堅硬致密地層孕鑲金剛石鉆頭設(shè)計

1、 摘要：在分析堅硬地層特點的基礎(chǔ)上,指出了鉆進該地層所存在的問題,提出了用于打滑地層鉆進的新型孕鑲金剛石鉆頭的設(shè)計思路,在鉆頭工作層中采用主、輔兩種磨料,并對這兩種磨料的工作機理、處理工藝以及該新型鉆頭的制造進行了闡述。鉆頭的室內(nèi)鉆進試驗結(jié)果表明:在鉆進極堅硬致密的鋯剛玉時,相對于普通金剛石鉆頭,新型孕鑲金剛石鉆頭的鉆進時效提高1.93倍,平均磨損量增加38%,具有高時效、相對壽命長的優(yōu)點,是打滑地層鉆進的理想鉆頭。關(guān)鍵詞:堅硬地層;新型孕鑲金剛石鉆頭;主磨料;輔磨料;鉆進試驗堅硬致密弱研磨性的巖層（又稱打滑地層）在中國廣泛發(fā)育,具有以下3個特點:巖石硬度大，石英含量高。其巖石壓入硬度一般可達

2、5000MPa，其中部分在5500-6500MPa間，個別甚至高達7000MPa。強度高這類巖層的造巖礦物細，粒度多為0.01-0.20mm,硅質(zhì)膠結(jié),顆粒之間結(jié)合力大,結(jié)構(gòu)致密,整體強度高。其單軸抗壓強度達150MPa或更高。研磨性弱。由于鉆進時效低，巖粉少且顆粒細，對鉆頭胎體磨損甚微，金剛石難以出刃。在鉆進堅硬致密弱研磨性巖層時,普通金剛石鉆頭容易出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象,即鉆進時金剛石鉆頭在巖石上打滑而不進尺,或進尺極慢,時效常在0.1-0.2m/h間;回次進尺僅0.2-0.5m,鉆頭使用壽命2-3m。由于打滑現(xiàn)象的發(fā)生,即使這種巖層只有幾米或十幾米也要耗費大量時間和鉆頭,導(dǎo)致整個鉆孔施工周期延

3、長,勘探成本增高,經(jīng)濟效益下降。因此,解決該類巖層鉆進打滑問題具有實際意義1。1打滑地層鉆進現(xiàn)狀及存在的問題為解決鉆進時鉆頭打滑問題,前人已進行了多方面的研究2-3,進行了多次實驗及生產(chǎn)實踐,產(chǎn)生了很多克服鉆頭打滑的方法:金剛石鉆頭人工出刃法。主要有打磨法、噴砂法、唇面酸蝕法、孔底投砂研磨法等,該法所需輔助工作時間增加不多,但如果投砂量過多,或投砂研磨的時間掌握不好，會導(dǎo)致鉆頭的磨損加快，降低鉆頭壽命。軟胎體鉆頭法。但如果該法中胎體過軟,就會造成整個金剛石鉆頭的胎體強度不夠,甚至鉆頭變形而無法使用。異形唇面鉆頭法。如高低刃及同心圓尖齒唇面鉆頭等。但該類鉆頭在鉆進一段時間后，尖齒磨平，鉆速下降很

4、快，尖齒磨平后其優(yōu)勢不復(fù)存在，與普通鉆頭沒有兩樣。弱包鑲金剛石鉆頭法。該法對金剛石采用弱包鑲工藝。該類鉆頭在鉆進中金剛石從胎體中適時脫落，磨損胎體，有利于金剛石出刃，能提高鉆頭的時效，但鉆頭的壽命降低，因此也不是解決打滑地層鉆進的根本方法。前言鉆頭是石油鉆探中最主要的破巖工具，其質(zhì)量的優(yōu)劣、與巖性和其它鉆井工藝條件是否適應(yīng)，將直接影響鉆井速度、鉆井質(zhì)量和鉆井成本。目前鉆井中使用的鉆頭有牙輪鉆頭、PDC鉆頭及金剛石鉆頭。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，鉆探技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，鉆進深度越來越深，巖石越來越硬。發(fā)展高效破巖工具，提高鉆井速度，越來越成為研究的焦點。隨著鉆進深度的增加，在鉆進過程中遇到極

5、堅硬巖層也越來越多。堅硬地層可分為兩大類：強研磨性硬地層和弱研磨性硬地層。強研磨性硬地層主要是硅質(zhì)膠結(jié)的石英砂巖、長石砂巖。弱研磨性硬地層主要包括硬泥巖、含燧石結(jié)核亮晶灰?guī)r、高抗壓白云巖等。牙輪鉆頭在鉆進這兩種堅硬地層時，破巖效率低，鉆進速度慢；PDC鉆頭由于是利用刮削方式破碎巖石，是一種適合軟到中硬地層的高效鉆頭，在硬地層中切削齒不能有效吃入地層而不能適應(yīng)堅硬地層的鉆進；孕鑲金剛石鉆頭雖能擔(dān)負(fù)堅硬地層的鉆進工作，但也存在以下諸多問題。在鉆進致密而研磨性較低的硬地層時，孕鑲金剛石鉆頭時常出現(xiàn)打滑現(xiàn)象而進尺極慢甚至不進尺，機械鉆速時常在0.1-0.2m/h左右，鉆進需要耗費大量的時間和鉆頭；其原

6、因是金剛石在很短的鉆進時間很快被磨鈍，不能有效的切削巖石，同時胎體在少巖屑或無巖屑情況下不能及時磨損使金剛石出露1。在鉆進強研磨性硬地層時，有時會出現(xiàn)胎體磨損太快，導(dǎo)致鉆頭壽命太低；其原因是巖屑對鉆頭胎體磨損嚴(yán)重，使還沒有磨蝕破裂的金剛石顆粒過早失去包鑲而脫落，脫落的金剛石又加劇胎體的磨損。這兩種情況是造成當(dāng)前孕鑲金剛石鉆頭鉆進硬地層效率低、成本高的主要原因。因此，解決這兩類堅硬巖層鉆進效率和鉆進壽命問題具有實際意義。本課題針對堅硬強研磨性和堅硬弱研磨性兩類地層鉆進效率低、鉆頭壽命短的問題，開展新型孕鑲金剛石鉆頭參數(shù)設(shè)計的優(yōu)化研究。在定量評價堅硬致密地層的可鉆性與研磨性的基礎(chǔ)上，通過理論分析與

7、試驗研究，對孕鑲金剛石鉆頭的金剛石參數(shù)、胎體配方進行優(yōu)選，使之與巖石性質(zhì)相適應(yīng)，以期達到提高金剛石鉆頭在堅硬地層的鉆進效率和工作壽命的目的，從根本上降低鉆進成本。這對深井鉆探、海洋鉆探、科學(xué)鉆探等的發(fā)展必將產(chǎn)生深遠的影響。為解決鉆進堅硬致密弱研磨性地層時鉆頭打滑問題，許多國內(nèi)外科研工作者和生產(chǎn)商進行了多方面的研究：如提高金剛石強度、粒度；降低金剛石濃度；改變胎體耐磨性；優(yōu)化鉆頭底唇面形狀與結(jié)構(gòu)；增加鉆頭水口數(shù)目等。中南工業(yè)大學(xué)等研制出了弱包鑲法金剛石鉆頭以克服鉆頭打滑現(xiàn)象。其基本原理是：利用弱包鑲方法使胎體中一部分金剛石被包鑲的程度較弱，鉆進中會提前從胎體中脫落。脫落的金剛石會磨損胎體，有利于

8、金剛石出刃。同時金剛石提前脫落后，鉆頭唇面變得粗糙，由此產(chǎn)生一系列作用機理，使金剛石鉆頭能較好地自銳出刃2。現(xiàn)行的弱包鑲防打滑鉆頭均采用熱壓法制造出來的，熱壓法弱包鑲防打滑鉆頭的設(shè)計方法是：先在金剛石表面用機械方法裹上一層弱包鑲粉末，使其?；?；然后將粒化的金剛石與胎體粉料均勻混合，再進行裝模燒結(jié)。這樣研制出來的鉆頭，由于金剛石與胎體之間有一層粘結(jié)較差、強度較低的弱包鑲層，從而減弱了胎體對金剛石的包鑲能力，使鉆頭在胎體磨損不很大的情況下，金剛石就會從胎體中自行提前脫落下來，從而實現(xiàn)金剛石的換層。使用弱包鑲金剛石鉆頭時，不會出現(xiàn)鉆頭不進尺現(xiàn)象，減少了鉆進的提鉆次數(shù)，大大提高了純鉆時間。據(jù)中南工業(yè)大

9、學(xué)鉆頭研制單位的資料，在遂昌金礦中使用過的弱包鑲鉆頭，其平均壽命為28m，平均時效為2.8m/h,取得了較好的鉆進效果。新型孕鑲金剛石鉆頭的設(shè)計為解決鉆進時鉆頭打滑的問題,結(jié)合前人的工作1-3,打破從鉆頭的結(jié)構(gòu)形狀、胎體的軟硬性能、金剛石體積分?jǐn)?shù)等方面來改善鉆頭性能的常規(guī)思路,提出了打滑地層新型孕鑲金剛石鉆頭的設(shè)計思路,并通過試驗驗證其運用效果。該設(shè)計思路擬在鉆頭工作層中選用2種磨料分別作為主、輔磨料。主磨料為主要碎巖材料,用以切削巖層,輔磨料為次要碎巖材料,主要用以實現(xiàn)胎體自銳,主、輔磨料二者的有機結(jié)合使鉆頭性能得以改善,并提高鉆頭壽命和鉆進時效,解決堅硬致密弱研磨性巖層鉆進時存在的“打滑”

10、問題。主磨料采用高品質(zhì)金剛石主磨料的單顆?？箟簭姸却?耐磨損,切削巖石能力強,并使用真空鍍工藝在金剛石表面沉積強碳化物合成元素金屬W。該層金屬W鍍覆層有如下功效:隔膜作用。在高溫?zé)Y(jié)鉆頭時將金剛石與氧氣和胎體材料隔開,使金剛石不受氧氣的氧化和胎體材料的侵蝕,降低金剛石的損耗。改善金剛石表面性能。使金剛石與胎體材料的潤濕性能大大提高,燒結(jié)時能提高金剛石與胎體材料的結(jié)合力,使金剛石牢牢地包裹在胎體材料中,不容易脫落,作為鉆頭工作層的主切削材料,工作時間延長,能大大提高鉆頭壽命。輔磨料采用低品質(zhì)金剛石或其他磨料用滾動式造粒工藝在輔磨料的表面包裹一層WC粉末,該層WC粉末與輔磨料的結(jié)合力差,可使輔磨料

11、與胎體材料隔開,從而使輔磨料并不是牢固地包裹在胎體材料中。鉆進時,輔磨料易從胎體材料中脫落而進入孔底,磨損胎體,使主磨料適時出露而切削巖石。鉆頭工作層中主、輔磨料的處理工藝主磨料表面真空鍍覆金屬W取適量的WO3粉料,用HF丙酮溶液濕潤,加入氫化鈦粉末及金剛石顆粒,混勻后放入真空烝鍍設(shè)備中鍍覆。鍍覆溫度為820C。,保溫時間為1h。真空鍍覆金屬W的金剛石表面形貌如圖1所示。圖1真空鍍覆W的金剛石表面形貌輔磨料表面包裹WC粉末基于滾動式造粒工藝可以使金剛石顆粒長大的原理,設(shè)計了滾動式金剛石造球機。選用滾動式造粒工藝,將WC粉末包裹在金剛石的表面,使金剛石粒徑增大。裹覆WC粉末的金剛石形貌如圖2所示

12、。滾動式造粒工藝的制作過程是以金剛石為核,使其滾動,同時逐漸加入WC粉末和濕潤黏結(jié)添加劑,使充分滾動的金剛石核逐漸包裹上WC粉末,金剛石越滾越大,最后達到所要求的粒徑,取出后經(jīng)過篩選即可使用。圖2裹覆WC粉末的金剛石設(shè)計的滾動式金剛石造球機的參數(shù)如下：最大裝料量為0.5kg;工作轉(zhuǎn)速為0100r/min;容器傾斜角度為3060。滾動式金剛石造球機的結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。圖3滾動式金剛石造球機結(jié)構(gòu)示意圖新型孕鑲金剛石鉆頭的制造為驗證打滑地層新型孕鑲金剛石鉆頭的實際鉆進效果,設(shè)計了打滑地層新型孕鑲金剛石鉆頭,并采用熱壓法制造該新型鉆頭。鉆頭結(jié)構(gòu)鉆頭結(jié)構(gòu)見圖4所示。圖4鉆頭結(jié)構(gòu)圖鉆頭配方設(shè)計根據(jù)文獻2-

13、3，將鉆頭配方設(shè)計如下：骨架成分為WC，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%;黏結(jié)成分為Ni、90Cu、Fe、Co、Mn,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%;粉末粒徑為0.071mm（200目）;金剛石體積分?jǐn)?shù)為75%;其中主、輔磨料的比例可調(diào)。熱壓燒結(jié)設(shè)備實驗中采用熱壓燒結(jié)法制造鉆頭，主要燒結(jié)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)如下。燒結(jié)爐:KGPS100-1型中頻感應(yīng)電源,加熱功率為100kW,中頻頻率為1000Hz。壓力機:YH41-40C型單臂壓力機，噸位為40T。測溫儀:CIT型紅外測溫儀，測量范圍為7001300C?；炝匣旌戏哿系闹苽浞椒ú捎脵C械球磨混料法，用感量為0.0001g的分析天平，按事先設(shè)計好的配方混料，裝入混料瓶中球磨，球磨時間

14、大于24h。將混合好的粉料置入稱量瓶中，并放入真空干燥器中保存、待用。熱壓燒結(jié)工藝熱壓燒結(jié)的步驟為:將組裝好的模具放入中頻爐熱壓機的工作臺上,然后送電升溫,當(dāng)加熱功率為2030kW時，燒結(jié)56min后先施加一定的初壓（約20MPa），在燒結(jié)89min后升到燒結(jié)溫度，此時應(yīng)立即施以全壓，并在該壓力下保溫35min。保溫保壓結(jié)束后，即可停電降溫，但壓力不卸，當(dāng)溫度降到700C。時，卸除壓力，并將鉆頭的燒結(jié)模具移至保溫箱中或放在空氣中冷卻到室溫。新型孕鑲金剛石鉆頭的鉆進試驗鉆進試驗條件、鉆進規(guī)程參數(shù)室內(nèi)微鉆試驗平臺由Z32k鉆床改造而成,試驗時,將需要鉆削的巖芯試樣安裝于巖芯座中。巖芯座由3個鉆壓傳

15、感器支承,浮置于工作臺上;工作臺與給進油缸的活塞端部聯(lián)接,由給進油缸控制工作臺的升降,從而實現(xiàn)鉆進或提鉆動作,同時用給進油缸的工作壓力控制鉆壓的大小。鉆頭安裝于主軸端部,并由上部的可調(diào)速直流電機驅(qū)動回轉(zhuǎn)。鉆頭回轉(zhuǎn)切削巖樣時,由于切向力的作用使巖芯座上的壓板壓在扭矩傳感器的端部,通過測量該作用力的大小便可計算出切削扭矩的大小。在鉆削過程中,可采集以下5個參數(shù):鉆壓、扭矩位移、鉆頭轉(zhuǎn)速及流量,然后計算出瞬時鉆速,為研究巖石的可鉆性和鉆頭的特性提供可靠的實驗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集及試驗過程的控制均在計算機的操作界面上進行。鉆進規(guī)程參數(shù)如下:鉆頭規(guī)格為Y36.5/21.5mm;冷卻液為清水；泵量為15L/mi

16、n;鉆機轉(zhuǎn)速為1000r/min;鉆壓為300kg。鉆進巖石及其力學(xué)性能試驗時選取了堅硬致密弱研磨性的巖石:細中粒鉀長花崗巖、紅色花崗巖和白色花崗巖以及鋯剛玉4種巖樣,分別對這4種巖樣進行了壓入硬度和抗壓強度測試,并對每種巖石進行可鉆性分級,結(jié)果如表1所示。表1巖樣力學(xué)性能參數(shù)及其可鉆性分級巖石類型抗壓強度/MPa壓入硬度/MPa巖石可鉆性級別白色花崗巖95.12036.217紅色花崗巖81.83177.238細中粒鉀長花崗巖142.35709.669鋯剛玉5639821.2512鉆進試驗結(jié)果在鉆進設(shè)備與鉆進規(guī)程一定的條件下,分別用常規(guī)金剛石鉆頭,在微鉆試驗平臺上進行鉆進試驗,發(fā)現(xiàn)常規(guī)金剛石鉆

17、頭進尺較緩慢,并出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,而打滑地層新型孕鑲金剛石鉆頭鉆進進尺較快,鉆頭壽命也較高,且沒有出現(xiàn)明顯的打滑現(xiàn)象,該鉆頭的兩個性能參數(shù)比常規(guī)金剛石鉆頭要好許多。鉆進所得數(shù)據(jù)如表2所示。表2常規(guī)金剛石鉆頭、打滑地層新型孕鑲金剛石鉆頭鉆進結(jié)果巖石類型鉆頭類型平均時效/(mh1鉆頭平均磨損/(mgh-1)白色花崗巖常規(guī)金剛石鉆頭新型孕鑲金剛石鉆頭2.284.25369455紅色花崗巖常規(guī)金剛石鉆頭新型孕鑲金剛石鉆頭1.283.92285398436498細中粒鉀長花崗巖常規(guī)金剛石鉆頭2.36356新型孕鑲金剛石鉆頭4.56487鋯剛玉常規(guī)金剛石鉆頭3.17289新型孕鑲金剛石鉆頭4.96426結(jié)論與

18、展望所研制的新型孕鑲金剛石鉆頭通過主、輔磨料的共同作用,提高了主磨料的利用率,具有平均時效較高、鉆頭的壽命也相對較高的優(yōu)點。在鉆進堅硬致密的細中粒鉀長花崗巖時,平均時效是常規(guī)金剛石鉆頭的1.88倍,鉆頭的平均磨損量是常規(guī)金剛石鉆頭的1.22倍。在極堅硬致密的鋯剛玉中鉆進時,鉆頭的平均時效是常規(guī)金剛石鉆頭的1.93倍,鉆頭的平均磨損量是常規(guī)金剛石鉆頭的1.38倍。同時,由于該新型孕鑲金剛石鉆頭采用主、輔磨料共同作用的設(shè)計思路,從而大大降低了鉆頭的生產(chǎn)成本,因此在打滑地層鉆進中有著良好的應(yīng)用前景。另外,目前金剛石制品市場極其廣闊,若將這種新型鉆頭的設(shè)計原理及制造工藝推廣到其他加工硬、脆材料的金剛石

19、制品行業(yè)中,其應(yīng)用前景也極為可觀。參考文獻1WC添加對熱壓鐵基預(yù)合金粉末胎體性能的影響卩.孫吉偉，沈立娜.探礦工程(巖土鉆掘工程).2019(03)2關(guān)于深孔巖心鉆探中相關(guān)問題的探討卩.陳古健.中國高新區(qū).2018(08)3難鉆進地層金剛石鉆頭的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢卩.蔡家品,賈美玲,沈立娜,歐陽志勇,阮海龍,張建元,趙爾信.探礦工程(巖土鉆掘工程).2017(02)4堅硬地層NBS高效孕鑲金剛石鉆頭的研究與應(yīng)用卩.沈立娜,路禝,尹建民,阮海龍,吳海霞,李春.探礦工程(巖土鉆掘工程).2017(01)5堅硬致密弱研磨性地層孕鑲金剛石鉆頭性能優(yōu)化卩.王佳亮,張紹和.煤田地質(zhì)與勘探.2016(06)6高

20、胎體仿生異型齒孕鑲金剛石鉆頭卩.李夢,蘇義腦,孫友宏,高科.吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版).2016(05)7基于打滑地層的孕鑲金剛石鉆頭設(shè)計卩.王佳亮,張紹和.地球科學(xué).2016(05)8新型孕鑲金剛石鉆頭研制及試驗卩.關(guān)舒?zhèn)?石油鉆探技術(shù).2015(04)9胎體耐損性弱化孕鑲金剛石鉆頭的試驗及碎巖機理分析卩.王佳亮,張紹和.中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).2015(04)10一種切削-研磨型孕鑲金剛石鉆頭的研制及應(yīng)用卩.趙洪山,溫林榮,張坤,朱孑明.石油機械.2014(06)11短碳纖維增強金剛石鉆頭鐵基胎體性能的研究卩.沈立娜,阮海龍,歐陽志勇,吳海霞,李春.探礦工程(巖土鉆掘工程).2014(03)12提高堅硬打滑地層金剛石鉆進效率的試驗卩.秦品光,賈中芳.工程建設(shè).2013(04)13深孔鉆探金剛石鉆頭技術(shù)研究卩.聶保剛,魏曉音.科技資訊.2012(27)14仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭的試驗及碎巖機理分析卩.王傳留,孫友宏,劉寶昌,王銀霞.中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).2