山前构造钻头优选技术.doc

专科毕业设计（论文）

题 目 山前构造钻头优选技术
学生姓名 陈玉超 学号
教学院系 成人教育与网络学院
专业年级
指导老师 职 称
单 位

完成日期 年 月 日

Southwest Petroleum University
Adult education academy
Graduation Thesis

The Bit Optimization Technology
for Piedmont Area

Grade: 2005
Name: Chen Yuchao
Speciality: Petroleum Engineering
Instructor: Xiong Jiyou

Adult Education and Network Academy
2009-10
摘要
山前构造带钻井是目前钻井的一大难题之一，在山前构造带高效、快速钻井需要充分分析山前构造带的复杂地质情况、钻井事故和复杂问题。本文从选优选钻头的角度找出适合塔里木山前构造带的钻头序列，为提高机械钻速提供技术支持。
本文首先从山前构造的地层和岩性特征入手，讲述了山前构造的概念、山前构造带的钻井主要难题以及出现这些问题的原因，并用实例简要分析了其岩性变化。其次从钻头的基本特性和适应性出发，分析了常见牙轮钻头和PDC钻头的基本原理和适应地层，且针对塔里木山前构造地区阐述了该区PDC钻头的使用现状。再次本文通过四种不同的优选钻头方法，分别论述了每种方法的原理并利用各种方法优选出了适合塔里木山前构造带（库车凹陷乌什地区）的钻头序列。利用钻速方程优选钻头时，通过对该地区依拉2井的钻井井史资料的分析，并结合钻井工作参数求取岩石可钻性参数，优选出钻头序列。采用测井资料优选钻头时，利用了目前发展迅速的测井技术和越来越能准确反映地层岩石信息的测井资料，计算出岩石力学参数，然后使用这些参数并结合钻头自身适应性优选出钻头序列。运用微钻法优选钻头时，采用地层岩石取芯资料，在实验室内获得岩石力学参数，结合钻头自身适应性优选出合适的钻头序列。在利用经验法优选钻头时，充分结合该构造地区邻井资料钻头使用效果和现状，通过参数比对优选出同类地层下使用效果好的钻头序列。综合法优选钻头就是综合采取上面四种方法，然后去除各自优选钻头的缺点，得出适合塔里木山前构造带（乌什地区）的最优钻头序列。
山前构造钻头优选技术能充分提高机械钻速，达到忧快钻井的目的，可以指导山前构造地区钻井工作。
关键字：山前构造；优选钻头；钻速方程；测井；微钻法；钻头序列

Abstract
Nowadays, it is one of the difficult problems for drilling in the piedmont area. It is necessary for analyzing complex geology, drilling failure and complicaton to achieve high-efficiency and high-rate drilling in the piedmont area. This paper finds out the bits series suitable for Tarium piedmont area according to the drill bit optimazation as to raise penetration rate.
Frist,It discovers the concept of the piedmont area, the main drilling difficulties and the reasons for these problems in this article from the piedmont stratum and lithologic character. It also briefs the changes of lithologic character by the simple example. Secondly It analyze the principle of roller bits and PDC bits from the property and suitability of bits. It illustrates the quo-status of using PDC bits in the Tarim piedmont area. Once again,the article clears out four different ways about selecting bits with their principles and suitability and chooses the suitable sequence of bits for the Tarim piedmont area (the Wu Shi area of kuqa sag). When using the equation of drilling rate to select bits , It utilize the well history dataf in this area(the Yi La second well) to seek drillabilities by using running parameters.At last it chooses the sequence of bits by these formation drillability parameters.When using the information of well logging to select bits, select by the current rapid development in logging technology and increasingly accurate information showing rock strata logging data to calculate the parameters of rock mechanics, and then use these parameters self-adaptive combination of selected drill bit sequence.When using micro-drilling election to select bits, use rock core information and obtain in the laboratory of rock mechanics parameters, At last select the sequence of bits by their bit suitability.When select bits by Experience,It analyzes situation of bits and the in this area and find good bits in the same tape of information. Synthesis method is a combination of drilling election that is four methods, and then remove the shortcomings of their elections to aquire the optimum sequence of bits.
The optimization techniques for piedmont area raises the penetration rate to achieve optimal and high drilling penetration,it can guide the drilling process in the piedmont area.
Keywords: piedmont area; bit selection; drilling speed equation; logging; micro-drilling method; the sequence of bits
I

目录
1 绪论 1
1.1 目的与意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文研究内容 3
1.4 研究思路 4
2 山前构造分析 5
2.1 山前构造钻井的现状分析 5
2.2 山前构造岩性特征分析 8
3 山前构造钻头的适应性 11
3.1 PDC钻头适应性分析 11
3.1.1 PDC钻头类别 11
3.1.2 塔里木山前构造PDC钻头使用现状 12
3.2 牙轮钻头的适应性分析 14
3.3 刮刀钻头及其他钻头适应性分析 16
4 钻头序列优选 17
4.1 利用钻速方程优选钻头序列 17
4.2 利用测井资料获取岩石力学参数优选钻头序列 25
4.2.1 声波测井原理 26
4.2.2 地层、岩石相关参数的计算 27
4.2.3 利用测井资料优选钻头 30
4.3 利用微钻法获取岩石力学参数优选钻头序列 32
4.3.1 岩石硬度和塑性系数 32
4.3.2 岩石的单轴抗压强度 33
4.3.3 岩石抗剪强度 33
4.3.4 岩石的可钻性 34
4.3.5 微钻法优选钻头 34
4.4 邻井参数比对法优选钻头序列 38
5 综合法优选钻头序列 42
5.1 各种优选钻头方法评价 42
5.2 综合法优选钻头序列 43
结论 46
建议 47
致谢 48
参考文献 49
I

山前构造钻头优选技术

1 绪论
要采出地下油气，就必须在地面和地下之间建立油气通道。这就需要通过钻井，才能实现这一目标，目前，钻井方法主要是用机械方法破碎岩石，而钻井作业的实施是通过钻头直接破碎地层岩石而得以实现的，降低钻井成本最直接、有效的措施就是提高钻头进尺、加快钻井速度，通过合理的优选钻头类型，提高钻头本身的性能是实现这一目标的有效途径。
目前常见的钻头类型有刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头，其次还有其他特殊用途的钻头，如：取芯钻头、双心钻头、单牙轮钻头等。目前，在常规的钻进中，牙轮钻头和金刚石钻头起着最主要的钻进作用。这儿我们主要研究牙轮钻头、金刚石钻头，其金刚石钻头按其切削元件可分成四种基本类型，PDC钻头及大复合片钻头——聚晶金刚石复合片、巴拉斯钻头——热稳定聚晶块、马赛克钻头——马赛克切削块、天然金刚石钻头——天然金刚石。其中PDC钻头是最近几年发展最快的钻头，它在提高机械钻速发挥着很大的作用。
钻头的选型方法常可分为两大类：一是从岩石的力学性能入手，寻求与岩石的力学性能匹配的钻头。二是从某地区已经获得钻头资料入手，分地层对钻头的使用情况进行评价，从评价的结果中找出适合该地区该地层的钻头。这种从两个不同的方面来考虑钻头选型的方法,长期以来得到了广大钻井工作者的认同,而且基本上能选出合适的钻头序列。
1.1 目的与意义
目前，塔里木是我国油气勘探、开发的重点区域，其库车地区和塔西南地区是其主要的产油气区之一。加快这些地区的油气勘探、开发速度，对于整个国民经济的发展具有很大的推动作用。
在石油与天然气的勘探、开发中，却经常遇到很多复杂地层。其山前构造就是其中的一种，由于其地层软硬交错、变化频繁，地层各向异性、地层倾角大，一般的钻头很难适应其变化，也很难达到最优钻进且各种钻头也有各自的使用范围，其使用也受到限制。导致其防斜与提高机械钻速之间存在难以调和的矛盾。近年来，塔里木勘探区域由台盆区逐渐向山前构造带转移，塔里木油田山前构造带主要是库车地区和塔西南地区,山前构造与盆地比较，地质条件更加复杂，钻井存在很大差异。在山前构造深井钻井经常要遇到井斜、井漏、井壁失稳、卡钻、蹩跳钻、钻具磨损等问题，其中尤以井斜问题最为严重。造成钻井速度慢、周期长、成本高，导致其钻井速度低于探区平均水平。这严重制约着其油气勘探的发展。在山前地区钻井急需解决的难点有三个：一是井斜的控制；二是提高钻井速度，三是复杂地层条件下堵漏问题。这儿我们重点关注防斜、钻速问题，为了解决这问题，就要求我们在现有的钻头序列下，通过钻头评价和结合山前构造地层岩性特征，优选山前构造带钻头、找到一种适合山前构造的钻头序列。或者开发适合这种地层的新钻头序列。或用垂直钻井系统（如：Power-V、Auto Trak)来打直、打快，但这种系统国内的技术还不成熟，只能租用国外公司的，其价格昂贵，目前只针对前种方法进行讨论。
1.2 国内外研究现状
长期以来国内外钻井工作者，一直在不断地对这种地层进行着钻头选型的研究工作.目前，国内外在优选钻头问题上，主要是从先测试出地层的各项参数再结合厂家对自己钻头的推荐和钻头使用经验选出最优钻头。其中对地层参数的测量要求能真实反映地层信息，如用地震、微钻法、利用钻速方程反求、测井资料来求取地层的可钻性、抗压强度、岩性等。其中测井是最近几年迅速发展起来的一种新方法，其测量精度越来越高，能反映出的地层信息也越来越多。如常用的声波时差法包括直接利用测井资料计算、岩屑声波时差法、岩屑硬度法等。
山前构造还有一个复杂问题就是井斜。由于山前构造往往处在断裂带上，其内的岩石相对容易破碎，存在可钻性的差异，当钻头从软地层进入硬地层时，在一侧先遇到硬地层，钻头工作刃阻力大、吃入少、钻速慢；而另一侧还在软地层，钻头工作刃阻力小、吃入多、钻速快。因此，钻进将沿着地层上倾方向发展。当钻头从硬地层进入软地层时，开始由于一侧地层软，钻头工作刃阻力小、吃入多，钻速快；而另一侧还在硬地层，钻头工作刃阻力大、吃入少，钻速慢，井眼有向地层下倾方向倾斜的趋势。当钻头快要钻出硬地层时，迫使钻头仍回到地层上倾方向钻进，而且往往在界面处形成狗腿，甚至在较短的井段内，即达到较大的井斜角，出现井斜，山前构造带地层倾角一般比较大，各向异性强、易发生井斜。在剧烈的构造活动中留下可钻性差的大颗粒岩石，钻进过程中易发生跳钻现象，钻进参数不稳，从而发生井斜，严重降低机械钻速。
塔里木盆地山前构造带是国内钻探难度较大,难题较集中的地区之一。该地区地质条件极为复杂,上部为高陡地层,下部为多套高压盐水层、复合盐层、漏失层、坍塌层及高压气层,地层压力系数高。由于地应力大,裂缝发育,采用高密度钻井液钻遇盐岩、盐膏层、易塌页岩、大倾角易破碎地层时,极易发生井漏和井下出盐水,造成漏、塌、斜、涌、卡钻等复杂情况,严重时解卡无效只能被迫采用侧钻,严重制约了钻井生产速度的提高。
塔里木针对选钻问题主要是从两方面一起入手，一是结合其邻井钻遇资料和工作经验来优选钻头；二是通过实验、测试分析获取地层参数优选钻头。塔里木目前面对山前构造的难点常是：( 1)山前复杂地层岩性变化快、软硬交错频繁，现有的钻头系列无法满足复杂多变的地层变化,导致钻头选型准确程度不高。(2)大部分井段岩性抗压强度属中到硬,钻头切削齿吃入困难。(3)不同构造间地层可钻性差异大,钻头选择借鉴性不强。(4)山前构造带普遍存在高压气层、复合盐层、大段煤系层等复杂地层,加之地应力高,钻井过程中使用的钻井液密度均较高,井底不可避免地产生较强的压持效应,造成岩屑重复切削,影响了机械钻速的提高。(5)地层各向异性,倾角大,防斜与提高钻速之间存在难以调和的矛盾,同样也制约了钻头功效的发挥,使钻井速度受到影响。
1.3 本文研究内容
（1） 分析塔里木山前构造（库车地区）的地层、岩性特征
从宏观上分析岩性总的变化趋势，以及针对一个具体地区的某几口井进行地层岩性分析，进一步了解其岩性变化快、地层复杂。
（2） 分析钻头适应性
现场常用的钻头常是牙轮钻头、金刚石钻头，他们是目前钻井工作中发展最快和最成熟的钻头类型。而且已经形成了一整套序列并适应不同地层的钻头，为了达到最优钻进目的，它们各自也有其最优使用条件。
（3） 分析常用优选钻头方法
常规优选钻头是通过对地层参数的分析、结合经验并根据厂家提供的钻头使用条件进行优选钻头。分析部分方法求取地层参数的原理，算出其可钻性值。
（4） 优选钻头序列
由于用每种方法求取的地层参数值不一致，而且其测量精度也不同，结果使每种方法在优选钻头时，所选出的钻头序列有所不同。即使这些方法能很好的确定地层可钻性、岩性、地层其它参数，但往往会有多种钻头与之匹配。而在实际中，由于钻井目的不同、钻井工作参数不同、地层与实际还是存在一定的误差。这就致使几种钻头中只有一种是与地层配伍性最好的。总之，需要我们统计该地区每种钻头在近似地层条件和不同钻井目的下的使用情况，使之达到最优（主要研究PDC钻头）。
1.4 研究思路
山前构造钻头优选
分析山前构造岩性
分析钻头适应性
分析钻头选型方法
综合法优选最优钻头序列

2 山前构造分析
2.1 山前构造钻井的现状分析
“山前”泛指由于造山运动而明显变形的造山带面向沉积盆地的构造、沉积区。“山前”有两种主要类型：一类为“主动山前”；另一类为“被动山前”。所谓“主动山前”即造山带面向沉积盆地的构造变形区；所谓“被动山前”即造山带面向沉积盆地的沉积变形区[1]（如下图2.1）。

1、岩石圈 2、断层 3、沉积盆地 4、区域应力
图2.1 山前类型示意
近几年，山前逐渐成为国内外油气勘探的重点领域。“山前”在地层变化中特殊的构造位置、能够为石油和天然气运移提供动力的较强的构造活动性以及良好的生、储、盖组合，使山前构造带成为油气富集成藏的有利部位。
山前挤压环境和逆(或逆掩)断层，均有利于各类圈闭的侧向封堵。泛盆地沉积的海相泥岩层成为山前油气藏的良好盖层。而盆地前陆演化阶段早期，山前往往发育盐膏层，其形成机理主要是：在区域挤压应力作用下，盆地整体抬升，海水消退，同时诱发盆缘“造山”；在均衡作用下，山前下拗形成坳(凹)陷，成为盆地新的沉积区；盆内隆升和盆缘造山致使山前坳(凹)陷成为闭塞--半闭塞蒸发环境，从而形成了盐膏沉积。盐膏层发育极大改善了山前的封盖条件。
山前断裂发育，既有逆断层、逆冲断层，又有走滑断层， 山前地区的油气勘探受到广泛地关注，但是这些地区地表及地下特征十分复杂，普遍存在如地表多种地貌并存，山体高大，山前巨厚砾石堆积、冲沟发育，地下逆掩推覆强烈，地层高陡、地层倾角大，地应力分布复杂等情况。这就给“山前”油气的勘探和钻井带来了许多困难。
随着勘探开发进一步向山前复杂地区发展，在山前构造深井钻井经常要遇到井斜、井漏、井壁失稳、卡钻、蹩跳钻、钻具磨损等问题，其中尤以井斜问题最为严重。造成钻井速度慢、周期长、成本高，这些因素严重制约着勘探开发的进度。山前地区钻井的主要技术难点为：
（1）高陡构造防斜、打快难度大。在西部、南方海相山前高陡构造地区，地层倾较大，一般在30°—80°之间，且倾向不一，造成井身轨迹很难控制，探井地质靶区范围很窄，井斜控制成了突出问题。
（2）国内现有的防漏技术在山前地区的应用还不成熟。堵漏成功率为40%左右。
在山前地区钻井急需解决的难点有三个：一是井斜的控制；二是提高钻井速度，三是复杂地层条件下堵漏问题。
中国西部盆地蕴藏着丰富的石油及天然气资源，其中在玉门青西、四川川东、青海柴达木盆地、塔里木库车山前、准噶尔盆地南缘、滇黔桂楚雄地区等山前高陡构造地区，由于地层倾角大，普遍存在井斜控制问题，由于现阶段采用的防斜技术的局限性直接影响了钻井速度,本文主要讨论塔里木库车山前构造带,合理优化钻头。其目的是为了提高机械钻速。
库车岰陷位于南天山造山带天山南缘山前构造带，其是塔里木最主要的产油区。东其库尔楚，西到乌什，是一个以中、新生界沉积为主的前陆岰陷。受多次造山运动的影响，地质条件十分复杂，是国内陆上钻井难度最大的地区之一。主要钻井难题是：地层倾角大（35°—85°）、地层自然造斜能力强、钻井中易发生严重井斜；地层可钻性差，机械钻速低；第三系复合岩盐层分布广泛，并夹杂软泥岩；地应力分布复杂，井壁失稳严重；高压气层钻井、完井难度大。
山前构造带钻井过程中容易井斜，主要原因有以下几个方面：
（1）由于经历过剧烈的构造运动，残余构造应力大。在钻头破碎岩石的过程中，残余构造应力表现出较强的地层力，使井眼向地层应力释放的方向倾斜。由于不同构造部位的局部残余应力不同，表现出的井斜力也不同，而且井斜方位不易判断。
（2）由于山前构造带往往处于断裂带上，在钻进中钻头容易沿断裂面滑移，从而造成井斜。当钻头在倾斜的层状地层中钻进时，钻至每个层面交界处，地层上倾一侧的岩石因不能长时间支撑钻压而趋向沿垂直层面发生破碎。在井眼上倾一侧的小斜台肩很容易被钻掉，而在井眼下倾一侧的层面上残留一个小斜台，它对钻头施加一个横向作用力，将其推向地层的上倾方向，从而引起井斜，这就是所谓地层的“小变向器”作用。这样，钻头每钻至一个倾斜层面都会出现这一现象，而且地层倾角越大，成层性越强，钻压越大，造成的井斜也就越大。
同时，由于断裂带内的岩石相对容易破碎，存在可钻性的差异，当钻头从软地层进入硬地层时，在一侧先遇到硬地层，钻头工作刃阻力大、吃入少、钻速慢；而另一侧还在软地层，钻头工作刃阻力小、吃入多、钻速快。因此，钻进将沿着地层上倾方向发展。当钻头从硬地层进入软地层时，开始由于一侧地层软，钻头工作刃阻力小、吃入多，钻速快；而另一侧还在硬地层，钻头工作刃阻力大、吃入少，钻速慢，井眼有向地层下倾方向倾斜的趋势。当钻头快要钻出硬地层时，由于类似前面所述的“小变向器”作用，迫使钻头仍回到地层上倾方向钻进，而且往往在界面处形成狗腿，甚至在较短的井段内，即达到较大的井斜角，此时井斜的方位一般与断裂面的方向一致。
（3）山前构造带地层倾角一般比较大，各向异性越强、倾角越大，越易发生井斜。地层的各向异性是指在用一沉积层内，地层在不同方向上强度的相对差异。一般在平行于层理的方向上岩石破碎比较困难，在垂直于层理的方向上岩石破碎比较容易。因而，钻头将保持沿着岩石容易破碎的方向前进。在水平地层，井眼不易发生井斜；而在垂直地层，由于垂直层面的强度小，所以井壁岩石易破碎，钻头稳定性差，钻进时易井斜，且方位不稳定。井斜的方位一般垂直于地层的走向，由于地层可钻性各向异性的原因，多沿上倾方向，但有时沿下倾方向。
（4）在剧烈的构造活动中留下可钻性差的大颗粒岩石，钻进过程中易发生跳钻现象，钻进参数不稳，从而发生井斜。此时的井斜方向一般也难以判断。
（5）在钻遇断层、地层不整合界面时也会使井眼倾斜，并常出现狗腿。在地质构造运动剧烈的破碎带钻进时，由于破碎带的岩石软硬交错，使钻头受力不均匀，工作不稳定，也易发生井斜。
（6）底部钻具弯曲对井斜的影响。除了上面所说的地质原因外，钻井工具与工艺本身有时也会引起井斜。钻井实践证明，采取轻压吊打，井斜很小。这是因为下部钻铤所受压力很小而处于直线稳定状态。当下部钻柱在较大钻压作用下发生弯曲时，是引起井斜的另一个重要原因。而且弯曲程度越严重，井斜也越严重。它对井斜的影响主要表现在两个方面：
1)下部钻柱弯曲使钻头相对于井眼轴线偏斜，其钻进的方向偏离原井眼方向，直接导致井斜。
2)下部钻柱弯曲使钻压改变了作用方向，即不再沿井眼轴线方向施加给钻头，而是偏离了一个角度(钻头倾斜角)。从而使钻压产生一个引起井斜的横向偏斜力(称为增斜力)，导致井斜。
2.2 山前构造岩性特征分析
山前构造带地质复杂还表现在岩性变化[20]上，以库西地区为例，却勒区块与乌什区块地层岩性、主要矿物成分有较大的区别。
（1） 地层岩石主要岩性统计分析
库西地区的却勒区块主要是泥岩、砂岩、盐岩和膏泥岩四种，而乌什区块地层岩性主要是泥岩、砂岩和砾岩三种。这表明山前构造带的同一地区岩性变化也是较大的，见下表2.1。
表2.1 库西地区四口井地层主要岩性统计分析结果

（2）地层岩石矿物成分鉴定分析
库西地区却勒和乌什区块的主要矿物成分相同，主要矿物（除砾岩外）含量依次是石英、粘土、斜长石和方解石四种。乌什区块矿物成分中还含有方沸石和黄铁矿。结果见下表2.2和表2.3所示。

表2.2 却勒1井13种岩性矿物成分（%）鉴定结果表

表2.3 乌参1井11种矿物成分（%）鉴定结果表

从给出的例子中，我们可以看出山前构造带岩性特征变化比较复杂，即使在同一地区、同一区块也存在一定差距，导致邻井资料借鉴性不强，这就给优选钻头带来很大困难。为了更好的优选钻头，我们需要对塔里木山前构造地区的岩性特征有一个总体的了解，从各种资料中判断各地层层位的岩性特征，并针对不同地区、同一层位，比较岩性差距，以便有利于优选钻头。
综合分析库西地区的主要岩性和矿物成分，会发现整个岩性以泥岩为主，其次含有大量砂岩和盐岩，部分井含大量砾岩。矿物成分还是以常见的石英、粘土、斜长石和方解石为主。

3 山前构造钻头的适应性分析
3.1 PDC钻头适应性分析
目前，金刚石钻头已不再是只能打坚硬地层的天然金刚石钻头的单一品种，而是形成一个能钻进从极软到极硬地层的完整系列。由于金刚石钻头能在低钻压、高转数下取得高钻速和高进尺，所以在许多钻井作业中，能取得牙轮钻头无法比拟的技术——经济效率，成为快速钻井——防斜钻井、定向钻井、超深钻井、海洋钻井、高温钻井、井下动力钻井中高效、经济、安全的优良钻井工具。
3.1.1 PDC钻头类别
（1） PDC钻头及大复合片钻头——聚晶金刚石复合片[7]，其复合片上部为聚晶金刚石薄层是切削元件锋锐的刃口，硬度及耐磨性极高，但抗冲击韧性差。下部为碳化钨基片，在钻井中易于形成“自脱”，同时其抗冲击性好，为金刚石层提供良好的弹性依托。该钻头适用于钻进产生摩擦热较少的软---中软地层，但由于近年来PDC钻头的高速发展，其适用范围以变得非常的广，大大超出了软---中软地层的限制，并可用于硬地层。
图3.1 PDC钻头
（2） 巴拉斯钻头——热稳定聚晶块，其是在复合片基础上发展起来的新材料，该类型钻头适用于钻进中—中硬并带有一定研磨性的地层。
（3） 马赛克钻头——马赛克切削块，是由热稳定晶片拼合成复合片的尺寸，然后以特殊工艺烧结与钻头胎体上。该钻头兼具有热稳定聚晶块的耐高温性质和聚晶金刚石复合片的切削能力，其适用地层范围广。
（4） 天然金刚石钻头——天然金刚石，该钻头适用的天然金刚石分为五种：优级、标准级、特优级、立方体钻石、黑钻石。其不同等级的金刚石有不同的适用性地层。
这几种中以天然金刚石钻头和PDC钻头使用最广，特别是PDC钻头的使用。
天然金刚石钻头的破岩过程，可看成使单粒金刚石破碎岩石的过程，每一粒金刚石，均可看为一球体。当钻某些硬地层时，钻头上的每粒金刚石在钻压作用下压入岩石时下面的岩石处于极高的应力状态，呈现塑性，同时在旋转扭矩的作用下产生切削作用，破碎岩石的体积大体上等于金刚石吃入岩石的位移体积。但在一些另外的情况下，其破碎岩石机理稍有不同。
PDC钻头是以切削齿对地层进行切削来破碎岩石的，由于钻头在井下高速旋转以及井下的高温环境，使得井底岩石具有一定的弹性和塑性，整个切削过程与金属切削过程很相似。岩石的切削过程实质上是一种挤压过程，在挤压的过程中，岩石主要以滑移变形方式成为切屑。当岩石开始接触切削齿的刀刃最初瞬间，接触点的应力使岩石内部产生弹性应力和应变；当切削刃逼近岩石时，岩石内部的弹性应变逐渐增大，在岩石内某一位置剪切应力达到岩石的屈服强度，因而岩石开始沿剪切力相等的“初滑移面”滑移，这个滑移面的左边代表变形区域，右边代表塑性变形区域。PDC钻头的破碎岩石机理可概括为：PDC钻头切削齿在钻压作用下能自脱地吃入地层，在扭矩作用下向前移动剪切岩石。
PDC钻头在均匀的较软岩石地层中钻进以剪切的方式破碎岩石，它能取得较高的机械效率，而且寿命较长，没有易损的活动件，使用过程中比较安全，缺点是遇到硬夹层时，钻头容易损坏，而且当地层硬度太大时，钻进效率下降很快，地层适应性差。
3.1.2 塔里木山前构造PDC钻头使用现状
实践证明，钻头能否与地层相适应是提高山前地区钻井速度的关键。由于塔里木山前地区地层岩性变化快，软硬交错，研磨性强，可钻性差，且普遍钻遇复杂地层，钻头在井下工作环境恶劣，加之不同构造间可对比性差，导致山前地区钻头选型困难，机械钻速普遍较低。提高钻头的使用技术水平，是解决复杂地层提高钻速的关键。下为山前复杂地层钻头使用技术的难点[1]：
·岩性变化快、软硬交错频繁，大段的均质岩性基本不存在；
·大部分井段岩性抗压强度属中到硬，钻头切屑齿吃入困难；
·不同构造间地层可钻性差异大，钻头选择借鉴性不强；
·普遍存在复杂地层，钻井中使用的钻井液密度均较高(迪那11井2.43g/cm3) ，井底不可避免地产生较强的压持效应，影响了机械钻速的提高；
·因防斜的需要，制约了钻头功效的发挥，也影响了钻井速度；
·目前的钻头技术还不能完全满足山前复杂地层高效钻井的要求。
（1）山前复杂地层钻头使用技术
·对不同构造具有典型代表性的岩芯在室内进行岩石可钻性测定；
·利用测井、录井资料建立已完钻井的岩石可钻性综合解释剖面；
·联合钻头厂家，针对山前地层特点，设计、引进或改进钻头，并进行应用评价,达到预期的效果后,再进行全面推广应用，否则，将再次进行改进或重新设计，最终形成适合山前不同井段、不同岩性特征的高效钻头系列；
·积极利用已取得的技术成果，加大现场推广应用的力度；
·积极引进技术水平高、质量过硬的钻头厂家及新型钻头，创造公平有序的良好竞争环境，促进钻头技术水平的提高。
（2）、钻头设计、制造与选型技术研究
在钻头尤其是PDC钻头设计、制造与选型技术方面的研究持续进步，并取得了以下方面的技术成果：
1）、提高复合片金刚石含量，以改善复合片强度、韧性和耐磨性。
2）、根据不同地层特点，设计切削齿形状、尺寸、后倾角和布齿方案，提高钻头攻击能力。
3）、优化钻头刀翼、流道设计，改善钻头稳定、抗冲击性和清洗冷却性。
·钻头冠部形状确定原则。不同冠形PDC钻头的攻击性依次为：长抛物线型>中等抛物线型>短抛物线型；
·针对软硬交错地层，采用多种抗回旋设计
3.2 牙轮钻头的适应性分析
牙轮钻头是石油钻井中使用最广泛的钻头。这是由于牙轮钻头旋转时具有冲击、压碎和剪切破碎岩石的作用；牙齿与井底的接触面积小，比压高；工作扭矩小；工作刃总长度大等特点，因而是牙轮钻头能适用于多种性质的岩石。目前，牙轮钻头按牙齿材料不同分为铣齿和镶齿两大类。铣齿牙轮钻头的牙齿均为楔形齿，由牙轮毛胚直接铣削加工而成。
图3.2三牙轮钻头
牙轮钻头的破岩机理主要是冲击、压碎、剪切作用。（1）冲击、压碎作用，钻头在井底工作时，钻头及其牙轮绕钻头轴线旋转，由于地层对牙齿的阻力，也使牙轮同时绕自身轴线旋转。牙轮在旋转时，牙齿交替以单双牙轮流接触井底。牙轮钻头在井底破碎岩石时，牙齿作用在岩石上的力不仅有钻压所产生的静载荷，还有因
纵向振动而使牙齿以高速度冲向岩石所产生的动载荷，前者使牙齿压碎岩石，后者使牙齿冲击破碎岩石。（2）剪切作用，在硬地层中，利用钻头对井底的冲击、压碎作用，可以有效地破碎岩石。但在软和中硬地层中，除了要求牙齿对井底压碎、冲击作用外，还要有剪切刮挤的作用才能有效地破碎岩石，剪切刮挤作用来自牙轮在井底的滑动。具有复锥、超顶、移轴等结构的牙轮钻头，可使牙轮在井底产生滑动。在实际钻井工作中，不同岩性的地层，需要不同的滑动量，因此，不同类型的钻头，其移轴距、超顶距和主副锥角差距等都有不同的，地层越软、塑性越大、牙轮滑动量要求大些，反之则小些。
三牙轮钻头由于多年的发展，它已形成了适应各种地层的钻头序列，地层从软—硬都能找到其合适的三牙轮钻头，但在塔里木山前构造地区，发展最快的还是PDC钻头，它能达到快速钻进的目的。塔里木山前构造区域使用的三牙轮钻头类型比较多，每一种钻头都具有各自的结构特点，并适应与其对应的地层，在定向井用钻头还要考虑钻头的造斜、稳斜性能，因此，在钻头造型时要认真分析钻头的结构特点，选择钻速快，性能可靠的钻头，下面以江汉的各系列牙轮钻头为例进行分析。
江汉的HA系列钻头为橡胶密封滑动轴承，在常规转速下使用可承受较高的钻压，配合不同的切削结构，可以适应极软到极硬地层。镶齿钻头采用高强度高韧性合金齿，充分发挥了镶齿钻头高耐磨性和优异切削能力。钢齿钻头齿面敷焊新型耐磨材料，延长了钻头使用寿命。如HA537G钻头具有偏顶勺形内排齿，楔形外排齿，不等距布齿，金刚石保径掌背镶硬质合金强化保径等结构特点，适应于低抗压强度、中软（可钻性级值3～4）、有较强研磨性夹层（可钻性级值5～6）地层。在塔里木山前构造用得比较好的还有HAT127钻头，这个江汉HA系列钻头可适应多种复杂地层，如在DN22井中用HAT127钻头钻进330-659m，总进尺329m,纯钻时18.50h，平均机械钻速17.78m/h,在DN2-3井中，在3449m-4444m井段共使用15只φ311.10mm HAT127钻头，总进尺995m，单只进尺66.3m,总纯钻时316h,平均机械钻速3.15m/h。此外HA517、HA517A、HA537等钻头使用效果都不错。
江汉的HJ系列是适合直井、定向井的高可靠性钻头。该系列钻头在继承常规HJ系列钻头优越的轴承品质的同时，调整切削结构、合金齿齿材和钢齿敷焊材料，提高了钻头适应各种复杂地层的能力，充分体现常规产品恒久魅力。HJ系列钻头适应240～40rpm转速钻进，是直井、定向井和探井钻进理想选择。在库车地区HJ517G、HJ517L、HJ437使用效果不错。如大北2井，在4844.2～5146.46m井段，此井段处于中厚～巨厚层状盐岩、泥质盐岩夹中厚～厚层状泥岩、中厚～巨厚层状盐质泥岩、中厚层状膏质泥岩、泥膏岩及石膏，为一套泻湖相沉积，本段地层可钻性较好，使用φ215.9mm HJ517L钻头，总进尺302.26m，纯钻时间70.92m，平均机械钻速4.26m/h。
江汉的GA、GJ系列钻头在库车地区也有很好表现。GA系列为橡胶密封滚动轴承钻头，对于中低钻压的较高转速钻井，它是理想而又经济的工具。GJ系列钻头为金属密封滚动轴承，能够稳定在中低钻压、中高转速下钻进，是上部井段的理想选择。镶齿钻头可选偏顶勺形齿、勺形齿、楔形齿和锥球齿等多种高效合金齿。钢齿钻头增加敷焊层厚度和齿的露高。该系列钻头配置了多种可选特征，提高了适应不同钻井工艺和各种复杂地层的能力。例如GA114、GJ535GL钻头，在却勒101、克拉2-4、依拉101井，都有良好表现，就其结构特点适合打浅层。但GA114钻头在克拉2-4井2967.08-3010.74m井段总进尺43.66m，纯钻时21h，平均机械钻速2.079m/h，其应用效果也比较好。
3.3 刮刀钻头及其他钻头适应性分析
刮刀钻头是使用于松软——软地层的钻头，在泥岩、页岩和泥质胶结的砂岩等地层，可以取得很高的机械钻速和钻头进尺。其破岩机理基本上是靠刮刀的剪切作用。但是在硬而研磨性高的地层中钻进，刀片吃入困难，钻头磨损快，有时还出现蹩跳现