摘要
D05井是雄安新区一眼地热勘探井，完钻井深4014.42 m，揭露了雾迷山组和高于庄组两个热储层。在高于庄组石英含量较高的燧石白云岩地层钻进中，出现了钻头严重磨损、钻头使用寿命短的状况。为解决钻探施工中的难题，进行了钻头应用探索，通过分析研究、实践应用优化，探索出了一种适宜于石英含量较高的燧石白云岩地层Ø215.9 mm井径使用的牙轮钻头，平衡了钻头磨损和钻进效率方面的难题。使用该型号钻头顺利地完成了D05井三开Ø215.9 mm孔径钻探施工任务。通过本次钻头应用探索，为类似地层钻头应用提供了参考方案，丰富了深部地热钻探工艺技术，为深部地热钻探的发展提供了技术支撑。
地热是一种清洁可再生能源，在国家加强环境保护、努力实现双碳目标的背景下，地热资源的开发利用愈加受到重视，地热资源的勘探与开发利用力度越来越
D05井是中国地质调查局水文地质环境地质调查中心实施的国家地勘基金项目“天津东丽区—河北牛驼镇地热资源调查与试验”所属的一眼地热勘探井，山东省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质大队（山东省鲁北地质工程勘察院）负责该项目的钻探工作任务。D05勘探井位于雄安新区雄县朱各庄镇西柳村，设计孔深4000 m，实际完钻孔深4014.42 m。项目于2019年7月开始实施，受年度工作任务、疫情及井下复杂情况等因素影响，于2021年3月终孔，2021年4月完成所有钻探工作任务。
D05井采用ZJ40型石油钻机进行施工，主要设备见
| 序号 | 设备名称 | 规格型号 | 功率/kW | |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 钻机 | ZJ40/2250D | ||
| 2 | 井架 | JJ225/45-K | ||
| 3 | 转盘 | ZP275 | ||
| 4 | 绞车 | JC40 | 1100 | |
| 5 | 泥浆泵 | F-1300 | 960 | |
| 6 | 动力机 | 1号 | 电动机 | 800 |
| 2号 | 电动机 | 800 | ||
| 7 | 固控系统 | ZJGK-40 | 180 | |
| 8 | 井控装置 | 2FZ35-21 | ||
D05勘探井在地质构造上位于牛驼镇凸起南部，牛驼镇凸起四周为凹陷所围，西部为容城凸起和徐水断凹，北为廊固凹陷，东北及东部为武清凹陷和霸县凹陷，南部为饶阳凹陷、高阳低凸起和保定凹
| 地 层 | 底深/m | 厚度/m | 岩 性 特 征 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 界 | 系 | 组 | ||||
| 新生界 | 第四系 | 平原组 | 270.00 | 270.00 | 主要为浅灰、土黄色砂质粘土、粉细砂为主，结构松散 | |
| 新近系 | 明化镇组 | 1040.00 | 770.00 | 上段主要为土黄、浅灰色泥岩、灰白色细砂岩，下段主要为浅灰绿、灰、紫色泥岩、灰白色粉细砂岩，其中局部发育少量钙质结核，底部以底砾岩作为明化镇组底部界限 | ||
| 古近系 | 沙河街组 | 1425.00 | 385.00 | 主要为灰黑色泥岩、灰白色泥膏岩 | ||
| 孔店组 | 2185.00 | 760.00 | 主要为紫红色泥岩，夹灰色灰岩、灰白色白云岩砾石，局部发育灰白、紫红、杂色砾岩 | |||
| 元古界 | 蓟县系 | 雾迷山组 | 3002.00 | 817.00 | 主要为灰、灰白色白云岩，深灰、灰黑色燧石白云岩 | |
| 杨庄组 | 3025.00 | 23.00 | 主要为紫红、深灰色泥质白云岩 | |||
| 长城系 | 高于庄组 |
4014.42 （未揭穿） | 989.42 | 主要为灰、灰白色白云岩，深灰、灰黑色燧石白云岩，其中在3850 m左右有侵入玄武岩 | ||
D05井为四开结构，成井井身结构如
图1 D05井成井结构示意
Fig.1 Completion structure of Well D05
一开钻进至505.00 m，采用Ø444.5 mm钻头和Ø339.7 mm石油套管；二开钻进至2188.42 m，采用Ø311.2 mm钻头和Ø244.5 mm石油套管；三开钻进至3720.11 m，采用Ø215.9mm钻头和Ø177.8 mm石油套管；四开钻进至4014.42 m，采用Ø152.4 mm钻头，裸眼完井。
D05井三开井径为Ø215.9 mm，自井深3025 m进入高于庄组，地层岩性以燧石白云岩为主，硅质胶结、石英含量较高、研磨性强，岩石可钻性等级为8~9级，钻获燧石白云岩岩心实物见
图2 D05井燧石白云岩岩心块照片
Fig.2 Core picture of chert dolomite in Well D05
| 钻头型号特征 | 孔段/m | 孔径/mm | 钻压/kN | 转速/(r·mi | 回次进尺/m | 纯钻时/h | 机械钻速/(m· |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| LS617GL | 3025~3177 | Ø215.9 | 80~100 | 40+149 | 52 | 28.58 | 1.82 |
| 3177~3120 | 43 | 23.50 | 1.83 |
图3 Ø215.9 mm井段磨损严重的LS617GL型钻头照片
Fig.3 Photo of LS617GL bit with severe wear in Ø215.9 mm well section
分析认为：高于庄组燧石白云岩，石英含量较高，硬度高、研磨性强；同时燧石团块与周边白云岩岩性存在较大差异，形成孔底岩石软硬不均的现状。在此类地层中钻进时，一方面因岩石硬度高、抗压强度高，钻头牙齿不能及时压入并破碎岩石，在钻头转动时会形成“粘滞-滑动”的效应，即我们常说的“粘滑”效
通过以上分析我们知道，现使用的LS617GL型牙轮钻头硬质合金齿抗冲击性能不足以应对此类石英含量较高的燧石白云岩地层是形成钻头整体磨损严重的主要原因。经充分调研，会同牙轮钻头生产厂家研究决定采用抗冲击、抗磨性能更好的637系列牙轮钻头。一方面637系列牙轮硬质合金齿出刃更短、且齿形为球形齿，因此抗冲击性能更强；另一方面637系列牙轮硬质合金齿的强度亦高于617系列牙轮所用硬质合金，具有更好的抗冲击、耐磨性能。同时考虑石英含量较高的燧石白云岩地层研磨性较强、孔底还存在一定的硬质合金粒等因素，因此决定进一步强化钻头保径性能，防止因钻头保径磨损后造成牙轮掌背、牙轮及轴承快速磨损的状况发生。研究决定在钻头背锥齿与外排齿之间增加了一排修边齿，并使用金刚石保径替代原硬质合金保径以增强牙轮钻头保径性能。优化调整后的钻头型号为LST637GDH。
LST637GDH型钻头在D05井三开3120~3196 m段回次钻进76 m，整只钻头仅有数颗外排齿崩裂，钻头磨损较轻（见
图4 Ø215.9 mm井段LST637GDH型钻头磨损状况照片
Fig.4 Photo of LST637GDH bit with severe wear in Ø215.9 mm well section
但该型号钻头的机械钻速较低，螺杆钻具复合钻进平均机械钻速仅为1.12 m/h，与原LS617GL型牙轮钻头螺杆钻具复合钻进机械钻速1.82 m/h相差较大。再次使用新LST637GDH型钻头钻进一个回次、进尺108 m，钻头磨损亦较轻、机械钻速仍无变化，见
| 钻头型号 | 孔段/m | 孔径/mm | 钻压/kN | 转速/(r·mi | 回次进尺/m | 纯钻时/h | 机械钻速/(m· |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| LST637GDH | 3120~3196 | Ø215.9 | 80~100 | 40+149 | 76 | 67.85 | 1.12 |
| 3196~3304 | 108 | 96.50 |
实践应用证明，637系列球形硬质合金齿牙轮钻头抗磨、冲击性能较好，可以满足在石英含量较高的燧石白云岩地层使用，但其硬质合金齿出刃较短、球面的齿顶外形不利于硬质合金齿压碎并吃入岩石，因此机械钻速较低。
过低的机械钻速显然不符合钻进要求，还需对钻头进行进一步的优化调整，在解决钻头磨损的情况下提高机械钻速。根据以往的研究成果我们知道：在其它条件不发生变化的情况下，提高碎岩效率可以有效地提高机械钻速，要提高碎岩效率一方面可以提高碎岩能量，另一方面可以提高钻头的碎岩能
D05井自井深3304 m开始使用MD617HDY型钻头，机械钻速达到了1.76 m/h，首只钻头钻进110 m后起钻检查，钻头磨损较轻，见
图5 Ø215.9 mm井段MD617HDY型钻头磨损状况照片
Fig.5 Photo of MD617HDY bit with severe wear in Ø215.9 mm well section
| 钻头型号 | 孔段/m | 孔径/mm | 钻压/kN | 转速/(r·mi | 回次进尺/m | 纯钻时/h | 机械钻速/(m· |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MD617HDY | 3304~3414 | Ø215.9 | 80~100 | 40+149 | 110 | 62.50 | 1.76 |
| 3414~3535 | 121 | 69.53 | 1.74 | ||||
| 3535~3675 | 140 | 78.67 | 1.78 | ||||
| 3675~3804 | 129 | 73.75 | 1.75 | ||||
| 3804~3886 | 82 | 45.00 | 1.82 |
D05井后续处理井内复杂情况，在3670 m处下入套管封隔上部地层，自3720 m处换Ø152.4 mm钻头开始侧钻绕障作业。自3740 m确定已偏离原井眼轨迹，起钻更换MD617HDY型钻头进行定向钻进，至3785 m钻头到底憋泵，提离孔底后钻具反转，泵压恢复正常，起钻检查钻头磨损严重（见
图6 Ø152.4 mm井段磨损严重的MD617HDY型钻头照片
Fig.6 Photo of MD617HDY bit with severe wear in Ø152.4 mm well section
通过充分调研、结合钻遇地层情况及以往类似地层钻头应用经验分析：一方面，此段地层中石英含量较多，岩石研磨性较上部地层更强；另一方面，Ø152.4 mm牙轮钻头抗磨、抗冲击性能较相同齿型的Ø215.9 mm牙轮钻头差；以致上部Ø215.9 mm井段使用效果较好的MD617HDY型钻头在深部Ø152.4 mm井段应用效果较差。
研究决定换用抗磨、抗冲击性能更好的LST637GDH型钻头，使用过程中，钻头寿命仅有三四十米，仍出现了钻头硬质合金齿、牙轮及轴承磨损严重的现象，见
图7 Ø152.4 mm井段磨损严重的LST637GDH型钻头照片
Fig.7 Photo of LST637GDH bit with severe wear in Ø152.4 mm well section
图8 Ø152.4 mm井段磨损较严重的MD637HDY型钻头照片
Fig.8 Photo of MD637HDY bit with the more severe wear in Ø152.4 mm well section
（1）在石英含量较高的燧石白云岩中，常规牙轮钻头快速磨损，影响正常钻进、甚至造成孔内钻头事故，钻遇此类地层时需提高警惕。
（2）使用637系列附带特殊金刚石保径的钻头可以有效解决石英含量较高的燧石白云岩地层Ø215.9 mm井径钻头磨损严重、使用寿命短的问题，但637系列钻头常采用球形硬质合金齿、碎岩效率较低，以致机械钻速较低。
（3）采用特制加长锥球齿、特殊金刚石保径的MD617系列钻头在石英含量较高的燧石白云岩地层Ø215.9 mm井径中应用效果良好，平衡了钻头磨损和钻效方面的难题，其缺点就是造价相对较高，但综合效益较高。
（4）在石英含量较高的燧石白云岩地层Ø152.4 mm井径中，637系列金刚石保径的钻头亦磨损较为严重、使用寿命较低，适宜于硬度高、磨性强、且软硬不均地层的Ø152.4 mm钻头，需要我们继续进行探索研究。
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