1、埕北 1FAP3 井钻头选择的几点认识摘要：本文探讨了 PDC 钻头与牙轮钻头的结构特点，对 PDC 钻头的破岩机理进行了论述，在钻井过程中，如何优选出既与所钻地层相适应又比较经济的钻头，以实现安全、高效、优质钻井，一直是人们长期致力研究的课题。 关键词：牙轮钻头；PDC 钻头；结构；防斜；破岩效果 钻头是破碎岩石的主要工具。钻头作为钻井作业中最重要的工具，其工作性能直接影响到钻井作业的质量、成本和效率。 一、PDC 钻头与牙轮钻头的结构特点 1.1PDC 钻头结构特点 PDC 钻头，就是聚晶金刚石复合片钻头，它是以金刚石为原料加人粘结剂高温下烧结而成。复合片为圆片状，金刚石层厚度一般小于 1
2、mm，切削岩石时作为工作层，碳化钨基体对聚晶金刚石薄层起支撑作用。PDC 无活动部件的整体式钻头，由钢体、胎体（冠部和保径部分） 、水眼及水槽、金刚石切削刃等部分组成。 PDC 既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有碳化钨合金的结构强度和抗冲击能力。弱点是热稳定性差，350以上加速磨损。抗冲击能力较差。1.2 牙轮钻头结构特点 牙轮钻头由壳体（牙爪） 、巴掌、牙轮、轴承和水眼等部件组成。牙轮装在牙轮轴上，牙轮带有牙齿，用以破碎岩石；每个牙轮与牙轮轴之间都有轴承。水眼（喷嘴）是钻井液的通道；储油密封补偿系统储存和向轴承腔内补充润滑油脂，同时可以防止钻井液进入轴承腔和防止漏失润滑脂。 二、PDC 钻头
3、与牙轮钻头的性能特点 2.1 破岩机理 2.1.1 牙轮钻头破岩机理 （1）牙齿的公转与自转 牙轮钻头依靠牙齿破碎岩石，牙轮钻头工作时，固定在牙轮上的牙齿随钻头一起绕钻头轴线坐顺时针方向的旋转运动，这种运动称作公转。公转的速度就是转盘或井下动力钻具的旋转速度。 钻头工作时，牙齿绕牙轮轴线坐逆时针方向旋转称为自转。牙轮以及牙轮上牙齿的自转是破碎岩石时牙齿与地层岩石之间相互作用的结果。（2）钻头纵向振动及对地层的冲击、压碎作用 钻井时，钻头上承受的钻压经牙齿作用在岩石上，除此静载之外还有一冲击载荷，这是由于钻头纵向振动产生的。牙轮在滚动过程中牙轮中心的位置不断上下交换，使钻头沿轴向作上下往复运动，
4、这就是钻头的纵向振动。 钻头在井底的纵向振动，使钻柱不断的压缩和伸张，下部钻柱就把这种周期性变化的弹性变形能通过钻头牙齿转化为对地层的冲击作用力用以破碎岩石，与静载压入力一起形成了钻头对地层岩石的冲击、压碎作用，这种作用是牙轮钻头破碎岩石的主要方式。 （3）牙齿对底层的剪切作用 剪切作用主要是通过牙轮在井底滚动的同时还产生牙齿对井底的滑动实现的，产生滑动的原因是由于牙轮钻头的超顶、复锥和移轴三种结构特点引起的。 2.1.2PDC 钻头破岩机理 PDC 钻头由于岩石性能及工作条件的复杂性，国内外对其破岩机理存在不同的观点，如研磨、剪切、压碎、犁削、切削等，至今没有统一结论，但可以归纳出以下要点：
5、 在坚硬岩石（如燧石、硅质白云岩、硅质石灰岩等）中，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，其特点是靠金刚石的棱角实现微切削、刻画等方式来破碎岩石。 故对于硬度小的塑性岩石，在钻压的作用下，这种钻头的刀翼或齿极易吃入地层，与此同时刀翼刃前的岩石，在扭转力的作用下不断产生塑性流动而实现切削破碎，而对于硬度较大的塑脆性岩石，在钻压和扭转力的同时作用下，这种钻头的刀翼或齿沿设计的切削角切入岩石，使其产生体积破碎而实现剪切或挤压破碎。 剪切破岩是 PDC 钻头的主要工作方式，而实现剪切破岩的前提条件，是钻头切削齿必须能有效的吃入岩石。因此岩石可钻性的高低、硬度大小及其塑脆性，是决定 PDC
6、 钻头是否与地层适应的基本因素。 2.2 参数要求 牙轮钻头主要靠敲击、压碎破岩、辅以剪切破岩，而金刚石钻头主要靠剪切、切削破岩，辅以压碎破岩、齿出露短，刃口锋利，PDC 钻头无活动部件且切削齿出露不可能太高，故在钻进过程中，钻压太高可能会出现两种不利于其切削岩石、破碎地层的现象：因此金刚石钻头的钻压小，转速高，排量小。 三、PDC 钻头与牙轮钻头的现场应用 埕北 1FA-P3 井为水平井，我们充分应用成熟配套打法和钻井新工艺新技术，注重优化钻具组合、优选钻井参数。优选高效能钻头十分重要，对埕北 1FA-P3 井我们选用 HAT127 和 PDC 钻头结合，进入深井段，采取“适当小排量，相对大
7、钻压，保持高泵压”的措施。同时，结合实际情况，不断调整参数，尽可能与实际生产情况相吻合，充分发挥各项效能，达到最佳行程钻速。同时，我们科学使用聚合物抑制性钻井液，有效解决了该区域井眼易扩大的难点，使井施工速度不断加大。我们采取了以下施工措施： 1、针对地层，优选钻头，减少起下钻次数； 2、运用钾酸盐低密度泥浆防止井漏； 3、优选动力钻具，确保大井眼定向一次成功； 4、针对钻时慢，钻具中安装套管防磨套等措施。 5、运用钻具中加扶正器的方法对复合井眼进行通井，确保下套管顺利。 这些措施的应用，有效的促进了施工的快速、安全、优质、高效。HAT127 和 PDC 钻头的配合使用，使埕北 1FA-P3
8、井在钻进过程中钻头得到很好的运用。实现了快速高效，搏得了公司和甲方好评。 四、总结与认识 结合现场在使用过程中获取的经验与教训，我对牙轮钻头与 PDC 钻头的选择与使用有以下几点认识： 1、牙轮钻头的选型及合理使用 仅根据岩性按钻头产品目录来确定钻头类型是不全面的，还应收集邻近井相 同地层钻过的钻头资料及上一个钻头的磨损分析，结合本井的实际情况来选择。 钻头选型考虑因素： 研磨性地层的选型：最好选用镶齿钻头。 浅井段与深井段钻头类型的选择：在浅井段应选用机械钻速较高的钻头， 在深井段应考虑使用寿命长的钻头。 易井斜地层的选型：应选用不移轴或移轴量很小的钻头。 软硬交错地层的选型：应选择镶齿钻头
9、中加高楔形齿或加高锥球齿，钻进 软地层时可提高机械钻速降低钻压，在硬地层井段应提高钻压降低转速，达到更 好的经济效果。 2、PDC 钻头的合理使用 钻头搬运过程中注意防碰，使用前检查切削齿是否损坏，水眼是否堵塞。 下钻时钻头上扣要使用专用卸扣板，并控制下放速度。尽量避免用钻头划眼，若必须划眼，应接上方钻杆，用大排量，缓慢转动钻头，且时间不超过 2 小时。 钻头下到井底后，提离井底 0.5m 以上，循环钻井液并缓慢转动钻具，以确保井底清洁。在钻头接触井底后，应以低转速和低钻压进行井底造型 0.5-1m。 用最优钻压试求法选定钻井参数以达到最快机械钻速。可根据地层变化情况，适当调整参数，以获得最优的机械钻速。 钻进时坚持使用钻杆滤清器，以防水眼堵塞。按选定的钻压和转速进行正常钻进，送钻要均匀。钻遇硬夹层时，可适当降低钻压，待钻穿后，再恢复正常钻压。 参考文献 1韩来聚等.PDC 钻头的最新发展与应用J.钻采工艺，1994 年 1期：102105 2张建政等.人聚晶金刚石钻凿特性的试验研究J.岩石力学与工程学报，2003 年 Vol229（增刊 1）：23522355
