不同钻井参数、不同磨损期PDC钻头岩屑分析

罗武

（大庆油田有限责任公司钻探工程公司机械厂，黑龙江 大庆163000）

1 PDC钻头特点及造屑机理

1.1 PDC钻头的主要特点

PDC全称为 Polycrystalline Diamond Compact（聚晶金刚合金片），这类钻头是油气钻井中针对中软地层而开发的新型钻头。近几年，PDC钻头被越来越广泛地应用，PDC钻头的优越性显而易见，与传统的牙轮钻头相比，PDC钻头有着明显的优势：钻井速度快，可以提高机械钻速，降低钻井成本；使用寿命长，减少起下钻次数，降低工人劳动强度，辅助时间少；适应地层广。适合川西气田特殊地质特征，低钻压剪切均匀破碎，有利于防斜；安全系数大。没有掉牙轮风险，事故发生概率较小。不过PDC钻头存在一些缺点：钻头成本高，要求井底干净，禁止井下有金属落物；对井壁进行修复的功能不如牙轮钻头；PDC钻头所钻的岩屑细小，虽便于泥浆携带，保持井底干净，但给岩屑录井工作带来很大困难。

1.2 PDC钻头造屑机理

PDC钻头破碎岩石的方式主要是剪切作用。从岩石破碎强度可知，岩石抗剪切强度远低于岩石的抗压强度（为抗压强度的0.09～0.15倍），PDC钻头正是利用岩石的这一特征实现其高速钻进。PDC钻头在扭矩力的作用下，复合片刮切岩石时生成的岩屑会沿着金刚石表面上移，直至与复合片脱离，通过岩石在切削齿边缘处的破碎，钻头的切削能量得到高效释放。然而，在很多情况下，岩屑所承受的压力过大使其紧贴切削齿表面，从而生产阻碍岩屑移动的摩擦力。这种摩擦力往往可以积累到相当高的程度，以至于会造成岩屑在切削齿边缘的堆积。这种现象一旦发生，井底岩石的运移就不再是直接依靠切削齿的边缘，而是通过切削齿表面积累的岩屑自身来完成。这种现象在钻头后期表现的尤为突出。

2 PDC钻头使用对岩屑录井质量的影响

高转速、低钻压、高排量钻头的使用提高了钻井的速度、降低了钻井的成本、明显增加了钻井的经济效益，但与此同时却给地质录井中工作带来诸多困难，钻头钻出的岩屑极其细小，给地质资料的录取质量带来了较大的影响。钻井地质录井主要工作之一是通过岩屑建立岩性剖面、划分地层，钻井岩屑细小，无疑是对岩性剖面的恢复带来极大的影响。

首先：岩屑取、洗样的难度加大。由于所钻岩屑细小，甚至部分岩屑呈粉沫状，在钻井液中较少通过振动筛从钻井液中分离出来，导致捞取到的岩屑数量较少。其次：加大了岩屑观察、描述、分层定名、百分比估计的难度。由于岩屑细小，有的甚至为粉末状，给正确的岩屑描述观察、挑样、定名等判定带来了很大的难度，严重影响岩性剖面符合率。另外砂、泥岩钻时区别不大（特别是浅层），因此钻时在剖面恢复的过程中的作用明显较牙轮钻头的钻时要小。再次：捞砂时间与钻进时间搭配不合理。在川西浅层中软地层，PDC钻头钻时较快，1500m以前平均钻时1～4min/m，快的时候不足1min钻进一米，而采集、清洗一包岩屑样一般需要5～10min左右，即使按照4m的采样间距也无法跟上钻头，如果是勘探井或油气显示加密段，当采样间距缩小时，采样就更无法跟上钻头进尺，从而造成采样困难，砂样的质量及代表性变差。PDC钻头钻出的岩屑极其细小，给地质剖面的恢复带来了较大的影响。如何识别不同磨损时期、不同钻井参数条件下PDC钻头的岩屑，保证岩屑录井的质量，笔者就在川西孝泉、新场等构造现场录井工作中所遇到的情况及采取的处理方法来浅谈解决细小岩屑录井的问题，以供大家探讨。

3 不同钻井参数、不同磨损期PDC钻头岩屑的分析识别。

根据川孝169从式井组、川孝452井、川孝464井等十余口的岩屑来看，钻头使用的时期不同，钻头本身磨损程度肯定不同，在相同钻井参数下钻进返出的岩屑大小不同。同样，钻头磨损程度一定，而钻井参数不同，所钻岩屑大小也肯定不同。因此在对岩屑代表性进行判定时，地质工作者必须将PDC钻头使用的时期及钻井参数相结合来综合考虑问题。

3.1 使用早期的PDC钻头在不同钻井参数下的岩屑分析识别

高转速、低钻压、低排量。在这种钻井参数条件下使用磨损程度小的PDC钻头钻进，钻速相对较慢，掉块多，转盘负荷较大。由于泥浆对地层岩屑的冲刷破碎力小，钻头破碎的岩屑未被进一步破碎，因此所钻岩屑颗粒较大，但是由于排量低，岩屑上返不及时，井筒内岩屑多，部分岩屑又受钻头及高速旋转钻杆的剧烈搅拌造成重复性碾磨而变小，最终导致岩屑情况复杂，观察发现所得岩屑总体新鲜感降低，粒径最大4～5mm，一般在2～3mm之间，最小为1～2mm。以2mm筛层岩屑（大小2～3mm）代表性最好。

低转速、低钻压、高排量。这种钻井参数组合很少见，在这种条件下使用磨损程度小的PDC钻头钻进，钻速较慢。钻盘转速低，钻头对已破碎的岩屑未造成重复性碾磨，并且岩屑上返过程中也未受钻杆高速旋转的剧烈搅拌,从而使返出的岩屑颗粒相对较大。粒径最大4～6mm，一般在2～4mm之间，最小达1.0mm，以2mm筛层岩屑（大小2～4mm）代表性最好，1mm筛层岩屑（大小1～2mm）代表性略次。

低转速、低钻压、低排量。尚未遇到在这种钻井参数条件下使用磨损程度小的PDC钻头钻进的情况。

3.2 进入晚期的PDC钻头在不同钻井参数下的岩屑分析识别

高转速、低钻压、高排量。在这种钻井参数组合下使用磨损程度较高的PDC钻头钻进所得岩屑，钻速变得很慢，岩屑变得很细，粒径最大2～3mm，一般在0.5～1mm之间或呈粉末状。此时岩屑很细，筛样要特别注意，筛样时要前后对比岩屑，看暗色岩屑（泥岩）与浅色岩屑（砂岩）的增减量，使用1～2～5mm四层选样筛选样，如浅色岩屑（砂岩）增加，则漏过1mm筛层的粉末状岩屑代表性最好；如暗色岩屑（泥岩）增加，则漏过1mm筛层岩屑（大小0.5～1mm）代表性最好，1mm筛层岩屑（大小1～2mm）代表性次之，2mm筛层以上岩屑代表性就非常差了。

高转速、高钻压、高排量。在川西，井队当PDC钻头使用到晚期后，由于钻头昂贵，为节约钻头成本，一般都要加大钻井参数，特别是加大钻压继续维持钻进，因此这种钻井参数组合使用较多。此时使用磨损程度高的PDC钻头钻进，钻速仍然很慢。井下岩屑由于所承受的压力过大而使其紧贴切削齿表面，从而生产阻碍岩屑移动的摩擦力。这种摩擦力往往可以积累到相当高的程度，以至于会造成岩屑在切削齿边缘的堆积。井底岩石的运移就不再是直接依靠切削齿的边缘，而是通过切削齿表面积累的岩屑自身来完成，如果排量减小，这种现象将更加严重。

低转速、低钻压、高排量。在这种钻井参数条件下使用高磨损程度PDC钻头钻进，钻速非常慢，井队基本都会起钻换钻头。

低转速、低钻压、低排量。尚未遇到在这种钻井参数条件下使用高磨损程度的PDC钻头钻进的情况。

综上所述，在川西孝泉、新场等构造的中软地层，PDC钻头在钻井过程中形成的岩屑与PDC钻头的磨损程度及钻井参数的使用有密切关系。不同的钻井参数、不同的钻头磨损程度对岩屑的大小、形状有着重要影响，作为地质工作者在使用PDC钻头岩屑录井过程中应综合考虑影响岩屑成因的各种因素，有效分析识别具有代表性的岩屑，以提高岩屑真实性及地层剖面的符合率。

[1]张成.PDC钻头岩屑分析.2002-12.

[2]孙明金.PDC钻屑岩性识别技术研究与应用.