1、鉆頭的使用與鉆井的關系地層巖性、井段位置、井身結構等不同情況都會影響鉆頭的使用，要根據鉆井的參數和情況，合理選擇和使用鉆頭。目前油用鉆頭市場已不再混亂而變得規范有序，市場競爭向產品差異性和品牌、售后服務的競爭方向發展。市場竟爭力兩大基石之一，鉆頭技術服務的作用將會越來越顯著。一、鉆頭使用資料收集內容1、地層巖性地層的巖性和軟硬不同，巖石破碎機理不同，造成鉆頭失效的形式也各異。我國各油田鉆井中常見的地層巖性，其巖石物理機械性質均有測定。根據現場收集的地層巖性及每米巖性鉆時記錄，進行地層巖石的硬度、塑性、脆性、研磨性和可鉆性分析，對照鉆頭的失效形式，確認鉆頭選型及使用是否合理。2、井段位置在地殼中

2、處于不同位置的巖石，其巖石的機械性質變化很大。埋藏較深的巖石，處于多向壓縮應力狀態，使巖石孔隙減小，強度增加。上部井段一般巖石膠結疏松、質軟，鉆頭轉速高、鉆壓低。下部井段一般巖石質硬、研磨性大，鉆頭轉速低、鉆壓高、使用時間長。根據收集的井段位置及每米巖性鉆時記錄，分析地層巖石的硬度、塑性、脆性、研磨性和可鉆性特點，對照鉆頭的失效形式，確認鉆頭選型及使用是否合理。3、井身結構不同的井身結構，對鉆頭的尺寸、型號和使用等均有特殊要求。如造斜鉆頭一般要求帶修邊齒或保徑結構，使用要求高轉速、低鉆壓等。收集井身結構及鉆頭選型、使用參數等資料，根據鉆頭失效的形式，確認鉆頭選型及使用是否合理。4、鉆井參數鉆壓

3、和轉速的確定，既決定著鉆頭破碎巖石的效率，又影響到鉆頭牙齒、軸承的磨損。淺井、軟地層，鉆頭以剪切作用為主，一般采用高轉速、低鉆壓。中硬地層，鉆頭產生剪切、沖擊、壓碎綜合作用，一般采用中等轉速和中、高鉆壓。深井、硬地層，鉆頭以壓碎、沖擊為主，一般采用較高鉆壓、低轉速。鉆井參數的合理選擇，很大程度上決定了鉆頭的失效形式。收集班報表和指重表記錄，分析所用鉆井參數及其變化，根據鉆頭失效形式確定使用的合理性。5、泥漿性能 噴射鉆井要求泥漿具有：比重、粘度、塑性粘度、動切力。1）低失水、低含砂、適當的切力和PH值，能有效保護井壁、懸浮巖屑；2）低比重、低粘度，能降低循環系統壓力、功率損耗；3）在低返速下能

4、有效攜帶巖屑；4）有良好地剪切稀釋特性。地層的地質條件不同，選用泥漿的類型及相關性能不同，影響著鉆壓、轉速、水力參數的配合和鉆頭的失效形式。泥漿性能是鉆頭磨損的重要因素，如泥漿含砂對鉆頭流道沖蝕影響很大。6、水力參數鉆進不同井段，所使用的泥漿排量、缸套直徑，噴嘴直徑、型號及其組合，對選擇鉆頭壓力降和鉆頭水馬力具有實際意義。噴射鉆井在強化鉆頭水力效果的同時，造成了鉆頭流道的損壞。泥漿參數及變化記錄，是鉆頭失效分析的重要依據。如鉆頭流道沖蝕失效、牙輪基體沖蝕引起掉齒、斷齒等破壞與泥漿參數直接相關。7、鉆柱組合鉆柱是聯通地面與井下的樞紐。不同的鉆柱結構及在井下的受力狀態，決定了鉆頭所受鉆壓的大小和方

5、向。如定向鉆進或井斜較大時，鉆頭所受實際鉆壓比鉆壓表顯示的數據要小，若鉆柱組合中帶有扶正器，實際鉆壓更小。同時，由于扶正器與井壁的磨擦作用，使得鉆頭工作平穩性增強，有利于鉆頭的使用。8、鉆頭質量鉆頭質量是鉆頭使用的根本。入井前檢查鉆頭質量、新度，以及噴嘴安裝可靠性，對鉆頭的使用至關重要。檢查鉆頭入井前質量記錄，可區分鉆頭失效屬質量原因還是使用原因。9、上只鉆頭-建立井底造型每只鉆頭的失效，均影響到井底的環境和下只鉆頭的使用。收集上只鉆頭失效描述記錄，分析上只鉆頭的失效原因，可確定所用鉆頭在井下的使用環境，判斷井下落物、井徑、井底形狀等對鉆頭失效造成的影響。二、與鉆頭使用相關的知識(一)、地層巖

6、性地層由巖石組成，巖石主要由石英、長石、云母、方解石、粘士礦物等十幾種礦物組成，按照成因巖石分為三大類：火成巖、變質巖和沉積巖。1、地層巖性的種類和特點粘士和黃土：由直徑0.01mm以下的粘土礦物微粒組成的沉積巖。泥巖及頁巖：粘土類的沉積物經成巖作用而形成的巖石。成塊狀為泥巖，呈薄片層狀的為頁巖。含石油瀝清豐富，可提煉石油的頁巖為油頁巖。砂巖：砂粒經膠結在一起形成的巖石。直徑為0.51mm叫粗砂巖，直徑為0.250.5mm的叫中砂巖，直徑為0.10.25 mm的叫細砂巖，直徑為0.010.1mm的叫粉砂巖。按膠結物的不同，砂巖分為硅質、鈣質等。砂巖有孔隙，可儲存流體。孔隙大的砂巖與裂縫發育的灰

7、巖是滲透性好巖石。礫巖：巖石的顆粒大于1mm叫礫石。由礫石和膠結物形成的巖石叫礫巖。按礫石的大小不同，又分為粗礫巖、中礫巖和細礫巖三種。形狀不一且帶有棱角的叫角礫巖。石灰巖：主要成分為碳酸鈣，由化學沉積作用，在海洋或陸地湖泊內生成，呈塊狀，比較致密和堅硬。按成分不同，石灰巖又可分為石灰巖、泥灰巖、砂質灰巖、泥質灰巖、白云巖和介殼灰巖（生物骸殼沉積成巖）。含泥質的灰巖塑性較大，質純的灰巖脆硬。2、地層巖石可鉆性與分級巖石的可鉆性是決定鉆進效率的基本因素，它反映了鉆進時巖石破碎的難易程度，是合理選擇鉆進方法、鉆頭結構及鉆進規程參數的依據。對鉆頭鉆遇地層巖石可鉆性進行分析，能了解鉆頭選型的合理性和對

8、地層的適應能力。一般以鉆頭的機械鉆速和進尺的乘積作為衡量的指標。影響巖石可鉆性的巖石基本屬性有：巖石的礦物成分和結構構造、密度、孔隙度、含水性及透水性；力學性質有硬度、強度、彈性、脆性、塑性和研磨性等。一般造巖礦物中石英多、膠結牢固、顆粒細小、結構致密、未經風化和蝕變時，巖石可鉆性差；而巖石的硬度和強度高、研磨性強，巖石可鉆性差。影響巖石可鉆性的工藝因素有：加在鉆頭上的壓力、轉速、泥漿類型和井底排屑情況等。影響巖石可鉆性的技術條件有：鉆探設備、鉆孔直徑和深度，鉆進方法，破巖工具的結構和質量等。巖石可鉆性分級的觀點有四種，其劃分方法也有四類。由于工藝技術水平的不斷提高，各級巖石可鉆性等級間的相對

9、和絕對關系也有變動。3、地層巖性資料的收集鉆井過程中收集地層巖性資料的工作叫錄井工作。因此，地層巖性資料的收集應注重地質錄井原始資料的收集砂樣錄井：又稱巖屑錄井。新探區一般每米取砂樣一次，生產井一般在地層分界處或標準層，油、氣層處取樣。通過砂樣錄井資料可判斷鉆遇地層巖性。鉆時錄井：記錄每鉆一米所需的時間，按井的深度繪成曲線，與其它資料綜合使用，作為判斷地層的參考。地層的軟硬直接影響鉆進的速度，通過記錄鉆時的快慢也可了解地層變化情況，鉆頭在井下的工作情況。泥漿錄井：鉆進中泥漿性能的變化常與所遇地層的性質有關。如鉆遇石膏層，泥漿粘度會增大、失水量增加，含鈣量增大，硫酸根增加；鉆遇油、氣層，泥漿槽和

10、池上會出現大量油花、氣泡，粘度增加，比重下降。通過泥漿錄井資料判斷鉆遇地層巖性。4、地層巖性與鉆頭使用鉆頭選型和鉆頭使用的依據是巖石的機械物理性能和地層條件。與鉆頭使用密切相關的巖石性質是：硬度、塑性和研磨性。巖石的硬度是指巖石抵抗鉆頭切削件壓入的能力。巖石的硬度與巖石顆粒的成分、大小及顆粒間的膠結物性質有關。比較級別為：1級滑石；2級石膏；3級方解石；4級螢石；5級磷灰石；6級正長石；7級石英；8級黃玉；9級剛玉；10級金剛石。級數越高，硬度越大，鉆速越慢。巖石的塑性與脆性是兩個對立的概念，物體在破壞前呈塑性變形的性質叫塑性，物體在破壞前不發生塑性變形的性質叫脆性。塑性大的物體沒有脆性或脆性

11、很小，反之，脆性大的物體沒有塑性或塑性很小。對巖石而言，可分為三類，一類是在破壞前不發生塑性變形的脆性巖石，如花崗巖、石英砂巖；二類是在破壞前塑性變形很大的塑性巖石，如泥巖；三類是在破壞前呈現不大的塑性變形后即破碎的塑脆性巖石，如泥質膠結的砂巖。巖石的研磨性指在巖石與鉆頭接觸的表面上，巖石和巖屑對鉆頭的磨損作用。巖石磨損鉆頭的能力叫巖石的研磨性，與巖石本身的成分、顆粒大小和形狀等有關。巖石的研磨性越大，鉆頭磨損越嚴重，鉆頭總進尺就越少。按單位磨擦路程磨損把各種巖石按研磨性由小到大共分為12級。1級泥巖和碳酸鹽巖；2級石灰巖；3級白云巖；4級硅質巖石；5級含鐵-鎂巖石及含5%石英的低研磨性巖石；

12、6級長石巖；7級含石英多于15%的長石巖及含石英顆粒10%的較低研磨性巖；8級石英晶質巖石；9級石英碎屑巖，硬度PY350Kg/mm2；10級石英碎屑巖，硬度PY =100200Kg/mm2及含石英顆粒1020%的巖石；11級石英碎屑巖，硬度PY =200250Kg/mm2及含石英顆粒30%的巖石；12級石英碎屑巖，硬度PY 100Kg/mm2。鹽巖、泥巖和一些硫酸鹽、碳酸鹽巖等不含石英顆粒時是研磨性最小的巖石；石灰巖、白云巖等是低研磨性巖石；火成巖中含長石及石英少，粒度細，礦物間的硬度差小研磨性小5、地層巖性對鉆頭失效的影響地層巖性對鉆頭失效的影響表現在鉆井工藝上：影響鉆進速度、鉆頭進尺；使

13、鉆井過程出現井漏、井噴、井塌和卡鉆等復雜情況；使泥漿性能發生變化；影響井眼質量，如井斜、井徑不規則，進而影響固井質量。通過分析地層巖性及其對鉆井工藝的影響，可對鉆頭選型和使用的合理性進行判斷。粘土、泥巖和頁巖層影響：極易吸收泥漿中的自由水而膨脹，使井徑縮小，造成下鉆遇阻，甚至卡鉆，隨著浸泡時間的延長，又會產生掉塊剝落，使井徑擴大，造成井塌。應盡量使用清水或低比重低粘度的泥漿鉆進。炭質頁巖聯接力弱，容易垮塌。泥質巖層質軟，鉆速快，也容易泥包。砂巖：其性質依顆粒的大小、成分以及膠結物的不同有很大差別。顆粒越細、石英顆粒越多、硅質和鐵質膠結物越多則越硬，對鉆頭磨損越大，如石英砂巖；泥質膠結物越多，云

14、母和長石的成分越多則較軟易鉆；顆粒越粗，膠結物越少，滲透性越好，易產生泥漿的滲透性漏失，并在井壁上形成較厚的泥餅，引起粘附卡鉆等復雜情況，造成鉆頭的非正常使用。礫巖：在礫巖層中鉆進易產生跳鉆、蹩鉆和井壁垮塌；當泵排量小或泥漿粘度低時，礫石顆粒不易上返，對鉆頭牙輪體和牙齒損壞較大。石灰巖：一般質硬，鉆速慢、進尺少。有的有縫縫洞洞發育，鉆遇縫洞時，會引起蹩鉆、放空、泥漿漏失等，井漏后有時還會發生井噴。石灰巖地層對鉆頭進尺、機械鉆速和鉆頭失效影響很大。另外，當地層軟硬交錯，如泥巖與較硬的砂巖相間，易產生井斜；地層傾角較大時易產生井斜。鉆頭在斜井中鉆進易造成損壞。當巖層中含有可溶性鹽類，如石膏層、巖鹽

15、層等，會破壞泥漿的性能，影響到鉆頭的正常使用。(二)、鉆井工藝一般指鉆壓、轉速和泥漿排量三個鉆進過程中可控制的工藝參數。在實際應用中，鉆井工藝應根據地層條件、鉆頭類型、鉆井設備和操作人員技術水平制定。按其要求和條件的不同，鉆井工藝分有：1）優化鉆井工藝：在一定條件下，能達到最好經濟指標的鉆井工藝參數。2）強化鉆井工藝：為達到更高的鉆進速度，采用比一般鉆井參數高的鉆井參數。3）特殊鉆井工藝：為了特殊目的而采用特殊措施或受限制的鉆井參數。不同的鉆井參數要求選用不同規格、型號的鉆頭，鉆進中其鉆頭失效形式也各具特點，應區別對待。1、鉆壓對鉆進的影響鉆壓是井底破巖的必要條件。鉆壓的大小決定著破巖的方式和

16、特點，直接影響到鉆進速度和鉆頭的破壞形式。在鉆進中，鉆頭受軸向壓力和回轉力的作用，切削齒在壓入、剪切巖石的過程中被磨損、變鈍或損壞，必然影響鉆進速度。隨著鉆壓的增加，鉆速會不斷提高，而鉆頭的軸承和切削齒等部件也會加速磨損，影響到鉆速。鉆壓與鉆速的關系變化有三個不同階段。表面破碎階段：當鉆壓小于巖石壓入硬度時，切削齒不能切入巖石，只能在巖石表面以磨擦形式破碎巖石，對切削齒磨損較大，雖然鉆速也隨鉆壓的加大而正比增加，但鉆速很低；疲勞破碎階段：當鉆壓接近巖石壓入硬度時，切削齒雖未切入巖石，但在巖面產生許多裂紋，經切削齒的反復作用，也產生體積破碎；體積破碎階段：當鉆壓加到大于巖石壓入硬度以上時，切削齒

17、切入巖石產生體積破碎，鉆進效果才能明顯，才屬正常鉆進。因此，施加在牙輪鉆頭上的鉆壓必須滿足切削齒能壓入巖石，使巖石產生體積破碎。通過提高一倍鉆壓，試驗牙輪鉆頭鉆進不同級別的巖石，結果表明：不同的巖石，對增大鉆壓時所獲得的鉆速是不相同的。其中以中硬巖層（巖石級別67級）鉆速的增長率較高，而較軟（巖石級別45級）和較硬（巖石級別89級）的巖層則相對增長不大。鉆進粘結性軟巖時，易產生堵水糊鉆，鉆壓應選得小些。鉆進研磨性較大的巖層時，鉆壓不足易造成鉆頭早期磨損，鉆壓要適當加大。鉆遇裂隙巖層時，易產生跳鉆，鉆壓應適當降低，避免崩、斷切削齒。鉆壓是鉆進的重要參數，即要有利充分發揮切削齒切入巖層的能力，又要

18、最大限度地降低切削齒的磨損。2、轉速對鉆進的影響轉速表示直徑一定的鉆頭旋轉的快慢，是鉆進過程中用以衡量回轉速度的指標。鉆進時，不同硬度巖石的破巖狀態不同，鉆壓對其影響也不相同，因而鉆頭轉速對破巖過程和機械鉆速的影響，要考慮巖性與破巖時間因素。（1）軟地層鉆進中的轉速在軟而塑性大、研磨性小的巖層（如粘土類巖層）中鉆進時，切削齒切削下來的巖屑厚度等于切削齒切入巖石的深度，且鉆進中切削齒的磨損很小。因此，在軟地層中鉆進，當鉆壓一定時，轉速與機械鉆速成正比增長。（2）中硬及硬地層鉆進中的轉速中硬及硬地層壓入硬度較大、研磨性較高，切削齒在鉆進中不斷被磨鈍，齒與巖石接觸面積也不斷增大，使得巖石破碎時變形和

19、裂隙發育時間延長，難度增加，鉆速變慢，而需要更大的鉆壓。隨著地層硬度的提高，鉆頭破巖時間延長，增大鉆速，會使巖石破碎過程發育不能完全，切削齒還未充分破碎巖石，就與巖石分離開，引起破巖深度減小。因此，受破巖時間的限制，為避免切削齒較快磨損，在中硬及硬地層中鉆進時不能過分增大轉速。（3）不同巖石中鉆進的轉速不同的巖石，鉆速隨轉速增長均有一定的變化曲線和極限轉速。在粘土類巖石中鉆進，鉆速隨轉速成正比增長；在堅硬的、高研磨性巖石中鉆進，鉆速隨轉速增加而增長相對緩慢，由于破巖時間延長，極限轉速比其它類巖石要小，當轉速超過極限轉速，將導致鉆速下降。通過提高一倍轉速，試驗牙輪鉆頭鉆進不同級別的巖石，結果表明

20、：巖石級別為4級的大理石，鉆速增長率為93%，巖石級別為9級的斑狀花崗巖，鉆速增長率僅為28%，從4級到9級，鉆速增長率呈遞減曲線。因此，對較軟的研磨性地層，提高轉速有利，而對堅硬的高磨性地層，則意義不大。在實際工作中，提高轉速受到鉆桿柱強度、長度和鉆頭性能及鉆井設備能力的限制。現階段，隨著小井眼鉆井技術的發展，以及鉆桿柱在井內工作狀態的改善和采用先進的潤滑劑以減小回轉磨阻的研究，高轉速將得到充分應用。3、鉆井液對鉆進的影響鉆井液除有清洗、冷卻鉆頭，攜帶巖屑和輔助破巖的功用外，主要目的是保護井壁。鉆井液排量、壓力的大小，以及選用清水、泥漿還是乳化液等都對洗井效果產生很大的影響。隨著排量的增加，

21、井底清洗巖屑和冷卻鉆頭的能力增加，清潔的井底不僅能提高鉆進速度，而且可減少鉆頭的磨損。在比較松軟的地層中鉆進，一定噴速下的鉆井液可以起到噴射破巖的作用。即使在較硬的地層也能起到輔助破巖的作用。一般采用大排量是有益于鉆進的。因此，鉆井液參數存在優選的問題。研究結果表明：井徑越大，巖石可鉆性級別越低，鉆速越高，選用的排量應越大；鉆井液比重的增大，使作用在井底巖面上的壓力增大，會增加破巖的困難而降低鉆進速度；鉆井液粘度增大時，井底流動的粘滯阻力會增大，對鉆頭切削齒的冷卻不利，也會導致鉆速下降。一般使用清水比使用泥漿容易獲得較高鉆速。粘度是鉆井液最重要的性能之一，粘度太高會導致循環壓耗太高，而且隨鉆進

22、中巖屑分散進入影響，粘度還會不斷上升，最后流不動，需要沖放（即放掉一部分泥漿，加入膠液進行稀釋），粘度太高也不利于泥漿中氣體的脫出，易造成氣浸的假象，另外高粘度對提高鉆井速度也有非常不利的影響。而粘度太低會導致攜帶巖屑困難，導致接單根時易發生沉砂卡鉆，對于高密度泥漿來說，太低的粘切還會導致加重材料的沉降，從而帶來更多的問題。與粘度相配，切力也非常關鍵。一般增加粘度有坂土、降失水劑等，而降低粘度有降粘劑4、鉆頭的合理選用和使用情況（1）鉆頭選型充分了解所鉆地層巖石的機械物理性能和鉆頭的工作原理和結構特點以后，結合鄰井相同底層已用過的鉆頭資料，結合本井的具體情況來選型。軟地層應選擇兼有移軸，超頂，復錐，牙齒齒形大，齒數少的鋼齒或鑲齒鉆頭，以充分發揮鉆頭的剪切破巖作用。隨著巖石硬度增大，移軸，超頂，復錐值應相應減小，牙齒應相應減短或加密；研磨性地層，特別容易磨損牙輪的保徑齒，背錐及牙掌尖，使鉆頭直