三牙輪鑽頭使用技術及鑽井工藝
目前油用鑽頭市場已不再混亂而變得規範有序，市場競爭向產品差異性和品牌、售後服務的競爭方向發展。市場竟爭力兩大基石之一，鑽頭技術服務的作用將會越來越顯著。
一、鑽頭使用資料收集內容
1、地層岩性
地層的岩性和軟硬不同，岩石破碎機理不同，造成鑽頭失效的形式也各異。我國各油田鑽井中常見的地層岩性，其岩石物理機械性質均有測定。根據現場收集的地層岩性及每公尺岩性鑽時記錄，進行地層岩石的硬度、塑性、脆性、研磨性和可鑽性分析，對照鑽頭的失效形式，確認鑽頭選型及使用是否合理。
2、井段位置
在地殼中處於不同位置的岩石，其岩石的機械性質變化很大。埋藏較深的岩石，處於多向壓縮應力狀態，使岩石孔隙減小，強度增加。上部井段一般岩石膠結疏鬆、質軟，鑽頭轉速高、鑽壓低。
下部井段一般岩石質硬、研磨性大，鑽頭轉速低、鑽壓高、使用時間長。根據收集的井段位置及每公尺岩性鑽時記錄，分析地層岩石的硬度、塑性、脆性、研磨性和可鑽性特點，對照鑽頭的失效形式，確認鑽頭選型及使用是否合理。
3、井身結構
不同的井身結構，對鑽頭的尺寸、型號和使用等均有特殊要求。如造斜鑽頭一般要求帶修邊齒或保徑結構，使用要求高轉速、低鑽壓等。收集井身結構及鑽頭選型、使用引數等資料，根據鑽頭失效的形式，確認鑽頭選型及使用是否合理。
4、鑽井引數
鑽壓和轉速的確定，既決定著鑽頭破碎岩石的效率，又影響到鑽頭牙齒、軸承的磨損。淺井、軟地層，鑽頭以剪下作用為主，一般採用高轉速、低鑽壓。中硬地層，鑽頭產生剪下、衝擊、壓碎綜合作用，一般採用中等轉速和中、高鑽壓。
深井、硬地層，鑽頭以壓碎、衝擊為主，一般採用較高鑽壓、低轉速。鑽井引數的合理選擇，很大程度上決定了鑽頭的失效形式。收集班報表和指重表記錄，分析所用鑽井引數及其變化，根據鑽頭失效形式確定使用的合理性。
5、泥漿效能噴射鑽井要求泥漿具有：
1）低失水、低含砂、適當的切力和ph值，能有效保護井壁、懸浮岩屑；
2）低比重、低粘度，能降低迴圈系統壓力、功率損耗；
3）在低返速下能有效攜帶岩屑；
4）有良好地剪下稀釋特性。地層的地質條件不同，選用泥漿的型別及相關效能不同，影響著鑽壓、轉速、水力引數的配合和鑽頭的失效形式。泥漿效能是鑽頭磨損的重要因素，如泥漿含砂對鑽頭流道沖蝕影響很大。
6、泥漿引數
鑽進不同井段，所使用的泥漿排量、缸套直徑，噴嘴直徑、型號及其組合，對選擇鑽頭壓力降和鑽頭水馬力具有實際意義。噴射鑽井在強化鑽頭水力效果的同時，造成了鑽頭流道的損壞。泥漿引數及變化記錄，是鑽頭失效分析的重要依據。
如鑽頭流道沖蝕失效、牙輪基體沖蝕引起掉齒、斷齒等破壞與泥漿引數直接相關。
7、鑽柱組合
鑽柱是聯通地面與井下的樞紐。不同的鑽柱結構及在井下的受力狀態，決定了鑽頭所受鑽壓的大小和方向。如定向鑽進或井斜較大時，鑽頭所受實際鑽壓比鑽壓表顯示的資料要小，若鑽柱組合中帶有扶正器，實際鑽壓更小。
同時，由於扶正器與井壁的磨擦作用，使得鑽頭工作平穩性增強，有利於鑽頭的使用。
8、鑽頭質量
鑽頭質量是鑽頭使用的根本。入井前檢查鑽頭質量、新度，以及噴嘴安裝可靠性，對鑽頭的使用至關重要。檢查鑽頭入井前質量記錄，可區分鑽頭失效屬質量原因還是使用原因。
9、上只鑽頭
每只鑽頭的失效，均影響到井底的環境和下只鑽頭的使用。收集上只鑽頭失效描述記錄，分析上只鑽頭的失效原因，可確定所用鑽頭在井下的使用環境，判斷井下落物、井徑、井底形狀等對鑽頭失效造成的影響。
二、與鑽頭使用相關的知識
(一)、地層岩性
地層由岩石組成，岩石主要由石英、長石、雲母、方解石、粘士礦物等十幾種礦物組成，按照成因岩石分為三大類：火成岩、變質岩和沉積岩。
1、地層岩性的種類和特點
粘士和黃土：由直徑0.01mm以下的粘土礦物微粒組成的沉積岩。
泥岩及頁岩：粘土類的沉積物經成岩作用而形成的岩石。成塊狀為泥岩，呈薄片層狀的為頁岩。含石油瀝清豐富，可提煉石油的頁岩為油頁岩。
砂岩：砂粒經膠結在一起形成的岩石。直徑為0.
5~1mm叫粗砂岩，直徑為0.25~0.5mm的叫中砂岩，直徑為0.
1~0.25 mm的叫細砂岩，直徑為0.01~0.
1mm的叫粉砂岩。按膠結物的不同，砂岩分為矽質、鈣質等。砂岩有孔隙，可儲存流體。
孔隙大的砂岩與裂縫發育的灰岩是滲透性好岩石。
礫岩：岩石的顆粒大於1mm叫礫石。由礫石和膠結物形成的岩石叫礫岩。按礫石的大小不同，又分為粗礫岩、中礫岩和細礫岩三種。形狀不一且帶有稜角的叫角礫岩。
石灰岩：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，比較緻密和堅硬。按成分不同，石灰岩又可分為石灰岩、泥灰巖、砂質灰岩、泥質灰岩、白雲岩和介殼灰岩（生物骸殼沉積成岩）。
含泥質的灰岩塑性較大，質純的灰岩脆硬。
2、地層岩石可鑽性與分級
岩石的可鑽性是決定鑽進效率的基本因素，它反映了鑽進時岩石破碎的難易程度，是合理選擇鑽進方法、鑽頭結構及鑽進規程引數的依據。對鑽頭鑽遇地層岩石可鑽性進行分析，能了解鑽頭選型的合理性和對地層的適應能力。一般以鑽頭的機械鑽速和進尺的乘積作為衡量的指標。
影響岩石可鑽性的岩石基本屬性有：岩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。一般造岩礦物中石英多、膠結牢固、顆粒細小、結構緻密、未經風化和蝕變時，岩石可鑽性差；而岩石的硬度和強度高、研磨性強，岩石可鑽性差。
影響岩石可鑽性的工藝因素有：加在鑽頭上的壓力、轉速、泥漿型別和井底排屑情況等。
影響岩石可鑽性的技術條件有：鑽探裝置、鑽孔直徑和深度，鑽進方法，破岩工具的結構和質量等。岩石可鑽性分級的觀點有四種，其劃分方法也有四類。
由於工藝技術水平的不斷提高，各級岩石可鑽性等級間的相對和絕對關係也有變動。
3、地層岩性資料的收集
鑽井過程中收集地層岩性資料的工作叫錄井工作。因此，地層岩性資料的收集應注重地質錄井原始資料的收集
砂樣錄井：又稱岩屑錄井。新探區一般每公尺取砂樣一次，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鑽遇地層岩性。
鑽時錄井：記錄每鑽一公尺所需的時間，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鑽進的速度，通過記錄鑽時的快慢也可了解地層變化情況，鑽頭在井下的工作情況。
泥漿錄井：鑽進中泥漿效能的變化常與所遇地層的性質有關。如鑽遇石膏層，泥漿粘度會增大、失水量增加，含鈣量增大，硫酸根增加；鑽遇油、氣層，泥漿槽和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鑽遇地層岩性。
4、地層岩性與鑽頭使用
鑽頭選型和鑽頭使用的依據是岩石的機械物理效能和地層條件。與鑽頭使用密切相關的岩石性質是：硬度、塑性和研磨性。
岩石的硬度是指岩石抵抗鑽頭切削件壓入的能力。岩石的硬度與岩石顆粒的成分、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，鑽速越慢。
岩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很小，反之，脆性大的物體沒有塑性或塑性很小。對岩石而言，可分為三類，一類是在破壞前不發生塑性變形的脆性岩石，如花崗岩、石英砂巖；二類是在破壞前塑性變形很大的塑性岩石，如泥岩；三類是在破壞前呈現不大的塑性變形後即破碎的塑脆性岩石，如泥質膠結的砂岩。
岩石的研磨性指在岩石與鑽頭接觸的表面上，岩石和岩屑對鑽頭的磨損作用。岩石磨損鑽頭的能力叫岩石的研磨性，與岩石本身的成分、顆粒大小和形狀等有關。岩石的研磨性越大，鑽頭磨損越嚴重，鑽頭總進尺就越少。
按單位磨擦路程磨損把各種岩石按研磨性由小到大共分為12級。1級—泥岩和碳酸鹽岩；2級—石灰岩；3級—白雲岩；4級—矽質岩石；5級—含鐵-鎂岩石及含5%石英的低研磨性岩石；6級—長石巖；7級—含石英多於15%的長石岩及含石英顆粒10%的較低研磨性巖；8級—石英晶質岩石；9級—石英碎屑岩，硬度py≥350kg/mm2；10級—石英碎屑岩，硬度py =100~200kg/mm2及含石英顆粒10~20%的岩石；11級—石英碎屑岩，硬度py =200~250kg/mm2及含石英顆粒30%的岩石；12級—石英碎屑岩，硬度py 〈100kg/mm2。鹽岩、泥岩和一些硫酸鹽、碳酸鹽岩等不含石英顆粒時是研磨性最小的岩石；石灰岩、白雲岩等是低研磨性岩石；火成岩中含長石及石英少，粒度細，礦物間的硬度差小研磨性小
5、地層岩性對鑽頭失效的影響
地層岩性對鑽頭失效的影響表現在鑽井工藝上：影響鑽進速度、鑽頭進尺；使鑽井過程出現井漏、井噴、井塌和卡鑽等複雜情況；使泥漿效能發生變化；影響井眼質量，如井斜、井徑不規則，進而影響固井質量。通過分析地層岩性及其對鑽井工藝的影響，可對鑽頭選型和使用的合理性進行判斷。
粘土、泥岩和頁岩層影響：極易吸收泥漿中的自由水而膨脹，使井徑縮小，造成下鑽遇阻，甚至卡鑽，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鑽進。
炭質頁岩聯接力弱，容易垮塌。泥質岩層質軟，鑽速快，也容易泥包。
砂岩：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、矽質和鐵質膠結物越多則越硬，對鑽頭磨損越大，如石英砂巖；泥質膠結物越多，雲母和長石的成分越多則較軟易鑽；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，並在井壁上形成較厚的泥餅，引起粘附卡鑽等複雜情況，造成鑽頭的非正常使用。
礫岩：在礫岩層中鑽進易產生跳鑽、蹩鑽和井壁垮塌；當幫浦排量小或泥漿粘度低時，礫石顆粒不易上返，對鑽頭牙輪體和牙齒損壞較大。
石灰岩：一般質硬，鑽速慢、進尺少。有的有縫縫洞洞發育，鑽遇縫洞時，會引起蹩鑽、放空、泥漿漏失等，井漏後有時還會發生井噴。
石灰岩地層對鑽頭進尺、機械鑽速和鑽頭失效影響很大。另外，當地層軟硬交錯，如泥岩與較硬的砂岩相間，易產生井斜；地層傾角較大時易產生井斜。鑽頭在斜井中鑽進易造成損壞。
當岩層中含有可溶性鹽類，如石膏層、岩鹽層等，會破壞泥漿的效能，影響到鑽頭的正常使用。
（二）、鑽井工藝
一般指鑽壓、轉速和泥漿排量三個鑽進過程中可控制的工藝引數。在實際應用中，鑽井工藝應根據地層條件、鑽頭型別、鑽井裝置和操作人員技術水平制定。按其要求和條件的不同，鑽井工藝分有：
1）優化鑽井工藝：在一定條件下，能達到最好經濟指標的鑽井工藝引數。
2）強化鑽井工藝：為達到更高的鑽進速度，採用比一般鑽井引數高的鑽井引數。
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