摘要
沧州盐矿普查项目完成了3眼勘探孔，钻探深度3000~3451 m，取心总长度3791 m，取心层段主要为古近系塑脆性岩石。根据钻进特性，针对工区弹塑性层段和脆性层段提出了钻头选型原则。结合施工实践，经过多次试验、改进，在累计使用的硬质合金、复合片、巴拉斯3类15种钻头中，通过典型钻头结构型式、碎岩机理以及使用效果进行综合分析，优选出H-4-Ⅱ、F-3、F-6型3种钻头，在古近系地层取心钻进中效率高、取心质量好，适合工区地质条件，建议推广应用。
沧州盐矿普查项目钻探工程完成了3眼勘探孔，钻探深度3000~3451 m，取心段为1650~3451 m，均为古近系层段。三眼钻孔取心总长度3791 m，钻探孔径215.9 mm，岩心直径90~101 mm。钻探工程作为项目实施的重点工作，因耗时长、成本高、难度大等直接影响着项目的进展。以CY1钻孔1650~3000 m取心钻进施工为例，纯钻耗时占到53
取心层段钻遇主要为塑脆性岩石，根据孔内钻进效果，结合地层岩石力学特性，将工区内塑脆性岩石划分为弹塑性层段和脆性层段。
弹塑性层段以古近系东营组（Ed）、沙一段（E
该层段岩石硬度低，根据典型样品测试结果，抗压入硬度多数为140~400 MPa，岩石密度2.2~2.7 g/c
| 层 位 | 单轴抗压强度/MPa | 地层岩性 | 备注 | |
|---|---|---|---|---|
|
古 近 系 | 东营组Ed | 11.8~12.5 | 泥岩为主 | 取样2件 |
|
沙一段E | 16.6~38.0 |
泥岩、泥灰岩 为主 | 取样11件 | |
|
沙二段E | ||||
|
沙三段E | ||||
|
沙四段E | 14.3~74.1 | 泥岩、石膏盐岩 | 取样15件 | |
| 孔店组Ek | 25.9 | 含砂质泥岩 | 取样1件 | |
图1 工区岩石矿物成分含量分析
Fig.1 Analysis chart of rock mineral composition in the work area
地层具有一定胶结性，但固结稍差，部分岩心内钻取试验小样不能成型（见
图2 岩心试验小样
Fig.2 Sample of core test
脆性层段以古近系沙三段（E
该层段岩石抗压入硬度多数达400~720 MPa，岩石密度2.2~2.9 g/c
地层表现出明显的脆性特征，岩石硬度普遍较高，局部层段软硬不均，互层状发育。地层胶结强度高，取心质量容易保证，钻头的选型重点考虑高效耐磨以实现提速。
钻头是提高机械钻速的重要因素。只有适宜的钻头型式，方能达到安全、高效、低耗的钻进指标。工区内无可借鉴的古近系连续取心案例，钻头选型难度大。综合分析地层特性、技术要求等多方因素，提出钻头选型原则：
（1）根据工区地层钻进特性选型。在较浅部的以弹塑性为特征的岩层，岩石硬度偏低，重点尝试使用硬质合金切削齿钻头，以剪切碎岩方式提高钻效。深部以脆性为特征的岩层，宜使用耐磨性较好的复合片切削齿钻头，以压切碎岩提高钻效。
（2）根据钻探工艺进行选型。岩心口径（90~101 mm）与钻孔口径（216 mm）级差大，全面破碎面积占83%，居主导地位，需要充分借鉴小口径钻探钻头和大口径全面破碎钻头的结构型式，分析各类钻头碎岩方式的基础上进行选型。
（3）根据经验选型。结合岩石力学特性、其它工区类似工
（4）根据实钻效果选型。在勘探孔施工过程中，根据每个回次机械钻速、取心质量、钻头磨损等因素选型，即对每个回次的钻进参数、钻头型号进行记录，把取心质量好、机械钻速高的钻头优选出来。
按照上述原则完成了首眼钻孔钻头的选型及研究工作，后期又逐步改进，高效地完成了其余两眼钻孔的取心任务。
钻探过程中，在钻头的选型、改型上不断进行试验，三眼钻孔完成的263个回次取心中，累计使用了硬质合金、复合片、巴拉斯3类15种钻头，其中硬质合金类钻头7种，复合片类钻头7种，巴拉斯类钻头1种，各种钻头结构特征及试验数据见
| 钻头种类 | 钻头形式 | 使用型号 | 通用型号 | 结构特征 | 施工钻孔 | 回次/个 | 累计进尺/m | 平均钻速/(m· |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 硬质合金钻头 | 刮刀式 | H-1-Ⅰ | 对称6翼片、三阶梯式；镶焊薄片硬质合金片；平底式 | CY1 | 16 | 227.83 | 0.79 | |
| 刮刀式 | H-1-Ⅱ | 对称6翼片、三阶梯式；镶焊薄片硬质合金片；底部锯齿式 | CY1 | 8 | 97.80 | 0.75 | ||
| 刮刀式 | H-2 | 对称6翼片、二阶梯式；镶焊薄片硬质合金片；底部刃尖式 | CY1 | 3 | 14.66 | 0.45 | ||
| 肋骨式 | H-3-Ⅰ | 对称6翼、纵横三阶梯式；外设肋骨，镶焊八角柱合金；底部刃尖式 | CY1 | 2 | 26.82 | 0.48 | ||
| 肋骨式 | H-3-Ⅱ | 对称4翼、三阶梯式；外焊肋骨，镶焊八角柱合金；底部刃尖式 | CY1 | 1 | 13.28 | 0.68 | ||
| 翼片式 | H-4-Ⅰ | HSC44-1 | 对称4翼、四阶梯式；镶焊薄片合金；平底式 | CY1 | 3 | 51.08 | 0.80 | |
| 翼片式 | H-4-Ⅱ | HSC44-2 | 对称4翼片、四阶梯式；镶焊薄片合金；平底式 | CY1 | 31 | 349.23 | 1.29 | |
| ZK001 | 22 | 216.76 | 1.16 | |||||
| ZK002 | 37 | 567.42 | 1.14 | |||||
| 复合片钻头 | 常规 | F-1 | M123 | 分布6排间隔齿；镶焊柱状复合片；尖平底式 | CY1 | 2 | 10.13 | 0.47 |
| ZK002 | 2 | 16.88 | 0.30 | |||||
| 刮刀式 | F-2 | 对称6翼片、三阶梯式；镶焊柱状复合片；平底式 | CY1 | 1 | 7.68 | 0.47 | ||
| 大齿 | F-3 | M124 | 分布6排对称齿；镶焊柱状复合片；尖平底式 | CY1 | 24 | 353.95 | 0.63 | |
| ZK001 | 26 | 380.31 | 1.65 | |||||
| ZK002 | 32 | 289.89 | 0.91 | |||||
| 大齿 | F-4 | M133 | 分布6排对称齿；镶焊柱状复合片；尖底式 | CY1 | 5 | 87.34 | 0.60 | |
| ZK001 | 2 | 21.99 | 0.74 | |||||
| ZK002 | 4 | 59.88 | 0.42 | |||||
| 尖齿 | F-5 | JPC1336M | 分布6排对称柱齿，圆弧冠部；镶焊尖齿复合片；尖平底式 | ZK001 | 3 | 29.43 | 0.36 | |
| 小齿 | F-6 | M433 | 镶焊6排对称齿,镶焊柱状复合片，全出刃；尖平底式 | ZK001 | 22 | 373.67 | 4.13 | |
| ZK002 | 13 | 168.68 | 0.71 | |||||
| 翼片式 | F-7 | 对称4翼片、四阶梯式；镶焊柱状复合片；平底式 | ZK001 | 1 | 17.45 | 1.13 | ||
| 巴拉斯钻头 | B-1 | 对称10翼；镶焊三角聚晶复合片，半出刃；平底式 | ZK001 | 1 | 13.69 | 0.34 | ||
| ZK002 | 2 | 16.97 | 0.55 |
注： （1）所用钻头外径均为215.9 mm，内径为102 mm；（2）H代表切削齿为硬质合金类型，F代表切削齿为复合片类型，B代表切削齿为巴拉斯类金刚石
在首眼钻孔（CY1孔）弹塑性层段钻进中，开始选择了市场广泛应用的硬质合金刮刀类、PDC类钻头，均出现钻速低、取心质量差的问题。通过5次改进、多回次试验，针对既有一定硬度又具弹塑性的浅部古近系层段研发而成H-4-Ⅱ型硬质合金钻头（专利号ZL201720689738.2）。钻头胎体为圆筒状，材质为35CrMo，上部连接取心筒外筒，底部外形为锥面，内部成台阶状，钻头结构及实物见
图3 H-4-Ⅱ型钻头结构示意
Fig.3 Structure of H-4-Ⅱ bit
图4 H-4-Ⅱ型钻头
Fig.4 H-4-Ⅱ drill bit
（1）弧形翼片。4个翼片加工呈弧形，呈台阶面。钻头破碎面呈不同高度的台阶，增加了破碎自由面，提高了破碎效率；将翼片设计为弧形，翼片前方剪切破碎的岩屑易于排除，弧形翼片减少冲洗液上返流动阻力，避免重复破碎；阶梯式环状孔底结构（见
图5 阶梯式环状孔底示意
Fig.5 Stepped annular shaped hole‑bottom
（2）薄片式硬质合金切削刃。主切削刃采用薄片式硬质合金，累计16块，刃角75°；辅助切削刃采用方柱和长柱状硬质合金，累计20块；镶嵌方式均为直镶。将硬质合金片嵌焊于钻头翼片的迎层面上，有利于切削破碎，选用薄片式硬质合金为主切削刃，有利于增加对塑性岩石的切入深度。
（3）底喷式水眼。在钻头内台肩上均匀加工16个Ø10 mm底喷式水眼，可及时清除岩屑，减少重复破碎，降低泵压，同时也可以起到保护岩心减少冲刷的作用。
根据钻头结构特点，进行钻头碎岩效率分析。合金块切入弹塑性岩石时受力情况见
图6 硬质合金切削齿碎岩受力示意
Fig.6 Load on the carbide cutting teeth when cutting rocks
| （1） |
| （2） |
式中：Py——切削齿上的轴向力，常规钻压40 kN，单块合金承受轴向力2.5 kN；b——切削具的刃宽，取15 mm；β——切削具的刃角，取75°；Hy——岩石的压入硬度，取值140~400 MPa；η——考虑到摩擦力的系数，取值0.88~0.97，工区取0.90；v——机械钻速，m/h；m——钻头翼片数，取4；n——钻头转数，取心钻进取50 r/min；t——钻进时间，取60 min。
结合现场钻进参数计算，对于弹塑性岩层段，硬质合金在未磨损时切入深度h0可达到0.28~0.10 mm，此时机械钻速可达到1.20~3.36 m/h。可见，选用硬质合金切削刃在弹塑性层钻进可行，钻头碎岩效率较高。
古近系深部，岩石硬度增加，选择钻头必须考虑碎岩效率和耐磨性。在深部硬层试验时，新硬质合金钻头开始钻速很高，但切削刃很快磨损（或崩齿）而使钻速骤降，甚至不能完成一个完整回次钻进。而复合片钻头切削齿由于具有金刚石耐磨层，刃口锋利，可持续切削岩层，实现高效碎
市场上PDC钻头类型比较多，根据地层特征，试验应用了7种，其中自制2种（F-2、F-7型），成品5种（F-1、F-3、F-4、F-5、F-6型），各类钻头的钻速差异较大，最终优选出F-3、F-6型钻头。
F-3型钻头通用型号为M124。钻头体为胎体式，底喷式水眼，钻头为6翼，镶焊6排对称复合片切削齿30块，钻头结构见
图7 F-3型钻头
Fig.7 F-3 drilling bit
F-6型钻头通用型号为M433，钻头体为胎体式，水口为唇面直开式，各翼片中间有扇形水路。设6翼，累计镶焊复合片54块，钻头结构见
图8 F-6型钻头
Fig.8 F-6 drilling bit
H-4-Ⅱ型硬质合金钻头通过CY1孔试验成功后，在浅部层段推广使用，各孔使用统计数据见
| 孔号 | 应用孔段/m | 钻头进尺/m | 平均钻速/（m· | 岩心采取率/% |
|---|---|---|---|---|
| CY1 | 2080~2470 | 349.23 | 1.29 | 95 |
| ZK001 | 2300~2550 | 216.76 | 1.16 | 95 |
| ZK002 | 2000~2450 | 567.42 | 1.14 | 98 |
注： 钻头进尺为对应孔段内采用H-4-Ⅱ钻头累计进尺
图9 H-4-Ⅱ型钻头使用回次钻速曲线
Fig.9 ROP per run of H-4-Ⅱ bit
(孔深取各回次对应孔段的中点深度；机械钻速取回次平均钻速)
图10 CY-1孔岩心实物
Fig.10 Core taken from Borehole CY-1
F-3型钻头在3个钻孔中均有使用，各孔使用统计数据见
| 孔号 | 主要孔段/m | 钻头进尺/m | 平均钻速/（m· | 岩心采取率/% |
|---|---|---|---|---|
| CY1 | 2466~2912 | 353.95 | 0.63 | 96 |
| ZK001 | 2570~3043 | 380.31 | 1.65 | 100 |
| ZK002 | 2442~2920 | 289.89 | 0.91 | 96 |
注： 钻头进尺为对应孔段内采用F-3型钻头累计进尺数
图11 F-3型钻头使用回次钻速曲线
Fig.11 ROP per run of F-3 bit
(孔深取各回次对应孔段的中点深度；机械钻速取回次平均钻速)
F-6型钻头使用统计数据见
| 孔号 | 主要孔段/m | 钻头进尺/m | 平均钻速/（m· | 岩心采取率/% |
|---|---|---|---|---|
| ZK001 | 3043~3451 | 373.67 | 4.13 | 100 |
| ZK002 | 2937~3219 | 168.68 | 0.71 | 99 |
注： 钻头进尺为对应孔段内采用F-6型钻头累计进尺数
图12 F-6型钻头使用回次钻速曲线
Fig.12 ROP per run of F-6 bit
（孔深取各回次对应孔段的中点深度；机械钻速取回次平均钻速）
通过钻头结构分析和实钻检验，优选出F-6、F-3、H-4-Ⅱ型3种钻头，在沧州古近系地层取心钻进中应用，效率高、取心质量好，适合该工区地质条件，建议推广应用。
（1）1650~2500 m对应工区古近系弹塑性特征明显的塑脆性层段，宜选以剪切方式破碎岩石的H-4-Ⅱ型硬质合金钻头。该型钻头剪切效率高，但易崩齿，不宜在深部脆性层段内钻进。
（2）2500~3450 m对应工区古近系脆性特征明显的塑脆性层段，宜选耐磨性强的复合片切削齿钻头。其中F-3型属大齿、耐磨型钻头，采用切削-压切方式破碎岩层，更适合3000 m以浅层段。F-6型属小齿、耐磨型钻头，采用压切方式破碎岩层，更适合3000 m以深层段。
参考文献（References）
景龙，徐树，常林祯，等.沧州深部盐矿钻探施工关键技术探讨［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2013，40（5）：8-12. [百度学术]
JING Long， XU Shu， CHANG Linzhen， et al. Discussion of essential technologies for drilling construction in deep salt mine of Cangzhou［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2013，40（5）：8-12. [百度学术]
王建学，万建仓，沈慧.钻井工程［M］.北京：石油工业出版社，2008：7-8. [百度学术]
WANG Jianxue， WAN Jiancang， SHEN Hui. Drilling Engineering［M］. Beijing： Petroleum Industry Press， 2008：7-8. [百度学术]
仲玉芳，赵岩.宁晋-辛集勘探区2-1盐井的施工［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2014，41（7）：24-27. [百度学术]
ZHONG Yufang， ZHAO Yan. Construction of 2-1 salt well in Ningjin-Xinji exploration area［J］. Exploration Engineering（Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2014，41（7）：24-27. [百度学术]
靳红兵.深部岩盐取心钻探技术［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2011，38（10）：10-12. [百度学术]
JIN Hongbing. Coring drilling technology for deep rock salt［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2011，38（10）：10-12. [百度学术]
王卫民，仲玉芳.深部石盐层取心技术［J］.中国煤炭地质，2010，22（S1）：120-122. [百度学术]
WANG Weimin， ZHONG Yufang. Deep part rock salt layer coring technology［J］. Coal Geology of China， 2010，22（S1）：120-122. [百度学术]
汤凤林，宁伏龙，段隆臣.各向异性岩石钻进用钻头和孔底装置的分析研究与探讨［J］.钻探工程，2021，48（2）：54-63. [百度学术]
TANG Fenglin， NING Fulong， DUAN Longchen. Analytical research and discussion about drill bit and borehole bottom device used for drilling in anisotropic formations［J］. Drilling Engineering， 2021，48（2）：54-63. [百度学术]
蓝海锋，鲜保安，高彦尊.盐岩层大直径岩心取心技术［J］钻采工艺，2005，28（4）：9-11. [百度学术]
LAN Haifeng， XIAN Baoan， GAO Yanzun. Coring technology of full diameter core in salt bed［J］. Drilling & Production Technology， 2005，28（4）：9-11. [百度学术]
孙庆仁，申胡成，杨新斌，等.松科1井南孔钻井取心技术［J］.石油钻采工艺，2007，29（5），8-12. [百度学术]
SUN Qingren， SHEN Hucheng， YANG Xinbin， et al. Nankong well drilling and coring technology for Songke 1 well［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2007，29（5）：8-12. [百度学术]
阮海龙，沈立娜，李春，等.弹塑性致密泥岩用新型尖齿PDC钻头的研制与应用［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2014，41（12）：80-83. [百度学术]
RUAN Hailong， SHEN Lina， LI Chun， et al. Research and application of new sharp‑tooth bit used in elastic‑plastic compact mudstone［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2014，41（12）：80-83. [百度学术]
刘晓阳，段隆臣.松辽盆地第三系含砾砂岩、砂砾岩层钻探硬质合金钻头的研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2002，29（4）：33-35. [百度学术]
LIU Xiaoyang， DUAN Longchen. The research on TC bit used in the tertiary sandstone conglomerate and sandstone formations in the Song-Liao Basin［J］. Exploration Engineering（Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2002，29（4）：33-35. [百度学术]
朱永宜，王稳石.松科一井（主井）取心钻进工艺［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2008，35（9）：1-10. [百度学术]
ZHU Yongyi， WANG Wenshi. Coring drilling technology in Well-1 （main shaft） of Songliao Scientific Drilling［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2008，35（9）：1-10. [百度学术]
闫吉增.红河油田地层可钻性研究与钻头优选［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2018，45（6）：63-66. [百度学术]
YAN Jizeng. Research on the formation drillability and bit selection in Honghe Oilfield［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2018，45（6）：63-66. [百度学术]
朱芝同，伍晓龙，董向宇，等.松辽盆地页岩油勘探大口径取心技术［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2019，46（1）：45-50. [百度学术]
ZHU Zhitong， WU Xiaolong， DONG Xiangyu， et al. Large diameter coring technology for shale oil exploration in Songliao Basin［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2019，46（1）：45-50. [百度学术]
罗冠平.绳索取心钻进工艺在盐矿深部钻探中的应用研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2018，45（6）：8-13. [百度学术]
LUO Guanping. Application research on wire‑line core drilling technology for deep drilling in salt mine［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2018，45（6）：8-13. [百度学术]
