现应用 最广泛的钻头。 ( 2 ) 牙轮钻头的破碎岩石所产生 的岩屑较大块 ， 利于分辨岩屑 ， 更准确 的判断地质情况。 ( 3 ) 牙轮钻头寿命不够长 ， 进 尺少 ， 增加 了起下 钻次数 ， 影响了整个施工进度 ， 而且频繁 的起下钻 延长泥浆对油气层的浸泡时间， 对油气层损害比较 严重 ， 影响对油气的开采。 ( 4 ) 牙轮钻头胎体不能重复利用 ， 在一定程度上 加大了钻井成本。 ( 5 ) 牙轮钻头因其结构特点的限制，钻进过程 中， 容易出现牙轮遗落井底， 造成井下事故。 4 2 P D C钻头的优劣性 ( 1 ) P D C钻头适用 于高转速 、 高排量 、 低钻压 所以对设备的要求相对较高。 ( 2 )P D C钻头 的工作原理 和刮刀钻头基 本相 同， 所以一般要求较低 的钻压 ， 较高的转速。在现场 使用时 P D C钻头使用 的钻压一般 为同尺寸牙轮钻 头 的 2 0 4 0 。 ( 3 ) P D C钻头是由钻头胎体以及金刚石复合片 组成的，切削岩石时主要是复合片与岩石接触 胎 体基本不会有损坏 ， 故胎体可以重复使用 。在一定 的程度上节约了钻井成本。 ( 4 ) P D C钻头在高抗压强度 、致密胶结 的研磨 性砂 岩 、 燧石和花 岗岩 、 刚玉 、 黄铁矿 、 砾石 中使用 效果不好 ( 5 ) P D C钻头钻进时 ，靠金刚石的棱角实现微 切削 。 刻划等方式来破碎岩石。这样分离出来的岩 屑基本上是粒度很细的粉末 当现场采用岩屑录井 时不易准确的判断井下情况。 ( 6 ) 由于 P DC钻头本身 的一些特性 ， 造成在定 向井中井斜、 方位控制方面的问题 ， 所以在现场定 向井多使用牙轮钻头。 5 牙轮钻头以及 P D C钻头的发展前景 牙轮钻头和 P D C钻头在钻井过程中各 自的优 势都非常明显 ， 扬长避短 ， 牙轮一 P D C混合钻头 6 问 世并运用于现场钻井 中。并取得 了相当瞩 目的成 绩。随着科技的发展 ， 将会有越来越先进的钻头结 构以及钻井工艺。 图4牙轮一 P D C混合钻头 参考文献 1 李锋 P D C钻头的原理和应用 L) 应用科学 2 O 1 0 2 O： 9 8 2 闰铁等 牙轮钻头的岩屑破碎机理及可钻性的分形法 J ， 2 0 0 7 ( 2 ) ： 2 7 3 0 3 李锋 P D E钻头的原理和应用 J 应用科学。 2 O 1 O 2 O ： 9 8 4 张如平等 利用岩 石三轴抗压 强度优选 P D C钻头 J 石油大学学报， 2 0 0 5 ， 2 9 ( 6 ) ： 3 8 4 0 5 J R S P a a e t等著 ， 李松林译 用地层的抗压强度估计 地层可钻性