摘要：為探明該地區(qū)地熱情況，實施水文鉆井，在硬巖地層鉆鉆進中，PDC鉆頭出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，不再適用。從巖性、鉆壓、泵量、轉(zhuǎn)速與扭矩四個方面，分析此現(xiàn)象的原因，確定為鉆頭不再適用。經(jīng)過分析與合理選擇，牙輪鉆頭能夠較好的滿足生產(chǎn)條件，取得了較理想的效果。
工程概況
為探明廣東省東莞東南部的地熱資源情況，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熱探采結(jié)合井，預計鉆深1500米。鉆探設(shè)備采用SPS-2000型水源鉆機，配套TBW1200/7及3NB-800型泥漿泵。600米以后為了提高鉆進速度，采用Z172直螺桿復合鉆進。
用216四翼PDC鉆頭鉆至855.5米時，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。上述所取得巖心完整性好，堅固，敲擊聲較脆，可知這個層位的泥質(zhì)粉砂巖堅固系數(shù)高。綜合分析巖石的性質(zhì)，認為巖石為硬巖。
2..2鉆進參數(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。
即：
Py≥HyF0（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。實際鉆壓=給進力(鉆具質(zhì)量+正或負的機械施加力)-(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，負傾角10o，對稱布齒20個，吃入巖石1.5mm，計算得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，因鉆壓引起的重復破碎不是鉆頭磨損嚴重的重要原因。
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)計院于1985年所確定的地質(zhì)鉆探常用計算方法，以排除巖粉巖屑為主要目的得出泵量計算公式：
全面鉆進時的泵量為
（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。計算得出：＝17L/s
實際鉆探中，泵的排量達到20L/s，說明孔底巖粉能夠被有效排出，不存在重復破碎的現(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，馬達副存在漏失，轉(zhuǎn)子的實際輸出轉(zhuǎn)速n低于理論轉(zhuǎn)速nT。實際轉(zhuǎn)速為：
n=(r/min)（2.3）
式中：△Q—馬達漏失量，L/s；q—馬達每轉(zhuǎn)排量，是一個結(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，則Q=93%，查相關(guān)5LZ172的參數(shù)得只大知q=0.155L/s，計算得到實際轉(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，螺桿鉆具的馬達有：
轉(zhuǎn)子的理論扭矩與馬達進出口的壓力降成正比，即
=159q(2.4)
式中，q為轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)的流量，L/s。
實際上理想狀態(tài)下的馬達是不存在的，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。
根據(jù)壓力降的計算公式，分析可以得出在的螺桿馬達輸出扭矩與泵量成對數(shù)關(guān)系。在不斷磨損中，螺桿馬達漏失逐漸變大的過程中，扭矩成倍減少
計算并核對Z172直螺桿的參數(shù)，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，鉆進的參數(shù)沒有選錯，地層確定為軟---硬巖，結(jié)合PDC鉆頭的嚴重磨損情況，可以斷定巖石的性質(zhì)為硬巖，研磨性較強。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，達到PDC切削具的剪切強度，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，長時間后鉆頭磨損嚴重。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：
考慮到以上經(jīng)過校核的鉆進因素后，螺桿鉆具可以提供動力和以上的鉆進參數(shù)，綜合考慮各種鉆頭的工作條件進行分析：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不到；硬質(zhì)合金與PDC鉆頭已經(jīng)不再適用；鋼粒鉆進設(shè)備需重新購置；則牙輪鉆頭為最佳選擇。
鉆進效果對比
在下入牙輪鉆頭后，鉆壓為7t進尺平穩(wěn)，二者對比如下：
表4.1不同巖層不同鉆頭的時效
可知，PDC鉆頭在鉆進中硬巖層時，碎巖效率較高，能帶來較好的經(jīng)濟效益；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理不同，能夠鉆進較硬的巖層，選擇牙輪鉆頭是符合實際生產(chǎn)要求與現(xiàn)場條件的。
結(jié)論
鉆頭對于鉆進的影響十分關(guān)鍵，地層必須運用相適應(yīng)的鉆頭，這對于取得良好的經(jīng)濟效益具有重要意義。在硬巖鉆進中，合理選擇鉆頭應(yīng)注意一下幾點：
巖樣性質(zhì)的合理分析：巖石的研磨性、壓入硬度等；
鉆進的參數(shù)；
鉆進的工藝與現(xiàn)場條件；
鉆頭的使用特點。
牙輪銑齒鉆頭對于部分硬巖有較好的鉆進效果，結(jié)合實際運用，可以發(fā)揮較理想的作用。
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