硬巖鉆進(jìn)中鉆頭的合理選擇

　　為探明廣東省東莞東南部的地?zé)豳Y源情況，根據(jù)物探與地質(zhì)資料分析，決定在東莞南部鉆成一眼地?zé)崽讲山Y(jié)合井，預(yù)計(jì)鉆深1500米。鉆探設(shè)備采用SPS-2000型水源鉆機(jī)，配套TBW1200/7及3NB-800型泥漿泵。600米以后為了提高鉆進(jìn)速度，采用Z172直螺桿復(fù)合鉆進(jìn)。
　　 用216四翼PDC鉆頭鉆至855.5米時(shí)，鉆壓為3 ~ 4t，出現(xiàn)鉆頭打滑現(xiàn)象，取出鉆頭發(fā)現(xiàn)PDC鉆頭磨損嚴(yán)重，局部發(fā)生崩齒。PDC鉆頭已經(jīng)不再適用，需要更換鉆頭。
　　
　　故障原因分析
　　2.1地層性質(zhì)
　　 鉆井所遇地層預(yù)測為：0-25m：為第四系松散地層（Q4），主要為素填土,粉質(zhì)粘土,淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,細(xì)砂，富水性好；25-1000m：其巖性主要為粉砂質(zhì)泥巖（k2b）、灰黑色泥巖，含膏泥巖、灰質(zhì)泥巖，薄層炭質(zhì)頁巖和凝灰?guī)r。
　　 PDC在此地層打滑，可以確定巖石已經(jīng)較為堅(jiān)硬。該鉆孔在801.3米處采用單動雙管法采取了8.7米的巖心，對巖心進(jìn)行分析確定為泥質(zhì)粉砂巖，含有鐵礦質(zhì)結(jié)核，呈暗紅色。資料顯示地層總體走向NE45-70°，傾向NW，傾角70°左右。
　　 查閱相關(guān)資料，一般的泥質(zhì)粉砂巖其抗壓硬度為幾十兆帕，與巖石的石英和其他硬礦物的含量有極大關(guān)系，應(yīng)屬于軟巖的范疇。但是，根據(jù)鉆井液攜帶上來的鉆渣分析，泥質(zhì)粉砂巖含有一定量的石英，研磨性較強(qiáng)。上述所取得巖心完整性好，堅(jiān)固，敲擊聲較脆，可知這個(gè)層位的泥質(zhì)粉砂巖堅(jiān)固系數(shù)高。綜合分析巖石的性質(zhì)，認(rèn)為巖石為硬巖。
　　2..2鉆進(jìn)參數(shù)的校核
　　2.2.1鉆壓
　　 根據(jù)鉆頭切削具應(yīng)該有效吃入巖石，即鉆壓要大于門限鉆壓。鉆頭上切削具切入巖石的必要條件是：切削具與巖石接觸面上的壓力必須大于或至少等于巖石的抗壓入硬度【1】。
　　即：
　　Py≥Hy F0 （2.1）
　　式中：Hy――巖石的壓入硬度；
　　F0――切削具刃尖處與巖石的接觸面積。
　　 Py即是鉆壓。實(shí)際鉆壓=給進(jìn)力(鉆具質(zhì)量+正或負(fù)的機(jī)械施加力) - (沖洗液浮力+孔內(nèi)摩擦阻)。
　　使用216四翼PDC鉆頭，PDC切削片直徑13.4mm，負(fù)傾角10o,對稱布齒20個(gè)，吃入巖石1.5mm,計(jì)算得F0 = 0.23cm2，取巖石的壓入硬度取為1400MPa，可得Py = 3.22t。
　　說明PDC鉆頭能夠有效吃入巖石，因鉆壓引起的重復(fù)破碎不是鉆頭磨損嚴(yán)重的重要原因。
　　2.2.2泵量
　　 根據(jù)石油鉆井章程，根據(jù)鐵道部第一勘測設(shè)計(jì)院于1985年所確定的地質(zhì)鉆探常用計(jì)算方法，以排除巖粉巖屑為主要目的得出泵量計(jì)算公式【3】：
　　 全面鉆進(jìn)時(shí)的泵量為
　　
　　 （2.2）
　　
　　
　　取=0.4cm； D = 21.6cm；d = 8.9cm；=1.10泥漿比重gf/cm3；=2.3gf/cm3；=1.20gf/cm3；S=2.0cm/s；K =25。計(jì)算得出： ＝17 L/s
　　實(shí)際鉆探中，泵的排量達(dá)到20 L/s，說明孔底巖粉能夠被有效排出，不存在重復(fù)破碎的現(xiàn)象。PDC切削具的磨損與崩刃與泵量的關(guān)系不大。
　　2.2.3轉(zhuǎn)速
　　 轉(zhuǎn)速是保證PDC鉆頭有效破巖的重要參數(shù)，但由于受制造和使用條件的影響，馬達(dá)副存在漏失，轉(zhuǎn)子的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速n低于理論轉(zhuǎn)速nT。實(shí)際轉(zhuǎn)速為：
　　 n =(r/min)（2.3）
　　式中：△Q― 馬達(dá)漏失量，L/s ；q ― 馬達(dá)每轉(zhuǎn)排量，是一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，僅與線型和幾何尺寸有關(guān)。
　　 由于有7%的鉆井液沒有通過螺桿馬達(dá)，則Q =93% ，查相關(guān)5LZ172的參數(shù)得只大知q = 0.155 L/s，計(jì)算得到實(shí)際轉(zhuǎn)速n=120r/min，能夠滿足PDC鉆頭的破巖需求。
　　2.2.4泵量
　　 螺桿鉆具的扭矩與螺桿馬達(dá)的壓力降有直接的關(guān)系，而壓力降又與泵量息息相關(guān)，在無漏失、無摩擦的狀態(tài)下，螺桿鉆具的馬達(dá)有：
　　 轉(zhuǎn)子的理論扭矩 與馬達(dá)進(jìn)出口的壓力降成正比，即
　　 = 159 q (2.4)
　　 式中，q為轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)的流量，L/s。
　　 實(shí)際上理想狀態(tài)下的馬達(dá)是不存在的，在螺桿鉆具工作的過程中轉(zhuǎn)子公轉(zhuǎn)形成的離心慣性力、馬達(dá)壓力降在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的傾斜力矩、定子和轉(zhuǎn)子的尺寸精度與形狀誤差、馬達(dá)副的配合間隙及定子橡膠的變形等因數(shù)都會破環(huán)馬達(dá)的密封，造成鉆井液的漏失。致使q和都會相應(yīng)的變化，則與成近視線性關(guān)系。
　　 將與看成線性關(guān)系，再分析泵量與螺桿馬達(dá)輸出扭矩的關(guān)系，并且螺桿鉆具的壓力降與排量、加載扭距和鉆具工作副中的過盈和間隙等有很大關(guān)系。這些因數(shù)在使用過程中不斷變化，引起螺桿鉆具壓力降的改變【2】。
　　 根據(jù)壓力降的計(jì)算公式，分析可以得出在的螺桿馬達(dá)輸出扭矩與泵量成對數(shù)關(guān)系如圖（）。在不斷磨損中，螺桿馬達(dá)漏失逐漸變大的過程中，扭矩成倍減少（如圖）
　　
　　
　　 計(jì)算并核對Z172直螺桿的參數(shù)表，PDC鉆頭的打滑與磨損與扭矩的關(guān)系不大。
　　 綜合以上因素的分析結(jié)果，鉆進(jìn)的參數(shù)沒有選錯(cuò)，地層確定為軟---硬巖，結(jié)合PDC鉆頭的嚴(yán)重磨損情況，可以斷定巖石的性質(zhì)為硬巖，研磨性較強(qiáng)。PDC切削刃的崩刃解釋為：局部吃入巖石較深，在較大的扭矩與動荷載下，達(dá)到PDC切削具的剪切強(qiáng)度，最終被破壞；切削具與巖石不斷摩擦，被磨鈍，不能再吃入巖石，形成表面破碎，長時(shí)間后鉆頭磨損嚴(yán)重。總之，對于這種硬巖地層，PDC鉆頭的已經(jīng)不再適用需要更換鉆頭。
　　
　　鉆頭的選擇
　　 鉆頭是破巖的關(guān)鍵工具，必須與地層相適應(yīng)。在得到該地層段巖石的性質(zhì)后，再分析各種鉆頭的適用情況。結(jié)合各種鉆頭的一般特點(diǎn)（見表3.1）：
　　表3.1各種鉆頭的使用特性
　　
　　考慮到以上經(jīng)過校核的鉆進(jìn)因素后，螺桿鉆具可以提供動力和以上的鉆進(jìn)參數(shù)，綜合考慮各種鉆頭的工作條件進(jìn)行分析：在鉆井中，孔徑較大，選擇金剛石鉆頭成本較高，螺桿可以的提供的鉆速也達(dá)不到；硬質(zhì)合金與PDC鉆頭已經(jīng)不再適用；鋼粒鉆進(jìn)設(shè)備需重新購置；則牙輪鉆頭為最佳選擇。
　　4、鉆進(jìn)效果對比
　　 在下入牙輪鉆頭后，鉆壓為7t進(jìn)尺平穩(wěn)，二者對比如下：
　　表4.1不同巖層不同鉆頭的時(shí)效
　　
　　可知，PDC鉆頭在鉆進(jìn)中硬巖層時(shí)，碎巖效率較高，能帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益；在硬巖地層中出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，不能適用。牙輪鉆頭因其破碎機(jī)理不同，能夠鉆進(jìn)較硬的巖層，選擇牙輪鉆頭是符合實(shí)際生產(chǎn)要求與現(xiàn)場條件的。
　　結(jié)論
　　 鉆頭對于鉆進(jìn)的影響十分關(guān)鍵，地層必須運(yùn)用相適應(yīng)的鉆頭，這對于取得良好的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。在硬巖鉆進(jìn)中，合理選擇鉆頭應(yīng)注意一下幾點(diǎn)：
　　巖樣性質(zhì)的合理分析：巖石的研磨性、壓入硬度等；
　　鉆進(jìn)的參數(shù)；
　　鉆進(jìn)的工藝與現(xiàn)場條件；
　　鉆頭的使用特點(diǎn)。
　　 牙輪銑齒鉆頭對于部分硬巖有較好的鉆進(jìn)效果，結(jié)合實(shí)際運(yùn)用，可以發(fā)揮較理想的作用。
　　注：文章內(nèi)所有公式及圖表請用PDF形式查看。