不同地层岩性对钻头失效的影响

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地层岩性对钻头失效的影响表现在钻井工艺上：影响钻进速度、钻头进尺；使钻井过程出现井漏、井喷、井塌和卡钻等复杂情况；使泥浆性能发生变化；影响井眼质量，如井斜、井径不规则，进而影响固井质量。

通过分析地层岩性及其对钻井工艺的影响，可对钻头选型和使用的合理性进行判断。

粘土、泥岩和页岩层影响：极易吸收泥浆中的自由水而膨胀，使井径缩小，造成下钻遇阻，甚至卡钻，随着浸泡时间的延长，又会产生掉块剥落，使井径扩大，造成井塌。

应尽量使用清水或低比重低粘度的泥浆钻进。

炭质页岩联接力弱，容易垮塌。

泥质岩层质软，钻速快，也容易泥包。

砂岩：其性质依颗粒的大小、成分以及胶结物的不同有很大差别。

颗粒越细、石英颗粒越多、硅质和铁质胶结物越多则越硬，对钻头磨损越大，如石英砂岩；泥质胶结物越多，云母和长石的成分越多则较软易钻；颗粒越粗，胶结物越少，渗透性越好，易产生泥浆的渗透性漏失，并在井壁上形成较厚的泥饼，引起粘附卡钻等复杂情况，造成钻头的非正常使用。

砾岩：在砾岩层中钻进易产生跳钻、蹩钻和井壁垮塌；当泵排量小或泥浆粘度低时，砾石颗粒不易上返，对钻头牙轮体和牙齿损坏较大。

石灰岩：一般质硬，钻速慢、进尺少。

有的有缝缝洞洞发育，钻遇缝洞时，会引起蹩钻、放空、泥浆漏失等，井漏后有时还会发生井喷。

石灰岩地层对钻头进尺、机械钻速和钻头失效影响很大。

另外，当地层软硬交错，如泥岩与较硬的砂岩相间，易产生井斜；地层倾角较大时易产生井斜。

钻头在斜井中钻进易造成损坏。

当岩层中含有可溶性盐类，如石膏层、岩盐层等，会破坏泥浆的性能，影响到钻头的正常使用。

（二）、钻井工艺
一般指钻压、转速和泥浆排量三个钻进过程中可控制的工艺参数。

在实际应用中，钻井工艺应根据地层条件、钻头类型、钻井设备和操作人员技术水平制定。

按其要求和条件的不同，钻井工艺分有：
1）优化钻井工艺：在一定条件下，能达到最好经济指标的钻井工艺参数。

2）强化钻井工艺：为达到更高的钻进速度，采用比一般钻井参数高的钻井参数。

3）特殊钻井工艺：为了特殊目的而采用特殊措施或受限制的钻井参数。

不同的钻井参数要求选用不同规格、型号的钻头，钻进中其钻头失效形式也各具特点，应区别对待。

1、钻压对钻进的影响
钻压是井底破岩的必要条件。

钻压的大小决定着破岩的方式和特点，直接影响到钻进速度和钻头的破坏形式。

在钻进中，钻头受轴向压力和回转力的作用，切削齿在压入、剪切岩石的过程中被磨损、变钝或损坏，必然影响钻进速度。

随着钻压的增加，钻速会不断提高，而钻头的轴承和切削齿等部件也会加速磨损，影响到钻速。

钻压与钻速的关系变化有三个不同阶段。

表面破碎阶段：当钻压小于岩石压入硬度时，切削齿不能切入岩石，只能在岩石表面以磨擦形式破碎岩石，对切削齿磨损较大，虽然钻速也随钻压的加大而正比增加，但钻速很低；
疲劳破碎阶段：当钻压接近岩石压入硬度时，切削齿虽未切入岩石，但在岩面产生许多裂纹，经切削齿的反复作用，也产生体积破碎；
体积破碎阶段：当钻压加到大于岩石压入硬度以上时，切削齿切入岩石产生体积破碎，钻进效果才能明显，才属正常钻进。

因此，施加在牙轮钻头上的钻压必须满足切削齿能压入岩石，使岩石产生体积破碎。

通过提高一倍钻压，试验牙轮钻头钻进不同级别的岩石，结果表明：不同的岩石，对增大钻压时所获得的钻速是不相同的。

其中以中硬岩层（岩石级别6～7级）钻速的增长率较高，而较软（岩石级别4～5级）和较硬（岩石级别8～9级）的岩层则相对增长不大。

钻进粘结性软岩时，易产生堵水糊钻，钻压应选得小些。

钻进研磨性较大的岩层时，钻压不足易造成
钻头早期磨损，钻压要适当加大。

钻遇裂隙岩层时，易产生跳钻，钻压应适当降低，避免崩、断切削齿。

钻压是钻进的重要参数，即要有利充分发挥切削齿切入岩层的能力，又要最大限度地降低切削齿的磨损。

２、转速对钻进的影响
转速表示直径一定的钻头旋转的快慢，是钻进过程中用以衡量回转速度的指标。

钻进时，不同硬度岩石的破岩状态不同，钻压对其影响也不相同，因而钻头转速对破岩过程和机械钻速的影响，要考虑岩性与破岩时间因素。

（1）软地层钻进中的转速
在软而塑性大、研磨性小的岩层（如粘土类岩层）中钻进时，切削齿切削下来的岩屑厚度等于切削齿切入岩石的深度，且钻进中切削齿的磨损很小。

因此，在软地层中钻进，当钻压一定时，转速与机械钻速成正比增长。

（2）中硬及硬地层钻进中的转速
中硬及硬地层压入硬度较大、研磨性较高，切削齿在钻进中不断被磨钝，齿与岩石接触面积也不断增大，使得岩石破碎时变形和裂隙发育时间延长，难度增加，钻速变慢，而需要更大的钻压。

随着地层硬度的提高，钻头破岩时间延长，增大钻速，会使岩石破碎过程发育不能完全，切削齿还未充分破碎岩石，就与岩石分离开，引起破岩深度减小。

因此，受破岩时间的限制，为避免切削齿较快磨损，在中硬及硬地层中钻进时不能过分增大转速。

（3）不同岩石中钻进的转速
不同的岩石，钻速随转速增长均有一定的变化曲线和极限转速。

在粘土类岩石中钻进，钻速随转速成正比增长；在坚硬的、高研磨性岩石中钻进，钻速随转速增加而增长相对缓慢，由于破岩时间延长，极限转速比其它类岩石要小，当转速超过极限转速，将导致钻速下降。

通过提高一倍转速，试验牙轮钻头钻进不同级别的岩石，结果表明：岩石级别为4级的大理石，钻速增长率为93%，岩石级别为9级的斑状花岗岩，钻速增长率仅为28%，从4级到9级，钻速增长率呈递减曲线。

因此，对较软的研磨性地层，提高转速有利，而对坚硬的高磨性地层，则意义不大。

在实际工作中，提高转速受到钻杆柱强度、长度和钻头性能及钻井设备能力的限制。

现阶段，
随着小井眼钻井技术的发展，以及钻杆柱在井内工作状态的改善和采用先进的润滑剂以减小回转磨阻的研究，高转速将得到充分应用。