基于青东34井施工过程中牙轮钻头的研究

摘 要：青东34井位于济阳坳陷青东凹陷北部断阶带，本井中生界长达1164.5m，裂缝、孔洞不发育，含有物少，岩性较纯净，岩石致密，坚硬，岩体大部分硅化严重，蚀化作用低，且无大的断层穿过，地层沉积连续较整装。本文通过青东34井的施工过程进行分析，总结出青东地区施工中牙轮钻头使用的经验教训。

关键字：青东34井；济阳坳陷；中生界；钻头

一、青东34井基本情况

青东34井是一口预探直井，位于山东省东营市浅海海域， 距青东25井井口方位 184° 距离2342m，设计井深3700m。该井于2012年11月2日开钻，至2013年3月22日完钻，实际完钻井深3279.50m，完钻层位为中生界。2013年3月26日完井，完井方式裸眼完井。整口井钻井周期86.85天，建井周期94.17天，平均机械钻速4.14m/h。

二、地质分层

青东34井位于济阳坳陷青东凹陷北部断阶带，在构造上位于青东北三维T6构造图上背斜构造的低部位。处于青东北地区沙四上1砂组储层预测图有利部位。青东凹陷位于济阳坳陷东部，郯庐断裂带以西，是一个新生代箕状断陷盆地，西北以垦东-青坨子凸起为界，东南紧邻潍北凸起，西南与东营凹陷青南洼陷相通。青东凹陷是发育于郯庐断裂带西侧的具有强烈走滑特征的拉张型断陷盆地，除西南端与青南洼陷沟通外，周围均与高凸起相接。中生界岩性上主要是凝灰岩、岩屑砂岩、石英砂岩及厚层火山岩玢岩及斑岩。

三、牙轮钻头

牙轮钻头按牙轮数最可分为单牙轮、双牙轮、三牙轮、四牙轮及多牙轮钻头。按破碎岩石的方法分为全面钻进牙轮钻头、取心牙轮钻头。以工作性质分为前导孔钻进正循环牙轮钻头、前导孔钻进反循环牙轮钻头、中心连续取样牙轮钻头、正循环扩孔牙轮钻头、反循环扩孔牙轮钻头。按牙轮牙齿和结构分为钢齿、镶齿牙轮钻头。使用时需根据地层情况因地制宜选购其齿形的适应范围。

1. 牙轮钻头破碎岩石的主要方式。牙轮钻头在井底除旋转运动外，还有轴向纵振和牙轮的滑动，构成复合运动所产生的冲击、压碎作用和滑动（剪切）刮挤作用，使岩石破碎，它是破碎井底岩石的主导方式。对于不同的岩石，喷嘴射流有一定的水力破岩和水力辅助破岩作用，所以牙轮钻头具有三种破碎井底岩石的方式。（1）机械破碎岩石方式；（2）喷嘴射流水力破岩方式；（3）喷嘴射流水力辅助破岩方式。

2.影响牙轮钻头钻进效率的因素。归纳为可变因素与不可变因素。不可变因素包括地质与水文地质条件，如岩石的硬度、种类，地层的破碎程度、地下水的压力、含水层的富水性等。可变因素有钻进参数（其中包括钻头的结构类型、钻压、转速、泵量和泥浆性能等）、钻进工艺方法、人员的技术熟练程度和管理手段。

3. 钻头类型的选择

钻头的选用主要依据以下几个方面： （1）地层条件；（2）以往采用钻头的进尺情况；（3）钻头的成本；（4）现有可行条件。钻头类型的选择，对钻井成本影响很大。一般越软型号的钻头就越能获得高机械转速，因其牙齿长、移轴超顶大、刮削作用大，但牙齿容易磨擞、憋断。因而要根据岩性和钻头磨摄情况合理选择钻头型号。

四、牙轮钻头在青东34井的使用

在不同地层情况下，钻头的使用参数，钻井时间，磨损情况不尽相同，下面将简单介绍各个牙轮钻头的使用情况。（1）牙轮钻头在一开中的使用。一开井段位于地下84.35～814.63m处，主要层位是平原组和明化镇组，岩性主要为疏松的粘土和砂质粘土。（2）牙轮钻头在二开中的使用。该井段主要钻遇明化镇、馆陶组，主要是大套灰白色砂砾岩、棕黄色泥岩、绿灰色泥岩和灰色细砾岩。下部井段（1452-2120m），该井段钻遇沙河街组（沙二段、沙三段、沙四段），主要特点是泥岩、细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩与含砾细砂岩互层，所以该井段采用PDC+动力钻具组合，未使用牙轮钻头。（2）牙轮钻头在三开中的使用。三开井段位于地下2120.00～3279.50m处，井段长，设计井段长1350m，实钻井段长1164.5m。三开过程中共使用牙轮钻头23只，入井25次。

五、钻头使用情况研究及结论

1 .一开、二开中钻头使用情况研究及结论。一开地层层位位于平原组和明化镇组，岩性主要为疏松的粘土和砂质粘土；牙轮钻头型号为SKG124，钻压维持在80-120KN，转速为100rpm，机械钻速为18.85m/h，钻头使用后齿形良好，磨损一般。二开主要是大套灰白色砂砾岩、棕黄色泥岩、绿灰色泥岩和灰色细砾岩；钻进使用牙轮钻头型号为HJT517G，钻压维持在120-150KN，转速为100rpm，机械转速为41.88m/h，使用后基本无磨损。通过使用情况可知，在青东地区的平原组至沙河街组井段，可使用牙轮钻头钻进。

2. 三开钻头使用情况。在青东34井三开施工进入中生界以来，岩性复杂，多为巨厚层凝灰岩、岩屑砂岩、石英砂岩及厚层火山岩玢岩及斑岩，与邻井钻穿的中生界岩性相比较，具有裂缝、孔洞不发育，含有物少，岩性较纯净，岩石致密，坚硬，岩体大部分硅化严重，蚀化作用低，且本井中生界无大的断层穿过，地层沉积连续较整装，综上所述导致本井地层岩石研磨性高，可钻性差，钻进速度不理想。钻头损坏较大而且机械钻速较慢，导致钻头消耗较多，牙轮钻头平均使用时间33.63h，平均机械钻速1.17m/h，三开过程中共使用牙轮钻头23只，入井25次，其中HJT537型钻头共17只，入井19次。

在HJT537型牙轮钻头使用过程中，对钻进参数做出了多次调整。钻压维持在80-120KN，转速为60-90rpm时，单只钻头进尺最深可达99m，纯钻时间57.25h机械钻速1.73m/h，且钻头取出后磨损轻微，轴承密封良好。当钻压提升至140-160KN时，单只钻头总进尺明显减少，纯钻时间变短，平均机械钻速降至1.00m/h，且钻头磨损严重，牙轮全部损坏。通过同一型号多只钻头在不同钻进参数下的比较，可以看出，青东地区中生界地层在使用牙轮钻头钻进时，钻压控制在12t以内，转速为50-60rpm时，钻进效果最佳。

六、经验与认识

1.钻头使用情况与地层岩性、钻压、转速有关，岩性越致密，钻压越大，转速越高，钻头吃入地层越多，磨损越严重。2.牙轮钻头比PDC钻头更适合硬地层，三牙轮钻头钻进施工时，当钻压、转速偏大时，会出现跳钻且扭矩增大，当钻压、转速偏小时，钻时变慢。根据本井使用经验，钻压控制在12t左右，转速在50-60rpm转时，牙轮钻头钻进效果较好。3.该井具有裂缝、孔洞不发育，含有物少，岩性较纯净，岩石致密，坚硬，岩体大部分硅化严重，蚀化作用低，且本井中生界无大的断层穿过，地层沉积连续较整装，综上所述导致本井地层岩石研磨性高，可钻性差，钻进速度不理想。钻头损坏较大而且机械钻速较慢，导致钻头消耗较多。4.钻进过程中，实行随时记录、跟踪钻井参数制度，通过对岩性、钻时及扭矩的变化分析钻头的工作状况，合理制定更换时机。

参考文献

[1] 许刘万，王艳丽.牙轮钻头的应用领域及钻进技术.探矿工程（岩土钻掘工程），2011，38（9）：60-64.