实习技术员的基本功(九)

序言：

     在上一集里，师傅和我一起分析了牙轮钻头在井底的工作状况。而在实际现场中，我们用了一种很平均方法去打钻，比如不管软硬地层都用一档高速(3开215.9井眼)。也许有读者会认为3000米左右的井都是软地层，就应该用一档高速搞。仁者见仁，智者见智。那么为什么明明可以用PDC搞完的井段，我们非要用牙轮？是啊，用牙轮起钻次数多不说，打的也慢。某井段非要用牙轮是和地质录井有关系，同时可能在本油田内部使用牙轮定向时方便摆工具面。PDC凭什么就比牙轮打的快？

 正文：

     金刚石钻头在油井钻探中使用至今已有六十多年的历史。虽然金刚石钻头的价格较高，但由于金刚石钻头在井下工作时间长，起下钻次数少，在一定条件下使用时经济的。

一．金刚石钻头的结构特点及工作原理

     基本的金刚石钻头物理结构就不介绍了。总之金刚石有强力优点外，同时存在脆性较大，遇到震动和冲击载荷会引起碎裂，热敏感性大的缺点。

     金刚石钻头按金刚石的包镶方式可以分为表镶和孕镶两种。他们结构比较简单，主要由金刚石，胎体，水槽，钢体和接头等五部分组成。金刚石钻头的胎体，金刚石和钢体的镶焊工艺是通过特殊的粉末冶金制造方法来实现的。这种方法制造周期较短，钻头尺寸和结构的改变比牙轮钻头要容易得多，这是金刚石钻头的有利条件。

  由于岩石性能的差异，金刚石钻头在不同岩石中的破碎过程也不同。在塑性大的软地层中(如泥岩，泥质砂岩，石膏….等)金刚石破碎岩石类似金属的切削过程。在这些地层中钻头结构和水力因素成为影响钻头性能的重要因素。在某些弹性塑性地层中(如致密的页岩，白云岩，石灰岩等)，金刚石的岩石处于很高的应力状态。在高应力状态下，金刚石下的岩石成为塑性状态，并向周围地层扩展，结果使岩石内部首先破裂，金刚石尖部向下移动，下面岩石被挤成粉末，移动的金刚石使岩石内部连续产生瞬时破裂，岩石在恢复其弹性的瞬时把内部破裂向表面传递。这样在金刚石不断移动过程中产生岩屑，其体积大体上接近金刚石吃入岩石的位移体积。但是这个概念不能用于所有的地层，在一些脆性较大的岩石中(如砂岩，石灰岩等)，在钻压和扭矩作用下所产生的应力可使岩石沿最大剪应力平面开裂，这种情况下岩石破碎的体积远大于金刚石吃入后位移的体积。这整个过程可以看作是”犁”的作用。据统计通常金刚石的瞬时切入深度约为金刚石出露高度的1/10到1/100。在脆性较大的地层中(如砂岩，某些灰岩……等)金刚石钻头破碎岩石的特点主要表现为脆性破碎，即属于以剪切和张力来破碎岩石。在这种情况下，金刚石钻头的破碎速度是很高的，岩屑尺寸是金刚石出露部分的2到4倍。在钻进过程中当金刚石已经移过后，岩石还有继续破碎现象，这可由内应力的重新分配来解释。在坚硬岩石中(如燧石，硅质白云岩，硅质石灰岩等)，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作为孕镶式金刚石钻头来钻进，其特点主要靠金刚石的棱角来实现微切削，刻划等方式来破碎岩石。这时分离出来的岩屑基本上属于粒度很细的粉末状。这种情况下金刚石钻头的工作效率和寿命均很低，唯一较有效的办法是提高钻头的转速来增加钻进速度。这类地层目前用镶硬质合金齿牙轮钻头钻进效果较好，金刚石钻头仅在取芯钻进中使用。

   金刚石钻头对岩石的破碎方式不仅与岩石性能有关，且与钻头结构，钻井参数，钻井方式和金刚石的几何形状有很大关系。

     金刚石钻头工作面上的金刚石如得不到及时清洗，冷却和润滑，金刚石破碎的岩屑不能及时带走，会导致钻头工作面的堵塞和金刚石尖端产生局部高温而使金刚石烧损。

    我们以单粒金刚石对岩石的破碎的过程来简单说下。在静止压入时，金刚石使岩石首先产生塑性变形，继续加压至某一数值时产生比金刚石大好几倍的圆形破碎坑，在金刚石下形成被压实的粉末核心。在运动条件下金刚石破碎岩石具有以下特点，即当压力小时只形成小沟；当压力增大时，小沟的深度远超过金刚石的断面尺寸，此时不仅在金刚石前面而且在其两侧的岩石均发生破碎，其中岩屑尺寸时金刚石凸出部分的2到4倍。脆性较大的岩石其破碎深度可达金刚石压入深度的2到5倍。

    模拟井底条件下的单粒金刚石的切削过程所作的实验表明，由于井筒和地层孔隙流体的压差的作用使岩石强化了，岩石中的塑性和硬度增加了，破碎方式也相应由了变化。原在低压差下易破碎的岩石，在高压差下则塑性增大，难于破碎。在不同压差和同一钻压下，观察单粒金刚石切削页岩的破碎槽形状，发现当压力为零时，金刚石切削后形成粗糙和不规则的槽，槽的体积也大于金刚石位移所形成的理论体积，很明显在切削过程中存在着脆性破碎。当压差升高时，槽底形状近似于金刚石外形，但截面积略大。当压差再增加时，槽式光滑的，它的横截面仅等于金刚石吃入部分的外形。所以，随着压差的增加，岩石破碎方式也在改变。

破碎槽的体积也越来越小，最后甚至仅成为一条刻痕。

     金刚石破碎岩石的效果，除与岩石性能有关外，还与所加钻压大小和金刚石的几何形状有很大关系。金刚石钻头随着钻压的增加也像牙轮钻头破碎岩石一样有表面破碎，疲劳破碎和体积破碎三个阶段。

       金刚石钻头中心圆窝部分结构很重要，它起着扶正钻头的作用，还要破碎井眼中心所形成的小圆柱岩心。钻头工作面上的每颗金刚石在钻进过程中存在圆周方向和垂直方向的两种运动。在中心圆窝附近的金刚石圆周运动的线速度很小，在理论上中心点处于只有垂直方向的运动，而圆周线速度等于零，这样，在钻进时，中心圆窝部分的金刚石主要靠压碎方式破碎岩石。这部分金刚石所受垂直方向的压力较大。在遇到硬岩石时，这部分金刚石往往会出现破碎岩石的速度跟不上其它部位金刚石破碎岩石的速度，而导致瞬时钻压大部分集中到圆窝附近的金刚石上，严重时甚至会使圆窝中心附近的金刚石破碎，导致钻头早期损坏。因此，在结构上中心圆窝常留有直径6到8毫米左右的岩心柱，靠钻头上的特俗斜面来破碎岩心柱。这种结构适用于软到中硬地层。在中硬和硬地层常采用钻头上圆窝部分个别镶嵌金刚石的瓣超过钻头中心轴线2到4毫米，来破碎中心柱的岩石。在圆窝部分要排选质量较好，颗粒较大的高强度金刚石。

 此外，为了防止水力冲刷基体导致金刚石早期脱落等现象发生，中心圆窝部分水槽的分布要合理，连接要圆滑。

      金刚石钻头的保径部分在钻进时能起到扶正作用，并保证井径不致缩小，使下一个钻头顺利下井。保径部分金刚石的密度和质量要根据岩石的硬度和研磨性而定。对于硬而研磨性高的地层。金刚石的质量，密度要高些。保径部分金刚石常镶在纵向或横向圆脊内。

      再介绍下切削块。切削块是以切削方式来破碎岩石的，能自锐的切削块切入地层后，在扭矩的作用下，向前移动剪切岩石。充分利用岩石抗剪强度较低的特点。PDC钻头破岩时不存在类似牙轮钻头齿破岩时因压差所引起的”压持作用”而造成重复切削。

    切削块的布置与钻头类型及适应的地层有关。它影响到钻头磨损，钻头总进尺和机械钻速。切削块布置数量越多，磨损越慢，钻头寿命愈长，但机械钻速低。对于深井，海洋钻井用的钻头可镶装较多的切削块以获得较大的经济效益。对软地层，中深井等，切削块宜镶装少些。

     为了便于清除岩屑，在镶装切削块时，使刃面形成一旁峰刃面角。在钻进时产生外推力，使岩屑向外缘移动，以利于排除岩屑。通过实验，当角度为15度时，效果较好。

      金刚石钻头工作面上的金刚石如得不到及时清洗，冷却和润滑，金刚石破碎的岩屑不能及时带走，会导致钻头工作面的堵塞和金刚石尖端产生局部高温而使金刚石烧损。

      金刚石钻头清洗冷却主要是使钻头工作面上得到足够的水马力，确保钻头钻出的岩屑能很快排除使金刚石得到充分冷却，其次要合理地控制液流，使其均匀地流过钻头全部工作面。提高水槽流速可以通过增加泥浆流量或减少水槽截面积来实现。但提高排量会增加循环系统沿程水力功率的损耗，特别在深井中会导致钻头水马力的下降。所以一般确定流量的原则以满足环形空间上返速度，能保证携带岩屑为条件。提高水槽流速主要靠减小水槽面积，增加钻头压降来实现。

     最后谈下PDC钻头钻进参数。钻压可用较低的钻压钻进，一般仅为同尺寸牙轮钻头的30%。转速可在较大的钻速范围内使用，最高转速可达数百转每分钟，所以它可用于转盘钻，也可用于井底动力钻井。在转盘钻井时，推荐使用100转/分钟左右。

二．金刚石钻头的类型和适用地层

    油井用金刚石钻头类型很多，按用途分全面钻进和取芯金刚石钻头；按钻井方式可分转盘和井下动力钻具用金刚石钻头；按金刚石可分为天然和人造金刚石钻头；按镶焊方式可分表镶和孕镶式金刚石钻头。对于不同地层和钻井方式应选用合适的钻头类型，这对钻头工作指标有很大的影响。

三．金刚石钻头的制造工艺及设计原则

   详细内容请参考有关资料。

根据长期钻井积累的经验，金刚石钻头外径一般比牙轮钻头小1.5到2毫米(国外建议比牙轮钻头小0.8到1.6毫米)；所钻出的井眼可保证牙轮钻头顺利通过，而三牙轮钻头钻出的井壁不太规则，所以金刚石钻头外径通常可以比牙轮钻头略小些，这样可以保证彼此能互相顺利通过。

四．金刚石钻头的合理使用

金刚石钻头使用要求比牙轮钻头苛刻得多。在使用时应注意下面几个方面：

1.钻头下井前必须清理井底：

2.尽量避免划眼：尽管金刚石钻头可以作短程划眼，但特别在初次使用时，必须注意在直径缩小或有”狗腿”的井段卡住。使用钻头前，必须了解使用的井身质量。金刚石钻头划眼时，钻压控制在1至3吨以内，转速40到60转/分，送钻要均匀，防止侧面保径部分金刚石破碎。

3．钻进参数的选择：金刚石钻头所加钻压与地层岩性软硬和金刚石的质量有很大关系。一般钻压控制在1到1.2吨/英寸，根据地层软和硬和水力清洗条件来定。(作者：实际使用并非完全如此)

4.金刚石钻头的扶正：根据防斜理论，在金刚石钻头以上的钻铤(约36.4米范围内)加扶正器可以防止钻铤弯曲，减小钻头上的造斜力和延长钻头寿命。扶正器直径比钻头外径小1.587毫米。扶正器数量一般要加3到4个以上(作者：自己领会)。使用填满井眼的钻具结构时，必须注意井身质量，以防下钻时钻头遇阻或遇卡的事故发生。

5.金刚石钻头的启动：金刚石钻头下钻至井底前最后一个单根时，应先开泵循环汲浆冲洗井底，然后启动转盘，以40到60转/分将钻头下放到井底逐步加压1到2吨钻进0.5米。使钻头与井底吻合后再逐步加压至规定钻压，加压时按1吨逐渐递增，如开始时不注意加压方式，很容易将钻头顶部损坏。(作者：至于带螺杆的PDC钻头的转速，大家可以自己按自己的方法处理。上面仅供参考。)

6．判断钻头的起出时间

a.钻进过程中钻速突然降低，出现这种情况表明地层岩性有变化或钻头已损坏。如果岩性有变化，则从返出岩屑可以进行分析判断，如经过观察和采取某些措施后钻速仍很低时，说明钻头已损坏，应该起钻。

b.泵压和扭矩突然升高。在钻井过程中发现泵压逐步升高，扭矩也有逐步增加的现象时应该注意这些变化，如泵压升高较快，则可能钻头工作面上出现”O”形环槽，妨碍汲浆在水槽中通过，引起泵压升高，这种情况应立即起钻。

c.泵压突然下降。在钻进过程中出现泵压下降，且有时下降的幅度较大。出现这种现象时，应检查泵的上水是否正常，泵的凡尔工作是否正常，如这些检查后均未发现问题，则可能出现钻杆被刺漏，出现短路循环。这时，应迅速决定起钻，且起钻时，要注意检查钻杆，直到找出被刺漏的钻杆换下后再下钻继续钻进。

d.跳钻和蹩钻。在某些塑性页岩中，由于增加了地层对钻具的摩擦，使钻头因扭短过大而产生振动，如改变钻压和转速仍不见效，应将钻头起出，在有些不均质或有裂缝的地层也会引起钻头的蹩跳，钻头基本破碎掉井也可能引起蹩跳，如判断正确，应及时起钻。

五．金刚石钻头的磨损

1．冲蚀磨损。在软地层快速钻进时，泥浆中固相和砂子的含量常常增加。加快了对胎体的冲蚀，由于胎体侵蚀，常常在钻头工作面上某一个部位失掉了金刚石，最后便产生”O”形环槽，并造成很低的钻速。这种现象较多出现在靠近中心水眼的地方。

2.在硬地层中金刚石被磨光。在硬而致密的地层中，钻头旋转而没有进尺，这说明还需要较大的钻压或需要小颗粒金刚石钻头类型。

3.金刚石碎裂。在软和中硬塑性地层中，偶而金刚石钻头产生扭矩上升并造成钻铤的振动，使金刚石碎裂。在硬地层中送钻不匀或岩石有裂缝等也会引起金刚石碎裂。

4．金刚石被剪断。在硬地层中钻进，采用的金刚石太大，常常使金刚石碎裂。为使大颗粒金刚石吃入硬地层需要高压，因而造成超负荷，并使金刚石碎裂，然后出露部分被剪断。当发生这些情况时应考虑使用小颗粒金刚石，或在一只钻头上集中较多的金刚石。

5.烧坏和磨平。在中硬或研磨性高的硬地层中，金刚石冷却不好即可造成金刚石烧坏。金刚石烧坏的特征为磨钝的带坑表面。利用增加钻头工作面上的液流速度和压力降来改善钻头的冷却，可以防止金刚石烧坏。增加液流速度也可以更好改进金刚石工作面的液流分布。如果压力不能增加，就必须降低转速以减少金刚石上所产生的热量。

6.内锥面被磨坏。某些断裂或坚硬地层，会扯裂并磨坏椎体，使该处金刚石早期破碎及磨损，这时应采用较大的锥角和在锥面镶嵌强度较高的金刚石。

7．钻头直径磨小。金刚石钻头直径的磨小，经常是由于金刚石钻头进行了长距离扩眼所造成，即使进行短井段的扩眼，也要采用低钻压，低钻速及加大排量。

8．金属屑造成的损坏。金属屑一般留在钻头外部表面，岩屑槽和钻头接头的伤痕内。有些颗粒较大的金属块不能通过水槽和排屑槽，被迫留在工作面下，将表面金刚石压碎，使钻头工作面上形成”O”型环。

 

总结：

      以上就是PDC是实际应用中所需要注意的事情，用好PDC只会帮助我们获得 更高的进尺。在这里感谢师傅的指点，让我们明白了PDC破岩的机理。 参考资料

1．《钻井技术手册》

2．刘希圣《钻井工艺原理》