PDC鉆頭巖屑分析

1 PDC鉆頭特點及造屑機理

　　1.1 PDC鉆頭的主要特點

　　PDC全稱為Polycrystalline Diamond Compact(聚晶金剛合金片),這類鉆頭是油氣鉆井中針對中軟地層而開發(fā)的新型鉆頭。近幾年,PDC鉆頭被越來越廣泛地應用,PDC鉆頭的優(yōu)越性顯而易見,與傳統的牙輪鉆頭相比,PDC鉆頭有著明顯的優(yōu)勢:鉆井速度快,可以提高機械鉆速,降低鉆井成本;使用壽命長,減少起下鉆次數,降低工人勞動強度,輔助時間少;適應地層廣。適合川西氣田特殊地質特征,低鉆壓剪切均勻破碎,有利于防斜;安全系數大。沒有掉牙輪風險,事故發(fā)生概率較小。不過PDC鉆頭存在一些缺點:鉆頭成本高,要求井底干凈,禁止井下有金屬落物;對井壁進行修復的功能不如牙輪鉆頭;PDC鉆頭所鉆的巖屑細小,雖便于泥漿攜帶,保持井底干凈,但給巖屑錄井工作帶來很大困難。

　　1.2 PDC鉆頭造屑機理

　　PDC鉆頭破碎巖石的方式主要是剪切作用。從巖石破碎強度可知,巖石抗剪切強度遠低于巖石的抗壓強度(為抗壓強度的0.09～0.15倍),PDC鉆頭正是利用巖石的這一特征實現其高速鉆進。PDC鉆頭在扭矩力的作用下,復合片刮切巖石時生成的巖屑會沿著金剛石表面上移,直至與復合片脫離,通過巖石在切削齒邊緣處的破碎,鉆頭的切削能量得到高效釋放。然而,在很多情況下,巖屑所承受的壓力過大使其緊貼切削齒表面,從而生產阻礙巖屑移動的摩擦力。這種摩擦力往往可以積累到相當高的程度,以至于會造成巖屑在切削齒邊緣的堆積。這種現象一旦發(fā)生,井底巖石的運移就不再是直接依靠切削齒的邊緣,而是通過切削齒表面積累的巖屑自身來完成。這種現象在鉆頭后期表現的尤為突出。

　　2 PDC鉆頭使用對巖屑錄井質量的影響

　　高轉速、低鉆壓、高排量鉆頭的使用提高了鉆井的速度、降低了鉆井的成本、明顯增加了鉆井的經濟效益,但與此同時卻給地質錄井中工作帶來諸多困難,鉆頭鉆出的巖屑極其細小,給地質資料的錄取質量帶來了較大的影響。鉆井地質錄井主要工作之一是通過巖屑建立巖性剖面、劃分地層,鉆井巖屑細小,無疑是對巖性剖面的恢復帶來極大的影響。

　　首先:巖屑取、洗樣的難度加大。由于所鉆巖屑細小,甚至部分巖屑呈粉沫狀,在鉆井液中較少通過振動篩從鉆井液中分離出來,導致撈取到的巖屑數量較少。其次:加大了巖屑觀察、描述、分層定名、百分比估計的難度。由于巖屑細小,有的甚至為粉末狀,給正確的巖屑描述觀察、挑樣、定名等判定帶來了很大的難度,嚴重影響巖性剖面符合率。另外砂、泥巖鉆時區(qū)別不大(特別是淺層),因此鉆時在剖面恢復的過程中的作用明顯較牙輪鉆頭的鉆時要小。再次:撈砂時間與鉆進時間搭配不合理。在川西淺層中軟地層,PDC鉆頭鉆時較快,1500m以前平均鉆時1～4min/m,快的時候不足1min鉆進一米,而采集、清洗一包巖屑樣一般需要5～10min左右,即使按照4m的采樣間距也無法跟上鉆頭,如果是勘探井或油氣顯示加密段,當采樣間距縮小時,采樣就更無法跟上鉆頭進尺,從而造成采樣困難,砂樣的質量及代表性變差。PDC鉆頭鉆出的巖屑極其細小,給地質剖面的恢復帶來了較大的影響。如何識別不同磨損時期、不同鉆井參數條件下PDC鉆頭的巖屑,保證巖屑錄井的質量,筆者就在川西孝泉、新場等構造現場錄井工作中所遇到的情況及采取的處理方法來淺談解決細小巖屑錄井的問題,以供大家探討。

　　3 不同鉆井參數、不同磨損期PDC鉆頭巖屑的分析識別。

　　根據川孝169從式井組、川孝452井、川孝464井等十余口的巖屑來看,鉆頭使用的時期不同,鉆頭本身磨損程度肯定不同,在相同鉆井參數下鉆進返出的巖屑大小不同。同樣,鉆頭磨損程度一定,而鉆井參數不同,所鉆巖屑大小也肯定不同。因此在對巖屑代表性進行判定時,地質工作者必須將PDC鉆頭使用的時期及鉆井參數相結合來綜合考慮問題。

　　3.1 使用早期的PDC鉆頭在不同鉆井參數下的巖屑分析識別

　　高轉速、低鉆壓、低排量。在這種鉆井參數條件下使用磨損程度小的PDC鉆頭鉆進,鉆速相對較慢,掉塊多,轉盤負荷較大。由于泥漿對地層巖屑的沖刷破碎力小,鉆頭破碎的巖屑未被進一步破碎,因此所鉆巖屑顆粒較大,但是由于排量低,巖屑上返不及時,井筒內巖屑多,部分巖屑又受鉆頭及高速旋轉鉆桿的劇烈攪拌造成重復性碾磨而變小,最終導致巖屑情況復雜,觀察發(fā)現所得巖屑總體新鮮感降低,粒徑最大4～5mm,一般在2～3mm之間,最小為1～2mm。以2mm篩層巖屑(大小2～3mm)代表性最好。

　　低轉速、低鉆壓、高排量。這種鉆井參數組合很少見,在這種條件下使用磨損程度小的PDC鉆頭鉆進,鉆速較慢。鉆盤轉速低,鉆頭對已破碎的巖屑未造成重復性碾磨,并且?guī)r屑上返過程中也未受鉆桿高速旋轉的劇烈攪拌,從而使返出的巖屑顆粒相對較大。粒徑最大4～6mm,一般在2～4mm之間,最小達1.0mm,以2mm篩層巖屑(大小2～4mm)代表性最好,1mm篩層巖屑(大小1～2mm)代表性略次。

　　低轉速、低鉆壓、低排量。尚未遇到在這種鉆井參數條件下使用磨損程度小的PDC鉆頭鉆進的情況。

　　3.2 進入晚期的PDC鉆頭在不同鉆井參數下的巖屑分析識別

　　高轉速、低鉆壓、高排量。在這種鉆井參數組合下使用磨損程度較高的PDC鉆頭鉆進所得巖屑,鉆速變得很慢,巖屑變得很細,粒徑最大2～3mm,一般在0.5～1mm之間或呈粉末狀。此時巖屑很細,篩樣要特別注意,篩樣時要前后對比巖屑,看暗色巖屑(泥巖)與淺色巖屑(砂巖)的增減量,使用1～2～5mm四層選樣篩選樣,如淺色巖屑(砂巖)增加,則漏過1mm篩層的粉末狀巖屑代表性最好;如暗色巖屑(泥巖)增加,則漏過1mm篩層巖屑(大小0.5～1mm)代表性最好,1mm篩層巖屑(大小1～2mm)代表性次之,2mm篩層以上巖屑代表性就非常差了。

　　高轉速、高鉆壓、高排量。在川西,井隊當PDC鉆頭使用到晚期后,由于鉆頭昂貴,為節(jié)約鉆頭成本,一般都要加大鉆井參數,特別是加大鉆壓繼續(xù)維持鉆進,因此這種鉆井參數組合使用較多。此時使用磨損程度高的PDC鉆頭鉆進,鉆速仍然很慢。井下巖屑由于所承受的壓力過大而使其緊貼切削齒表面,從而生產阻礙巖屑移動的摩擦力。這種摩擦力往往可以積累到相當高的程度,以至于會造成巖屑在切削齒邊緣的堆積。井底巖石的運移就不再是直接依靠切削齒的邊緣,而是通過切削齒表面積累的巖屑自身來完成,如果排量減小,這種現象將更加嚴重。

　　低轉速、低鉆壓、高排量。在這種鉆井參數條件下使用高磨損程度PDC鉆頭鉆進,鉆速非常慢,井隊基本都會起鉆換鉆頭。

　　低轉速、低鉆壓、低排量。尚未遇到在這種鉆井參數條件下使用高磨損程度的PDC鉆頭鉆進的情況。

　　綜上所述,在川西孝泉、新場等構造的中軟地層,PDC鉆頭在鉆井過程中形成的巖屑與PDC鉆頭的磨損程度及鉆井參數的使用有密切關系。不同的鉆井參數、不同的鉆頭磨損程度對巖屑的大小、形狀有著重要影響,作為地質工作者在使用PDC鉆頭巖屑錄井過程中應綜合考慮影響巖屑成因的各種因素,有效分析識別具有代表性的巖屑,以提高巖屑真實性及地層剖面的符合率。