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摘要：针对地浸砂岩型铀矿钻探中致密泥岩钻进效率低的问题，在内蒙古巴音戈壁盆地研究试验了齿形复合片钻头与圆片状复合片钻头，提高了钻进效率。对研磨性较弱，中等硬度致密泥岩，采用Φ104mm双环式齿形复合片钻头（六组）的钻进效率达到2.60m/h，比普通复合片钻头提高73%；采用Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（四组）的钻进效率达到2.58m/h，比普通复合片钻头提高27%。对研磨性较强，硬致密泥岩，采用Φ110mm双环式阶梯齿形复合片钻头（八组）的钻进效率达到3.31m/h，比普通复合片钻头提高25%；Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（八组）的钻进效率达到4.38m/h，比普通复合片钻头提高20%。
关键词：致密泥岩 钻进效率 齿形复合片钻头。
致密泥岩的钻进效率低一直是地质、煤炭、石油系统的钻进难题，至今未能从根本上解决。在地浸砂岩型铀矿找矿中，巴音戈壁盆地塔木素地区钻探施工孔深大多数在400m以上，钻孔揭露的硬致密泥岩地层平均占每个钻孔25%左右，厚度约100m，该地层钻进时的特点：①钻速低。弹塑性大的致密泥岩抵抗切削工具压入能力强，刻取岩石时易发生切削工具在岩石表面打滑，造成碎岩困难，岩石硬度可达到6～8级。②钻孔缩径。岩石中粘土矿物成分含量高，水敏性强，易发生糊钻和缩径现象，这些因素造成钻进时进尺慢、效率低，采用普通圆片状复合片钻头钻进，开始具有一定钻速，很快切削具被磨钝，失去切削能力，不进尺，同时由于易缩径、护壁难，造成提下钻困难，严重时会引发孔内事故。根据致密泥岩的特点，开展尖齿型PDC复合片钻头与园片状PDC复合片钻头对比的技术研究，提高了工作区致密泥岩的钻进效率。
1 研究技术方法
1.1硬致密泥岩地层的钻进特点
硬致密泥岩中含有较多石英、钙质成分，其粒度很细，结构紧密，表现为一般切削具很难切入，即使切入，其切入深度也很小，切入后由于细颗粒的研磨，很快将切削刃口磨钝，表现为打滑不进尺。再加之致密泥岩具有高弹性，切削具压入泥岩后产生的变形被泥岩的弹性变形所抵消，切削具向前移动时，所产生的变形很快恢复正常，现场把这种泥岩地层形象地称为 “橡皮层”。
设计的新型齿形复合片，钻进时切削齿单位压力增大，切入岩石较深，并在孔底形成多个齿形环，即形成多个自由面，使岩石产生拉应力破碎。同时新型齿形复合片的高耐磨性，使切削具保持锋利，表现为钻头钻进该地层时具有高效率和长寿命。
1.2复合片钻进原理
聚晶金刚石复合片（简称PDC）是在高温、高压下由人造金刚石与硬质合金一次性合成的超硬材料，它不但具有金刚石所具备的硬度高，耐磨等优点，同时还具备了硬质合金所具备的抗冲击性强、出刃大等特点。是适用于中硬岩层的中转速切削具。
按照等切削、等磨损原则，在钻头底面排布复合片，排布方式有单环排列和多环排列。钻进较硬地层， PDC承受的载荷很大，复合片的出刃为半出刃，以增强钻头切削具支撑的强度，焊接牢靠，不易掉片。钻进较软地层， PDC承受的载荷小，复合片的出刃为全出刃，利于排粉，进尺快。
尖齿状复合片切削具比圆片状复合片出刃锋利，与孔底接触面积小，所需要的钻压小，易于切入岩石，进尺快，但抗弯能力差，只适应中硬致密泥岩地层，不适应坚硬砂岩地层。在钻头保径方面，较软的致密泥岩，采用条状合金，较硬的致密泥岩，采用金刚石聚晶体。
根据岩石的硬度、研磨性和完整程度，合理布置PDC 钻头的镶焊密度。钻进硬度小、研磨性较强的岩石可以镶焊六组复合片，硬度大、研磨性强岩石的可以镶焊八组复合片。
1.3齿形复合片钻头的设计
在致密泥岩地层，根据致密泥岩具有弹塑性大、硬度高、研磨性强、糊钻的特点，研究试验尖齿状复合片钻头。设计有四种钻头：Φ104mm双环式齿形复合片钻头（六组）和Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（四组），Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（八组），Φ110mm双环式阶梯齿形复合片钻头（八组）。
①钻进中硬、研磨性较强、较完整的致密泥岩地层，选用尖齿状复合片切削具，易于切入和切削岩石，但抗弯能力差。考虑到生产中软地层进尺快，经常糊钻、排除岩粉较为困难，选用尖齿状复合片组数较少，钻头保径采用条状合金。设计钻头为Φ104mm双环式齿形复合片钻头（六组）和Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（四组），其特点是水口大、出刃大，有利于排除岩粉，进尺快，避免岩心堵塞，泥包钻头和烧钻。
② 钻进硬、研磨性强、完整的致密泥岩地层。根据泥岩中细小钙颗粒含量多、硬度高、研磨性强的特点，从复合片性能和钻头结构参数方面设计泥岩复合片钻头，复合片应具有高耐磨性、高抗冲击韧性、高热稳定性；选用尖齿状复合片组数较多，设计的复合片钻头为Φ110mm双环式阶梯齿形复合片钻头（八组）和Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（八组）。双环齿形复合片钻头钻进时在孔底形成两个齿形环自由面，使岩石产生拉应力破碎，主要特点是耐磨、寿命长、钻进平稳。底水口、外水槽、内水槽水路空间要大，排粉通畅，有效防止钻孔縮径和岩心膨胀。
2 现场应用：
试验矿区：内蒙古巴音戈壁盆地塔木素地区。
试验设备：HXY-800T型 NBB-250/6型泥浆泵 208NJB—06A型泥浆搅拌机 CS—150型除砂机。
试验钻机： 368号机台、388号机台、398号机台。
BZK32—32孔（368号机），终孔孔深285.93m，试验钻头为Φ104mm双环式齿形复合片钻头，地层为浅灰色硬致密泥岩，较完整，中硬岩层。试验时间7月25日～7月26日，试验深度201.5m～257.08m，进尺55.58m，纯钻时间21：20h，平均小时效率2.6m/h。HZK5—3孔（398号机），终孔孔深454m，试验钻头为Φ104mm双环式齿形复合片钻头，地层为红褐色浅绿色泥岩，较完整，中硬岩层。试验时间7月20日～7月24日，试验深度215.32m～290.08m，进尺85.4m，纯钻时间32：50h，平均小时效率2.61m/h。同类地层用Φ104mm普通复合片钻头，钻进小时效率1.5m/h。试验钻头提高钻进效率73%。无钻头、钻具泥包现象，钻机回转平稳，阻力变小。 EZK2孔（388号钻机），试验用Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（四组），地层为灰 色致密泥岩，较完整，中硬岩层。试验深度25.74m～273.23 m，进尺247.49m，纯钻时间96h，平均小时效率2.58m/h。同类地层用Φ110mm双环式圆片状复合片钻头，平均小时效率2.03m/h。试验钻头提高钻进效率27%。无钻头、钻具泥包现象，但立轴跳动。
EZK1孔（388号钻机），试验用Φ110mm双环式阶梯齿形复合片钻头（八组），地层为灰白色致密泥岩，完整，硬岩层。试验深度198.15m～462.34 m，，进尺263.19m，纯钻时间79：30h，平均小时效率3.31m/h。同类地层用Φ110mm双环式圆片状复合片钻头，平均小时效率2.65m/h。試验钻头提高钻进效率25%。起下钻顺利，无钻头、钻具泥包现象，钻机回转平稳，阻力变小。
HZK256—23孔（398号钻机），试验用Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（八组），地层为黑灰色致密泥岩，完整，硬岩层。试验深度107.71m～412.9m，进尺305.25m，纯钻时间69：40h，平均小时效率4.38m/h。同类地层用Φ110mm双环式圆片状复合片钻头，平均小时效率3.65m/h。试验钻头提高钻进效率20%。起下钻顺利，无钻头、钻具泥包现象， 柴油发电机耗油减少，电流变小，钻机回转平稳，阻力变小。
3 技术经济评价
普通圆片状复合片钻头的数据均来自同类地层同等条件的有关统计。研究试验的Φ104mm双环式齿形复合片钻头（六组），Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（四组），Φ110mm双环式阶梯齿形复合片钻头（八组）和Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（八组）在工作区弹塑性硬致密泥岩地层的钻进效率大幅度提高。
用Φ104mm双环式齿形复合片钻头（六组）钻进光滑的浅灰色硬致密泥岩，钻进效率达到2.60m/h，比普通复合片钻头提高73%；用Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（四组）钻进灰色致密泥岩，钻进效率达到2.58m/h，比普通复合片钻头提高27%；用Φ110mm双环式阶梯齿形复合片钻头（八组）钻进灰白色致密泥岩，钻进效率达到3.31m/h，比普通复合片钻头提高25%；用Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（八组）钻进灰色致密泥岩，钻进效率达到4.38m/h，比普通复合片钻头提高20%。
4 结论
通过课题的研究实施，齿形复合片钻头比普通圆片状复合片钻头在不同的弹塑性致密泥岩地层的钻进效率提高20%～73%。
针对地浸砂岩型铀矿硬致密泥岩地层，先后设计与试验了四种PDC钻头：Φ104mm双环式齿形复合片钻头（六组），Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（四组），Φ110mm双环式阶梯齿形复合片钻头（八组）和Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（八组）。对四种类型钻头进行了对比，结果表明：齿型复合片钻头比普通复合片钻头钻进效率高，钻头寿命长，每米进尺钻头成本低。
一、钻进中硬、研磨性较强、较完整的致密泥岩地层，选用Φ104mm双环式齿形复合片钻头（六组）和Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（四组）。钻进效率达到2.58～2.6m/h，比普通复合片钻头提高27%～73%。
二、钻进较硬、研磨性强、完整的致密泥岩地层。选用Φ110mm双环式阶梯齿形复合片钻头（八组）和Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（八组）。钻进效率达到3.31～4.38m/h，比普通复合片钻头提高20%～25%。
硬度、研磨性不同类型的致密泥岩地层，采用齿形复合片钻头，可以实现快速钻进和大幅度降低成本，是钻进该类型难钻进地层的最佳途径。该矿区三种不同类型的泥岩中，分别设计采用三种典型的钻头，实现分层钻进，取得的效果是显著的，设计理念是科学的，可以推广使用。
参考文献
邓传光，朱明玉，黄焰.聂浪. 2006年.PDC钻头泥包原因分析及对策[J].钻采工艺. 06期：78-79.
EJ/T1140-2002.2003年.地浸砂岩型铀矿钻探规范[S].北京：国防科学技术工业委员会.
高绍智，张建华，李天明，李大佛. 2006年.适用于砾石夹层钻进的PDC钻头[J]. 石油钻采工艺. 04期：45-45.
韩广德.2000年.中国煤炭工业钻探工程学[M]. 北京：煤炭工业出版社.
胡辰光. 2003年钻探工程技术及标准规范实务全书[M]. 安徽文化音像出版社.
作者简介：
杨赤剑，男，辽宁省阜新人，毕业于中国地质大学（武汉），主要从事地质矿产勘查的相关研究。
关键词：致密泥岩 钻进效率 齿形复合片钻头。
致密泥岩的钻进效率低一直是地质、煤炭、石油系统的钻进难题，至今未能从根本上解决。在地浸砂岩型铀矿找矿中，巴音戈壁盆地塔木素地区钻探施工孔深大多数在400m以上，钻孔揭露的硬致密泥岩地层平均占每个钻孔25%左右，厚度约100m，该地层钻进时的特点：①钻速低。弹塑性大的致密泥岩抵抗切削工具压入能力强，刻取岩石时易发生切削工具在岩石表面打滑，造成碎岩困难，岩石硬度可达到6～8级。②钻孔缩径。岩石中粘土矿物成分含量高，水敏性强，易发生糊钻和缩径现象，这些因素造成钻进时进尺慢、效率低，采用普通圆片状复合片钻头钻进，开始具有一定钻速，很快切削具被磨钝，失去切削能力，不进尺，同时由于易缩径、护壁难，造成提下钻困难，严重时会引发孔内事故。根据致密泥岩的特点，开展尖齿型PDC复合片钻头与园片状PDC复合片钻头对比的技术研究，提高了工作区致密泥岩的钻进效率。
1 研究技术方法
1.1硬致密泥岩地层的钻进特点
硬致密泥岩中含有较多石英、钙质成分，其粒度很细，结构紧密，表现为一般切削具很难切入，即使切入，其切入深度也很小，切入后由于细颗粒的研磨，很快将切削刃口磨钝，表现为打滑不进尺。再加之致密泥岩具有高弹性，切削具压入泥岩后产生的变形被泥岩的弹性变形所抵消，切削具向前移动时，所产生的变形很快恢复正常，现场把这种泥岩地层形象地称为 “橡皮层”。
设计的新型齿形复合片，钻进时切削齿单位压力增大，切入岩石较深，并在孔底形成多个齿形环，即形成多个自由面，使岩石产生拉应力破碎。同时新型齿形复合片的高耐磨性，使切削具保持锋利，表现为钻头钻进该地层时具有高效率和长寿命。
1.2复合片钻进原理
聚晶金刚石复合片（简称PDC）是在高温、高压下由人造金刚石与硬质合金一次性合成的超硬材料，它不但具有金刚石所具备的硬度高，耐磨等优点，同时还具备了硬质合金所具备的抗冲击性强、出刃大等特点。是适用于中硬岩层的中转速切削具。
按照等切削、等磨损原则，在钻头底面排布复合片，排布方式有单环排列和多环排列。钻进较硬地层， PDC承受的载荷很大，复合片的出刃为半出刃，以增强钻头切削具支撑的强度，焊接牢靠，不易掉片。钻进较软地层， PDC承受的载荷小，复合片的出刃为全出刃，利于排粉，进尺快。
尖齿状复合片切削具比圆片状复合片出刃锋利，与孔底接触面积小，所需要的钻压小，易于切入岩石，进尺快，但抗弯能力差，只适应中硬致密泥岩地层，不适应坚硬砂岩地层。在钻头保径方面，较软的致密泥岩，采用条状合金，较硬的致密泥岩，采用金刚石聚晶体。
根据岩石的硬度、研磨性和完整程度，合理布置PDC 钻头的镶焊密度。钻进硬度小、研磨性较强的岩石可以镶焊六组复合片，硬度大、研磨性强岩石的可以镶焊八组复合片。
1.3齿形复合片钻头的设计
在致密泥岩地层，根据致密泥岩具有弹塑性大、硬度高、研磨性强、糊钻的特点，研究试验尖齿状复合片钻头。设计有四种钻头：Φ104mm双环式齿形复合片钻头（六组）和Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（四组），Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（八组），Φ110mm双环式阶梯齿形复合片钻头（八组）。
①钻进中硬、研磨性较强、较完整的致密泥岩地层，选用尖齿状复合片切削具，易于切入和切削岩石，但抗弯能力差。考虑到生产中软地层进尺快，经常糊钻、排除岩粉较为困难，选用尖齿状复合片组数较少，钻头保径采用条状合金。设计钻头为Φ104mm双环式齿形复合片钻头（六组）和Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（四组），其特点是水口大、出刃大，有利于排除岩粉，进尺快，避免岩心堵塞，泥包钻头和烧钻。
② 钻进硬、研磨性强、完整的致密泥岩地层。根据泥岩中细小钙颗粒含量多、硬度高、研磨性强的特点，从复合片性能和钻头结构参数方面设计泥岩复合片钻头，复合片应具有高耐磨性、高抗冲击韧性、高热稳定性；选用尖齿状复合片组数较多，设计的复合片钻头为Φ110mm双环式阶梯齿形复合片钻头（八组）和Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（八组）。双环齿形复合片钻头钻进时在孔底形成两个齿形环自由面，使岩石产生拉应力破碎，主要特点是耐磨、寿命长、钻进平稳。底水口、外水槽、内水槽水路空间要大，排粉通畅，有效防止钻孔縮径和岩心膨胀。
2 现场应用：
试验矿区：内蒙古巴音戈壁盆地塔木素地区。
试验设备：HXY-800T型 NBB-250/6型泥浆泵 208NJB—06A型泥浆搅拌机 CS—150型除砂机。
试验钻机： 368号机台、388号机台、398号机台。
BZK32—32孔（368号机），终孔孔深285.93m，试验钻头为Φ104mm双环式齿形复合片钻头，地层为浅灰色硬致密泥岩，较完整，中硬岩层。试验时间7月25日～7月26日，试验深度201.5m～257.08m，进尺55.58m，纯钻时间21：20h，平均小时效率2.6m/h。HZK5—3孔（398号机），终孔孔深454m，试验钻头为Φ104mm双环式齿形复合片钻头，地层为红褐色浅绿色泥岩，较完整，中硬岩层。试验时间7月20日～7月24日，试验深度215.32m～290.08m，进尺85.4m，纯钻时间32：50h，平均小时效率2.61m/h。同类地层用Φ104mm普通复合片钻头，钻进小时效率1.5m/h。试验钻头提高钻进效率73%。无钻头、钻具泥包现象，钻机回转平稳，阻力变小。 EZK2孔（388号钻机），试验用Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（四组），地层为灰 色致密泥岩，较完整，中硬岩层。试验深度25.74m～273.23 m，进尺247.49m，纯钻时间96h，平均小时效率2.58m/h。同类地层用Φ110mm双环式圆片状复合片钻头，平均小时效率2.03m/h。试验钻头提高钻进效率27%。无钻头、钻具泥包现象，但立轴跳动。
EZK1孔（388号钻机），试验用Φ110mm双环式阶梯齿形复合片钻头（八组），地层为灰白色致密泥岩，完整，硬岩层。试验深度198.15m～462.34 m，，进尺263.19m，纯钻时间79：30h，平均小时效率3.31m/h。同类地层用Φ110mm双环式圆片状复合片钻头，平均小时效率2.65m/h。試验钻头提高钻进效率25%。起下钻顺利，无钻头、钻具泥包现象，钻机回转平稳，阻力变小。
HZK256—23孔（398号钻机），试验用Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（八组），地层为黑灰色致密泥岩，完整，硬岩层。试验深度107.71m～412.9m，进尺305.25m，纯钻时间69：40h，平均小时效率4.38m/h。同类地层用Φ110mm双环式圆片状复合片钻头，平均小时效率3.65m/h。试验钻头提高钻进效率20%。起下钻顺利，无钻头、钻具泥包现象， 柴油发电机耗油减少，电流变小，钻机回转平稳，阻力变小。
3 技术经济评价
普通圆片状复合片钻头的数据均来自同类地层同等条件的有关统计。研究试验的Φ104mm双环式齿形复合片钻头（六组），Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（四组），Φ110mm双环式阶梯齿形复合片钻头（八组）和Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（八组）在工作区弹塑性硬致密泥岩地层的钻进效率大幅度提高。
用Φ104mm双环式齿形复合片钻头（六组）钻进光滑的浅灰色硬致密泥岩，钻进效率达到2.60m/h，比普通复合片钻头提高73%；用Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（四组）钻进灰色致密泥岩，钻进效率达到2.58m/h，比普通复合片钻头提高27%；用Φ110mm双环式阶梯齿形复合片钻头（八组）钻进灰白色致密泥岩，钻进效率达到3.31m/h，比普通复合片钻头提高25%；用Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（八组）钻进灰色致密泥岩，钻进效率达到4.38m/h，比普通复合片钻头提高20%。
4 结论
通过课题的研究实施，齿形复合片钻头比普通圆片状复合片钻头在不同的弹塑性致密泥岩地层的钻进效率提高20%～73%。
针对地浸砂岩型铀矿硬致密泥岩地层，先后设计与试验了四种PDC钻头：Φ104mm双环式齿形复合片钻头（六组），Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（四组），Φ110mm双环式阶梯齿形复合片钻头（八组）和Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（八组）。对四种类型钻头进行了对比，结果表明：齿型复合片钻头比普通复合片钻头钻进效率高，钻头寿命长，每米进尺钻头成本低。
一、钻进中硬、研磨性较强、较完整的致密泥岩地层，选用Φ104mm双环式齿形复合片钻头（六组）和Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（四组）。钻进效率达到2.58～2.6m/h，比普通复合片钻头提高27%～73%。
二、钻进较硬、研磨性强、完整的致密泥岩地层。选用Φ110mm双环式阶梯齿形复合片钻头（八组）和Φ110mm双环式平底齿形复合片钻头（八组）。钻进效率达到3.31～4.38m/h，比普通复合片钻头提高20%～25%。
硬度、研磨性不同类型的致密泥岩地层，采用齿形复合片钻头，可以实现快速钻进和大幅度降低成本，是钻进该类型难钻进地层的最佳途径。该矿区三种不同类型的泥岩中，分别设计采用三种典型的钻头，实现分层钻进，取得的效果是显著的，设计理念是科学的，可以推广使用。
参考文献
邓传光，朱明玉，黄焰.聂浪. 2006年.PDC钻头泥包原因分析及对策[J].钻采工艺. 06期：78-79.
EJ/T1140-2002.2003年.地浸砂岩型铀矿钻探规范[S].北京：国防科学技术工业委员会.
高绍智，张建华，李天明，李大佛. 2006年.适用于砾石夹层钻进的PDC钻头[J]. 石油钻采工艺. 04期：45-45.
韩广德.2000年.中国煤炭工业钻探工程学[M]. 北京：煤炭工业出版社.
胡辰光. 2003年钻探工程技术及标准规范实务全书[M]. 安徽文化音像出版社.
作者简介：
杨赤剑，男，辽宁省阜新人，毕业于中国地质大学（武汉），主要从事地质矿产勘查的相关研究。