诸广南地区S75 绳索取心金刚石钻头选型研究

王康，童俊涛，吕文军，曾令，莫崇柳

（核工业二九〇研究所，广东 韶关 512029）

铀矿钻探施工过程中，钻头的合理选型对完成国家战略性铀矿勘查任务、提高钻探效率具有十分重要的意义［1］。前人对钻头优选方法进行了大量研究，提出了多种优选方法［2-6］。地质岩心钻探中，常用岩石可钻性作为反映地层性质的重要参数，并据此进行钻头优选。优选出的钻头钻进匹配地层时能极大提高钻进速度，但同一钻孔钻遇岩层存在较大差异，导致优选钻头的地层适应性较差。在石油钻井领域，由于设备性能、工艺方法等的不同，采用的钻头选型方法也相应有所不同。通用的选型方法包括根据岩石力学参数确定的地层综合系数法、建立声波时差与岩石可钻性关系的模型法；在钻头使用资料较多的工区，根据钻头使用效果进行钻头优选，如灰色关联分析法、灰色聚类法、经济效益指数法、比能法、每米成本法和神经网络法。诸广南地区地质岩心钻探主要使用S75 绳索取心孕镶金刚石钻头，由于钻头生产厂家多、型号杂，使用效果参差不齐。因此，有必要开展钻头优选方法的分析，本文结合诸广南地区多年钻头使用资料，选取多种前人提出的优选方法，探索适用于诸广南地区的钻头优选方法。

1 项目概况

1.1 研究区地质概况

诸广岩体位于南岭EW 向构造岩浆带中段，处于闽赣后加里东隆起西南边缘，与北、西、南的萍乐、粤北海西-印支坳陷相接壤。区内岩浆活动频繁，根据岩体的侵入关系、岩相、岩性对比等资料，将区内侵入岩划分为6 个侵入阶段，8 次侵入活动［7-9］（图1）。钻遇的岩石主要为细～中粗粒二云母花岗岩、碎裂花岗岩和硅化花岗岩［10］。岩石为块状构造，斑状、似斑状花岗结构。主要由长石、石英、黑云母和白云母组成，其中长石占65% 左右，石英占25%左右。岩石的力学测试结果表明完整岩石硬度大，研磨性中等，可钻性介于8～9 级之间，部分孔段岩石裂隙发育，研磨性较强，可钻性介于6～7 级之间（表1）。

表1 岩石压入硬度测试结果Table 1 Test results of rock indentation hardness

图1 诸广南地质简图（据参考文献［7］修改）Fig.1 Geological sketch of South Zhuguang Area（Modified after Reference［7］）

1.2 项目概况

根据诸广南地区地层条件及现有设备，使用XY—44A 立轴式钻机，配HCX—13 斜直两用四脚塔，BW—250 泥浆泵，SJ—1 取心绞车。钻进工艺主要为绳索取心钻进，冲洗液为无固相冲洗液。

钻孔倾角为75°，钻孔深度一般小于1 000 m。三开孔身结构，一开为Φ110 mm 硬质合金钻头开孔，钻穿第四系地层后下入Φ108 mm 套管，保护孔口；二开为S95 绳索取心钻进至基岩层，下入Φ89 mm 套管；三开为S75 绳索取心钻进至终孔。S75 绳索取心钻具组合为：Φ75 mm 孕镶金刚石钻头+Φ75.5 mm 扩孔器+Φ73 mm 岩心管+Φ71 mm钻杆+变径接手+主动钻杆+水接头。

钻进时，底唇面比压介于0.8～1.1 kN·cm-2之间；由于孕镶金刚石钻头出刃量较小，靠高转速获取碎岩效率，根据XY—44A 钻机性能，转速设置介于463～660 r·min-1之间；根据俄罗斯专家提出的孕镶金刚石钻探孔底岩屑利于自锐的岩屑方程［11］及现有BW—250 泥浆泵的性能，泵量设置为52 L·min-1。

2 钻头优选

2.1 岩石可钻性法

岩石可钻性是在一定钻进条件下岩石抵抗钻头破碎它的能力，是地质岩心钻探常用的钻头选型依据。根据诸广南地区岩石类型及其压入硬度测试结果（表1），确定其可钻性等级，完整花岗岩的可钻性介于8～9 级之间，若发育裂隙则可钻性介于6～7 级之间。据此，结合绳索取心钻进工艺，对S75 钻头进行初步筛选：金刚石浓度介于80%～100%之间，目数为40/60；胎体洛氏硬度（HRC）介于20～35 之间，硬度整体较软，利于出刃；钻头底唇为同心环齿，提高钻进速度；水口介于8～10 个之间。

在钻进前，根据地质设计预测的地层岩性，确定岩石可钻性，提前规划好钻头选型方案。在裂隙发育、破碎地层使用胎体硬度较高，水口数量较多的钻头，提高耐磨性及排渣能力；在地层较为完整的孔段使用胎体硬度较低，水口数量较少的钻头，保证金刚石正常出刃。

使用岩石可钻性法，在诸广南地区取得了一定成效，但优选出的钻头性能波动范围较大，机械钻速介于0.5～2.5 m·h-1之间，钻头寿命介于20～150 m 之间，还需要进一步对比其他优选方法。波动大可能的原因有以下3 点：1）地质设计预测的地层与实际地层存在出入，钻头方案与实际钻遇地层不匹配；2）机班长在现场无法精准地确定岩石可钻性，根据前次钻头的表现来确定下一个钻头的选择，存在误差；3）极少部分机班长操作失误，导致钻头异常消耗。

2.2 根据钻头使用效果优选

2.2.1数据收集

收集2018—2020 年诸广南地区6 台XY—44A 岩心钻机的S75 绳索取心金刚石钻头使用情况数据，综合考虑3 个子工区的钻头，以钻速1.5 m·h-1，钻头寿命50 m 为界限，进行筛选。筛选后的钻头金刚石浓度为100%，粒度为40/60 目，底唇为同心环齿。根据胎体硬度和水口数量可以分为4 种类型，分别编号A、B、C、D，并统计其成本、平均钻速和进尺（图2、表2、3）。

图2 钻头照片Fig.2 Photos of drill bits

表2 初步筛选后的钻头类型Table 2 Result of bit type after preliminary screening

表3 不同型号钻头的钻头寿命及机械钻速Table 3 Life and mechanical drilling speed of different types of drill bits

2.2.2时间因素分析法

钻探总时间［12-14］由纯钻进时间t1、提下钻时间t2、打捞岩心时间t3和加单根时间t4组成（式1）。在正常钻进的条件下，钻头寿命控制了提下钻间隔，影响了提下钻时间，机械钻速影响的是纯钻时间。

式中：D—钻孔深度（取每个工区的平均钻孔深度，黄竹坪工区平均孔深为693 m，9 号带南平均孔深为731 m，长排东南平均孔深为709 m），m；v1—机械钻速，m·h-1；v2—提下钻速度（提钻和下钻速度取平均值200 m·h-1），m·h-1；h—提下钻间隔（在正常钻进下，即为钻头寿命），m；s—打捞岩心间隔（取3 m），m；v3—打捞岩心速度（取3 600 m·h-1），m·h-1；l—加单根间隔深度（取3 m），m；t—每次加单根所需时间（取2 h），h。

通过理论分析钻进不同孔深耗时［12］，绳索取心钻进在浅孔耗时略大于提钻钻进，即提钻间隔对其耗时影响较小。在浅孔中使用机械钻速较大的钻头以提高纯钻时间，在中深孔中使用寿命较高的钻头以减少提下钻次数。根据时间因素优选钻头结果如表4 所示。

表4 根据时间因素分析法的钻头优选结果Table 4 Drill bit selection results based on time factor analysis

2.2.3经济效益指数法

钻头经济效益指数Ib最早应用于渤海油田［14-16］。综合了钻头寿命、机械钻速和钻头成本3 个因素来进行钻头性能评价（式2），经济效益指数越大，说明该钻头效果越好（表5）。

表5 根据经济效益指数法的钻头优选结果Table 5 Drill bit selection result based on economic benefit index method

式中：F—钻头总进尺，m；vROP—机械钻速，m·h-1；Cb—钻头成本，元；a—系数，一般取0.6。

2.2.4灰色聚类法

灰色聚类法是以灰色统计为基础，建立在灰色关联矩阵或者灰数的白化函数生成基础上的方法［17-21］。对于钻头选型而言，给出每个钻头性能指标优、良、差的标准函数后，求其聚类标准的聚类系数，比较聚类系数大小，即可得出结果。其公式如下：

式中：σjk—第i个聚类对象对于第k个灰类的聚类系数；fkj(xij)—第j个聚类指标对于第k个灰类的标准聚类函数；ηjk—第j个聚类指标对应的第k个灰类的聚类权。

式中：λjk—第j个聚类指标对应的第k个灰类白化函数的临界值。

式中：λjk—第j个聚类指标对应的第k个灰类白化函数的阀值。

通过选取钻头寿命、机械转速、纯钻时间和成本4 个指标（表2），使用灰色聚类法，确定灰类白化函数，算出不同工况下钻头的聚类系数，对于“优”“良”“差”的3 个档 次 的 聚 类 系 数越大，说明该钻头在某个档次是最优选择（表6）。例如黄竹坪浅孔，D 钻头的聚类系数在“优”档中最大，为0.981 1，根据灰色聚类法，可以认为D 钻头的效果最好，依次类推，可以得出C 钻头使用效果良好，A 钻头使用效果最差。

表6 根据灰色聚类法的钻头优选结果Table 6 Drill bit selection results based on grey clustering method

2.3 讨论

通过对诸广南地层岩性的分析，根据岩石可钻性确定了钻头选型的基本范围。使用初步筛选后的钻头，取得了一定效果，但由于地层与人员的原因，钻头机械钻速和钻头寿命波动范围较大，对不同岩层的适应性较差。对比后3 种优选方法，通过钻头使用结果来评价其在某一地区的整体效果，具有一定的地层适应性。优选结果由于其侧重点不同，出现个别差异（表7）。可以看出黄竹坪浅孔和9 号带南中深孔经过优选后，存在B 和D 钻头的选择差异；长排东南时间因素分析和经济效益指数优选出的是A 钻头，而灰色聚类法优选出的是C 钻头，长排东南中深孔A 钻头的钻速和寿命均高于C 钻头，灰色聚类法出现明显优选失败。

表7 根据钻头使用效果的优选结果对比Table 7 Comparison of the optimal results according to the use effect of the drill bits

3 现场实验及分析

通过以上理论分析，不同方法的优选结果存在一定差异性，为了验证不同方法优选出的差异结果，在黄竹坪同一地层、同一个机台施工的两个钻孔进行了现场实验（表8）。

由表8 可见，ZK14-4 使用岩石可钻性法优选钻头，孔深为820 m，选取71～491 m 孔段的钻头；ZK14-6 使用后3 种优选方法选择钻头，孔深490 m，选取24～490 m 孔段的钻头。ZK14-6 较ZK14-4 钻头平均寿命高29.44%，平均机械钻速高9.64%，平均每米成本低24.10%，验证了根据钻头使用效果进行钻头优选效果更好。单看ZK14-6，在浅孔中B 钻头较D 钻头平均寿命高20%，平均机械钻速高2.38%，平均每米成本低30.56%，B 钻头更适于黄竹坪浅孔，与经济效益指数法和时间因素分析法结果吻合，而灰色聚类法优选失败。

表8 现场实验钻头数据表Table 8 Field test data of drill bits

综上所述，灰色聚类法计算过程复杂，存在优选结果失败的风险；时间因素法未考虑到钻头成本这一指标，存在一定的片面性，但其方法简单，适用于钻探现场临时使用；经济效益指数法既考虑了钻头寿命和钻速，也考虑了钻头成本，最大化效率的同时也兼顾了经济效益，从整个项目施工角度来看，是最优的钻头优选方法。

4 结 论

1）根据岩石可钻性进行钻头选型是最基础，也是最重要的方法，在诸广南地区使用该方法，确定了钻头选择的大致范围，但其优选钻头使用效果波动范围较大。

2）通过几种常用钻头优选方法对比，并结合现场实验结果，得出时间因素法适用于钻探现场临时使用，经济效益指数法为最优的钻头选型方法，适用于项目整体钻头选型规划。