益矿浅析在钻井工艺中钻头为什么会失效

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。

3、钻井液对钻进的影响

钻井液除有清洗、冷却钻头，携带岩屑和辅助破岩的功用外，主要目的是保护井壁。钻井液排量、压力的大小，以及选用清水、泥浆还是乳化液等都对洗井效果产生很大的影响。随着排量的增加，井底清洗岩屑和冷却钻头的能力增加，清洁的井底不仅能提高钻进速度，而且可减少钻头的磨损。在比较松软的地层中钻进，一定喷速下的钻井液可以起到喷射破岩的作用。即使在较硬的地层也能起到辅助破岩的作用。一般采用大排量是有益于钻进的。因此，钻井液参数存在优选的问题。研究结果表明：

井径越大，岩石可钻性级别越低，钻速越高，选用的排量应越大；

钻井液比重的增大，使作用在井底岩面上的压力增大，会增加破岩的困难而降低钻进速度；

钻井液粘度增大时，井底流动的粘滞阻力会增大，对钻头切削齿的冷却不利，也会导致钻速下降。一般使用清水比使用泥浆容易获得较高钻速。

粘度是钻井液最重要的性能之一，粘度太高会导致循环压耗太高，而且随钻进中岩屑分散进入影响，粘度还会不断上升，最后流不动，需要冲放（即放掉一部分泥浆，加入胶液进行稀释），粘度太高也不利于泥浆中气体的脱出，易造成气浸的假象，另外高粘度对提高钻井速度也有非常不利的影响。而粘度太低会导致携带岩屑困难，导致接单根时易发生沉砂卡钻，对于高密度泥浆来说，太低的粘切还会导致加重材料的沉降，从而带来更多的问题。与粘度相配，切力也非常关键。

一般增加粘度有坂土、降失水剂等，而降低粘度有降粘剂