PDC鉆頭巖屑分析

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(duì)中軟地層而開發(fā)的新型鉆頭。近幾年,PDC鉆頭被越來(lái)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(shì):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(zhǎng),減少起下鉆次數(shù),降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度,輔助時(shí)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(xiǎn),事故發(fā)生概率較小。不過(guò)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(duì)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(lái)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(shí)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(shí)生成的巖屑會(huì)沿著金剛石表面上移,直至與復(fù)合片脫離,通過(guò)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(guò)大使其緊貼切削齒表面,從而生產(chǎn)阻礙巖屑移動(dòng)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(huì)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(guò)切削齒表面積累的巖屑自身來(lái)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(duì)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(shí)卻給地質(zhì)錄井中工作帶來(lái)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(lái)了較大的影響。鉆井地質(zhì)錄井主要工作之一是通過(guò)巖屑建立巖性剖面、劃分地層,鉆井巖屑細(xì)小,無(wú)疑是對(duì)巖性剖面的恢復(fù)帶來(lái)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(guò)振動(dòng)篩從鉆井液中分離出來(lái),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(jì)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(lái)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(shí)區(qū)別不大(特別是淺層),因此鉆時(shí)在剖面恢復(fù)的過(guò)程中的作用明顯較牙輪鉆頭的鉆時(shí)要小。再次:撈砂時(shí)間與鉆進(jìn)時(shí)間搭配不合理。在川西淺層中軟地層,PDC鉆頭鉆時(shí)較快,1500m以前平均鉆時(shí)1～4min/m,快的時(shí)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(wú)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(shí),采樣就更無(wú)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(lái)了較大的影響。如何識(shí)別不同磨損時(shí)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(chǎng)等構(gòu)造現(xiàn)場(chǎng)錄井工作中所遇到的情況及采取的處理方法來(lái)淺談解決細(xì)小巖屑錄井的問(wèn)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(shí)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(lái)看,鉆頭使用的時(shí)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(duì)巖屑代表性進(jìn)行判定時(shí),地質(zhì)工作者必須將PDC鉆頭使用的時(shí)期及鉆井參數(shù)相結(jié)合來(lái)綜合考慮問(wèn)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(shí)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(duì)較慢,掉塊多,轉(zhuǎn)盤負(fù)荷較大。由于泥漿對(duì)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(shí),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(duì)已破碎的巖屑未造成重復(fù)性碾磨,并且?guī)r屑上返過(guò)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(duì)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(shí)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(shí)巖屑很細(xì),篩樣要特別注意,篩樣時(shí)要前后對(duì)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(guò)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(guò)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(duì)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(shí)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(guò)大而使其緊貼切削齒表面,從而生產(chǎn)阻礙巖屑移動(dòng)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(huì)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(guò)切削齒表面積累的巖屑自身來(lái)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(duì)基本都會(huì)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(chǎng)等構(gòu)造的中軟地層,PDC鉆頭在鉆井過(guò)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(duì)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(guò)程中應(yīng)綜合考慮影響巖屑成因的各種因素,有效分析識(shí)別具有代表性的巖屑,以提高巖屑真實(shí)性及地層剖面的符合率。