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不同钻井参数条件下PDC钻头钻井岩屑分析与识别贺登兵(江苏石油勘探局地质测井处录井中心,江苏扬州 225002) 摘 要:本文阐述了PDC钻头钻井速度快、使用寿命长、钻井成本低的特点及PDC钻头是以剪切作用为主造屑机理,并从PDC钻头使用对岩屑录井质量的影响出发,总结了PDC钻头在江苏油田钻井过程中的岩屑分析识别的经验:“大套观察,高中求低,低中求高,幅低看岩屑”;不同钻井参数条件下PDC钻头所钻岩屑大小不同,过筛识别求真方法。
关键词:PDC钻头;岩屑录井;钻时录井;转速;钻压;排量;岩屑分析识别前言随着钻井工艺水平的不断提高,PDC钻头受到广泛地应用。
PDC钻头在提高钻井速度、降低钻井成本、增加经济效益的同时,却由于钻屑细小而给岩屑录井、钻时卡层等带来诸多困难。
笔者根据自己近年来在江苏油田现场地质录井过程中,使用PDC钻头钻井时的岩屑录井经验,总结出PDC钻头在不同钻井参数条件下的细小真实岩屑的分析识别,从而提高PDC钻头钻井过程中的地层剖面恢复符合率。
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。
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;使用寿命长;适应地层广。
江苏油田的新生界以及中生界白垩系地层的特殊地质特征尤其适合PDC钻头。
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。
从岩石破碎强度而言,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钻头参数
PDC钻头参数及其应用
PDC钻头是一种高效的钻井工具，它的参数对于钻井效率和钻井质量有着重要的影响。
本文将介绍PDC钻头的参数及其应用。
1. 刀翼数量
刀翼数量是指PDC钻头上的刀翼数量，一般为3-8个。
刀翼数量越多，钻头的稳定性越好，但是也会增加钻头的阻力和摩擦力，降低钻井效率。
因此，在选择刀翼数量时需要根据具体的钻井条件进行权衡。
2. 刀翼形状
刀翼形状是指PDC钻头上刀翼的形状，常见的有平面、凸面、凹面等形状。
不同形状的刀翼适用于不同的地层，平面刀翼适用于软岩和泥岩，凸面刀翼适用于中硬岩石，凹面刀翼适用于硬岩石。
3. 刀翼角度
刀翼角度是指PDC钻头上刀翼与钻头轴线的夹角，一般为30-60度。
刀翼角度越大，切削力越大，但是也会增加钻头的阻力和摩擦力，降低钻井效率。
因此，在选择刀翼角度时需要根据具体的钻井条件进行权衡。
4. 刀翼间距
刀翼间距是指PDC钻头上相邻刀翼之间的距离，一般为10-20mm。
刀翼间距越小，钻头的稳定性越好，但是也会增加钻头的阻力和摩擦力，降低钻井效率。
因此，在选择刀翼间距时需要根据具体的钻井条件进行权衡。
5. 钻头直径
钻头直径是指PDC钻头的直径，一般为75-215mm。
钻头直径越大，钻井效率越高，但是也会增加钻头的阻力和摩擦力，降低钻井效率。
因此，在选择钻头直径时需要根据具体的钻井条件进行权衡。
PDC钻头的参数对于钻井效率和钻井质量有着重要的影响，需要根据具体的钻井条件进行选择和调整。
终—终了立管压力，MPa ；压—压井所用泥浆密度，g/cm 3；—低泵速时立管压力，MPa。
低立—使用泥浆密度，g/cm3；m、加重剂量：W加=r加* V*（r压-r m）/（r加-r压）—加重剂用量，T；加—加重剂密度，g/cm3；加—加重前原泥浆体积，m3；—压井泥浆密度，g/cm3；压—使用泥浆密度，g/cm3；m=（V总-V钻体）/60Q周—泥浆循环一周时间，min；周—井眼容积，L；总—钻柱体积，L；钻体=12.7Q/（D2-d2）返—泥浆上返速度，m/s；返D—井眼直径，cm；d—钻柱外径，cm。
=D径2/2km—千米井眼容积，m3；km—井径，in。
径=（D2-d2）/12.73环H—卡点深度，m；P—钻杆连续提升时平均拉力，T；L—钻杆连续提升时平均伸长，cm；K—计算系数；K=EF/105=21F。
6公斤/厘米22。
钻杆60（2 3/8″×7.112） 24960（2 3/8″×8） 27473（2 7/8″×9） 38089（3 1/2″×9.35） 491114.3（4 1/2″×10.92） 745127（5″×9.19） 715139.7（5 1/2″×10.54） 898139.7（5 1/2″×9.17） 790139.7（5 1/2″×7.72） 670Ф60×5 180Ф73×5.5 240Ф89×6.5 37514、钻杆允许扭转圈数：N=扭转系数（圈/米）×卡点深度114.3（4 1/2″） D级钢0.00441 E级钢0.00638127（5″） D级钢0.00404 E级钢0.0055139.7（51/2″） D级钢0.00368 E级钢0.0050273（2 7/8″） D级钢0.00957 E级钢0.01340η塑=φ600-φ300 厘泊=5（φ300-η塑） 达因/厘米2表观=1/2φ600 厘泊η=3.3221g φ600/φ300φ600/（500n）达因秒/厘米21、油气上窜速度：V油=（H油-H钻头*t/t迟）/t静V油—油气上窜速度，米/小时；H油—油气层深度，米；H钻头—循环泥浆时钻头所在深度，米；t—从开泵循环到见油气显示的时间，分；t迟—钻头所在井深时的迟到时间，分；t静—泥浆静止时间，小时。
钻井数据⼿册三、API套管规范3四、环容数据表五、处理卡钻事故⼯具（四）超级震击器规格七、定向井⼯艺（⼀）、定向井分类：a、按段制分：常规定向井可分为⼆、三、四、五段。
b、按井眼轴线形状分：两维定向井、三维定向井。
c、按井斜⾓分：低斜度定向井：设计最⼤井斜⾓不超过15度中斜度定向井：设计最⼤井斜⾓不超过15度⾄45度之间，⼤斜度定向井：设计最⼤井斜⾓在46度⾄85度之间，⽔平井：设计最⼤井斜⾓在86度⾄120度之间，并沿⽔平⽅向钻进⼀定长度的井。
根据造斜井段的曲率半径⼜可细分为长、中、中短、短四种曲率半径的⽔平井。
（⼆）⼤港螺杆常规钻具规格及性能参数表⼋、API钻具技术参数九、现场常⽤计算公式（⼀）钻井液循环⼀周所需时间T=(V井—V柱)/60×QV井——井筒容积，升；V 柱——钻柱体积，升； Q ——钻井液排量，升/秒；T ——循环⼀周的时间，分。
（⼆）配制1m 3⽔泥浆需要的⼲⽔泥量 T=ρc x(ρS —1)/(ρc —1)ρc ——⼲灰密度，g/cm 3；ρS ——⽔泥浆密度，g/cm 3。
（三）配制1m 3⽔泥浆需要的⽔量V=(ρc —ρS )/(ρc —1)（四）稀释公式Q 1=Q O ×(1—Z/X)Q 1——清⽔⽤量，吨；Q O ——已配制的酸液量，吨； X ——已配制的酸浓度； Z ——施⼯需要酸液量。
（五）注解卡浆最⾼压⼒计算：p (Max)=P(单泵压⼒)+0.01(r 泥浆-r 解卡剂)×解卡剂⾼度（六）卡点计算：L=K(e/p)L ——卡点深度，⽶E ——钻杆连续提升时平均伸长，厘⽶P ——钻杆连续提升时平均拉⼒，吨 K ——计算系数（七）动态起压时间计算：设管内外压⼒平衡时，管内泥浆液柱⾼度为H im+-+-=VCC C Hc m c i im P H ρρ001001 QH C T im i ?=式中 H im —管内泥浆液柱⾼度，m ；H —套管下深，m ；C i —套管内每⽶容积，m 3/m ；C o —平均环空每⽶容积，m 3/m ；ρc —⽔泥浆密度，g/cm 3；ρm —泥浆密度，g/cm 3；V c —注⽔泥浆量，m 3；Q —顶替排量，m 3/min ； T —起压时间，min ； Δp —循环压耗，MPa ；循环压耗Δp 采⽤经验公式：（当Δp=0时，计算结果为静态起压时间）当套管下深＜1000m 时： Δp=0.0981(0.01H)+0.8（MPa ）当套管下深5000m ＞H ＞1000m 时: Δp=0.0981(0.01H)+1.6（MPa ）（⼋）环空液柱压⼒当量密度（ρm ）的计算：设井深为H ；环空中前置液的⾼度为H 前；前置液的密度为ρ前；⽔泥浆的⾼度为H ⽔泥；⽔泥浆的密度为ρ⽔泥；泥浆的密度为ρ泥浆；则()H H H H H Hm前泥浆泥浆前前⽔泥⽔泥--+?+?=ρρρρ注：ρρ为地层破裂压⼒当量密度ρ0为地层孔隙压⼒当量密度在固井设计过程中ρm 应满⾜：ρP ＞ρm ＞ρo（九）套管在⾃重作⽤下的伸长：△L=（7.854—r 泥）/4 xL 2x10-7r 泥—泥浆⽐重△L —⾃重伸长，⽶ L —套管原有长度，⽶⼗、钻头系列（⼆）、钻头附加结构特征代号：代号附加结构特征C 中⼼喷嘴。
一、四方钻杆1、参数规格名称5 2/4＂方钻杆３１/２＂方钻杆备注外径(DFL) 133mm88.9mm内径（d）82.6mm 57.2mm上部反扣接头外径(Du) 196.85mm 196.85mm或146.05mm内径(d) 82.6mm 57.2mm长度(Lu) 406.40mm 406.40mm扣型 6 5/8＂Reg(630)反扣 6 5/8＂Reg(630)反扣或4 1/2＂Reg(430)下部正扣接头外径(DF) 177.8 mm 120.65 mm内径82.55mm 57.15mm长度(Ll) 508mm508mm扣型5 1/2＂FH(521)正扣或Nc50(411) 正扣Nc38正扣或3 1/2IF正扣对角宽度（ＤＣ）175.41mm(12.5m)171.46mm115.09mm或112.71mm楞角半径（Ｒc）15.87mm(12.5m)85.72mm(16.46m)12.7mm(12.5m)56.35mm(16.46m)2、方钻杆允许弯曲度项目校直标准使用标准全长＜3 ＜8不大于15度，并且用标准防补芯能自由通过每米＜1 ＜1.5二、钻铤1、常用钻铤尺寸和基本参数规格名称∮228mm∮203mm∮178mm∮159mm∮152mm∮146mm备注水眼（mm）71.4 71.4 71.4 71.4 71.4 50.8 倒角直径（mm）212.7 190.1 164.7 150.0 144.5 114.7 抗弯强度比317 3.02 2.73 2.63 2.84 2.58公称重量Kg/m 290.6 223.5 163.9 136.97 111.8 74.5 上扣扭矩N.m 922006510043400223702874014640扣型Nc61 Nc56 Nc50 Nc46 Nc44 Nc35磨损后螺纹宽度外螺纹24.0/18 20.4/15.8 15.7/15.3 15.9/13.3 13.5/13.0新/旧内螺纹23.8/17.3 19.6/15.2 14.9/14.7 15.1/12.7 12.7/12.5新/旧均匀磨损后外径200 181.6 165.1 139.7 139.7 140偏磨限定尺寸11.8 9.9 9.0 7.6 6.0 6.7螺旋头数 3 3 3 3 3 3螺旋方向右右右右右右螺旋倒程1000 1000 1000 1000 1000 1000螺旋深度9.5 9.5 7.9 7.1 6.4 4.8弯曲强度比：内螺纹危险截面摸数与外螺纹危险断面抗弯截面摸数之比。
不同钻井参数、不同磨损期PDC钻头岩屑分析识别
不同钻井参数、不同磨损期PDC钻头
岩屑分析识别
西南石油局录井工程处黄勇
摘要：随着钻井工艺水平的不断提高, PDC钻头受到广泛地应用，PDC钻头在提高钻井速度、降低钻井成本、增加经济效益的同时，却由于钻屑细小而给岩屑录井、钻时卡层等带来诸多困难。
笔者根据在川西气田十余口井PDC钻头钻井的岩屑录井经验，总结出根据不同钻井参数条件下的PDC钻头使用期法来识别细小真实岩屑，从而提高PDC钻头钻进中的地层剖面恢复符合率。
关键词：岩屑；录井；PDC钻头；提高；符合率
一、PDC钻头特点及造屑机理
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PD
C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。
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。
二、PDC钻头使用对岩屑录井质量的影响
高转速、低钻压、高排量PDC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，PDC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。
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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震动筛
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1～4 min / m，快的时候不足1 min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，笔者就多年来在川西孝泉、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。
三、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。
一）、使用早期的PDC钻头在不同钻井参数下的岩屑分析识别
1、高转速、低钻压、高排量：这种钻井参数组合在川西使用较多，特别是对新PDC钻头，其钻井速度较快，掉块少。
钻进所得岩屑，粒径最大3-4mm，一般在1-2 mm之间，最小达0.5-1.0mm，使用1-2 -5mm四层选样筛选样，以1mm筛层岩屑（大小1-2mm）代表性最好，2mm筛层岩屑（大小2-5mm）代表性次之。
如果钻压增大，钻头牙齿吃入地层的深度大，破碎得到的岩屑颗粒将略有增大，以2-3 mm左右的岩屑代表性最好。
2、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2m m筛层岩屑（大小2-3mm）代表性最好。
3、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2-4 mm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。
4、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。
二）、进入晚期的PDC钻头在不同钻井参数下的岩屑分析识别
1、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，钻速变的很慢，岩屑变的很细，粒径最大2-3mm，一般在0.5-1 mm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，2 mm筛层以上岩屑代表性就非常差了。
2、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。
此时，钻井所产生的岩屑就像木工所推出的刨花，岩屑呈卷曲状，粒径最大3-5mm（个别甚至更大），一般在1-3 mm
之间，最小达0.5-1.0mm。
通过多口井观察，这种情况下在棕色泥岩段形成的是浅灰棕色的卷曲状岩屑，在灰、浅（绿）灰色砂岩段形成的是浅灰色的卷曲状岩屑，两者含钙质均较重，加酸起泡程度远强于泥岩与砂岩。
多口井选样送至研究院化验分析均解释为介屑灰岩，然而众所周知在川西沙溪庙组以上地层并无介屑灰岩存在，从而反过来验证此种岩屑主要为机械原因所成。
3、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。
4、低转速、低钻压、低排量：商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。
