坚硬致密地层孕镶金刚石钻头设计

1、 摘要：在分析坚硬地层特点的基础上,指出了钻进该地层所存在的问题,提出了用于打滑地层钻进的新型孕镶金刚石钻头的设计思路,在钻头工作层中采用主、辅两种磨料,并对这两种磨料的工作机理、处理工艺以及该新型钻头的制造进行了阐述。钻头的室内钻进试验结果表明:在钻进极坚硬致密的锆刚玉时,相对于普通金刚石钻头,新型孕镶金刚石钻头的钻进时效提高1.93倍,平均磨损量增加38%,具有高时效、相对寿命长的优点,是打滑地层钻进的理想钻头。关键词:坚硬地层;新型孕镶金刚石钻头;主磨料;辅磨料;钻进试验坚硬致密弱研磨性的岩层（又称打滑地层）在中国广泛发育,具有以下3个特点:岩石硬度大，石英含量高。其岩石压入硬度一般可达

2、5000MPa，其中部分在5500-6500MPa间，个别甚至高达7000MPa。强度高这类岩层的造岩矿物细，粒度多为0.01-0.20mm,硅质胶结,颗粒之间结合力大,结构致密,整体强度高。其单轴抗压强度达150MPa或更高。研磨性弱。由于钻进时效低，岩粉少且颗粒细，对钻头胎体磨损甚微，金刚石难以出刃。在钻进坚硬致密弱研磨性岩层时,普通金刚石钻头容易出现“打滑”现象,即钻进时金刚石钻头在岩石上打滑而不进尺,或进尺极慢,时效常在0.1-0.2m/h间;回次进尺仅0.2-0.5m,钻头使用寿命2-3m。由于打滑现象的发生,即使这种岩层只有几米或十几米也要耗费大量时间和钻头,导致整个钻孔施工周期延

3、长,勘探成本增高,经济效益下降。因此,解决该类岩层钻进打滑问题具有实际意义1。1打滑地层钻进现状及存在的问题为解决钻进时钻头打滑问题,前人已进行了多方面的研究2-3,进行了多次实验及生产实践,产生了很多克服钻头打滑的方法:金刚石钻头人工出刃法。主要有打磨法、喷砂法、唇面酸蚀法、孔底投砂研磨法等,该法所需辅助工作时间增加不多,但如果投砂量过多,或投砂研磨的时间掌握不好，会导致钻头的磨损加快，降低钻头寿命。软胎体钻头法。但如果该法中胎体过软,就会造成整个金刚石钻头的胎体强度不够,甚至钻头变形而无法使用。异形唇面钻头法。如高低刃及同心圆尖齿唇面钻头等。但该类钻头在钻进一段时间后，尖齿磨平，钻速下降很

4、快，尖齿磨平后其优势不复存在，与普通钻头没有两样。弱包镶金刚石钻头法。该法对金刚石采用弱包镶工艺。该类钻头在钻进中金刚石从胎体中适时脱落，磨损胎体，有利于金刚石出刃，能提高钻头的时效，但钻头的寿命降低，因此也不是解决打滑地层钻进的根本方法。前言钻头是石油钻探中最主要的破岩工具，其质量的优劣、与岩性和其它钻井工艺条件是否适应，将直接影响钻井速度、钻井质量和钻井成本。目前钻井中使用的钻头有牙轮钻头、PDC钻头及金刚石钻头。随着科学技术的进步，钻探技术在各领域的应用越来越广泛，钻进深度越来越深，岩石越来越硬。发展高效破岩工具，提高钻井速度，越来越成为研究的焦点。随着钻进深度的增加，在钻进过程中遇到极

5、坚硬岩层也越来越多。坚硬地层可分为两大类：强研磨性硬地层和弱研磨性硬地层。强研磨性硬地层主要是硅质胶结的石英砂岩、长石砂岩。弱研磨性硬地层主要包括硬泥岩、含燧石结核亮晶灰岩、高抗压白云岩等。牙轮钻头在钻进这两种坚硬地层时，破岩效率低，钻进速度慢；PDC钻头由于是利用刮削方式破碎岩石，是一种适合软到中硬地层的高效钻头，在硬地层中切削齿不能有效吃入地层而不能适应坚硬地层的钻进；孕镶金刚石钻头虽能担负坚硬地层的钻进工作，但也存在以下诸多问题。在钻进致密而研磨性较低的硬地层时，孕镶金刚石钻头时常出现打滑现象而进尺极慢甚至不进尺，机械钻速时常在0.1-0.2m/h左右，钻进需要耗费大量的时间和钻头；其原

6、因是金刚石在很短的钻进时间很快被磨钝，不能有效的切削岩石，同时胎体在少岩屑或无岩屑情况下不能及时磨损使金刚石出露1。在钻进强研磨性硬地层时，有时会出现胎体磨损太快，导致钻头寿命太低；其原因是岩屑对钻头胎体磨损严重，使还没有磨蚀破裂的金刚石颗粒过早失去包镶而脱落，脱落的金刚石又加剧胎体的磨损。这两种情况是造成当前孕镶金刚石钻头钻进硬地层效率低、成本高的主要原因。因此，解决这两类坚硬岩层钻进效率和钻进寿命问题具有实际意义。本课题针对坚硬强研磨性和坚硬弱研磨性两类地层钻进效率低、钻头寿命短的问题，开展新型孕镶金刚石钻头参数设计的优化研究。在定量评价坚硬致密地层的可钻性与研磨性的基础上，通过理论分析与

7、试验研究，对孕镶金刚石钻头的金刚石参数、胎体配方进行优选，使之与岩石性质相适应，以期达到提高金刚石钻头在坚硬地层的钻进效率和工作寿命的目的，从根本上降低钻进成本。这对深井钻探、海洋钻探、科学钻探等的发展必将产生深远的影响。为解决钻进坚硬致密弱研磨性地层时钻头打滑问题，许多国内外科研工作者和生产商进行了多方面的研究：如提高金刚石强度、粒度；降低金刚石浓度；改变胎体耐磨性；优化钻头底唇面形状与结构；增加钻头水口数目等。中南工业大学等研制出了弱包镶法金刚石钻头以克服钻头打滑现象。其基本原理是：利用弱包镶方法使胎体中一部分金刚石被包镶的程度较弱，钻进中会提前从胎体中脱落。脱落的金刚石会磨损胎体，有利于

8、金刚石出刃。同时金刚石提前脱落后，钻头唇面变得粗糙，由此产生一系列作用机理，使金刚石钻头能较好地自锐出刃2。现行的弱包镶防打滑钻头均采用热压法制造出来的，热压法弱包镶防打滑钻头的设计方法是：先在金刚石表面用机械方法裹上一层弱包镶粉末，使其粒化；然后将粒化的金刚石与胎体粉料均匀混合，再进行装模烧结。这样研制出来的钻头，由于金刚石与胎体之间有一层粘结较差、强度较低的弱包镶层，从而减弱了胎体对金刚石的包镶能力，使钻头在胎体磨损不很大的情况下，金刚石就会从胎体中自行提前脱落下来，从而实现金刚石的换层。使用弱包镶金刚石钻头时，不会出现钻头不进尺现象，减少了钻进的提钻次数，大大提高了纯钻时间。据中南工业大

9、学钻头研制单位的资料，在遂昌金矿中使用过的弱包镶钻头，其平均寿命为28m，平均时效为2.8m/h,取得了较好的钻进效果。新型孕镶金刚石钻头的设计为解决钻进时钻头打滑的问题,结合前人的工作1-3,打破从钻头的结构形状、胎体的软硬性能、金刚石体积分数等方面来改善钻头性能的常规思路,提出了打滑地层新型孕镶金刚石钻头的设计思路,并通过试验验证其运用效果。该设计思路拟在钻头工作层中选用2种磨料分别作为主、辅磨料。主磨料为主要碎岩材料,用以切削岩层,辅磨料为次要碎岩材料,主要用以实现胎体自锐,主、辅磨料二者的有机结合使钻头性能得以改善,并提高钻头寿命和钻进时效,解决坚硬致密弱研磨性岩层钻进时存在的“打滑”

10、问题。主磨料采用高品质金刚石主磨料的单颗粒抗压强度大,耐磨损,切削岩石能力强,并使用真空镀工艺在金刚石表面沉积强碳化物合成元素金属W。该层金属W镀覆层有如下功效:隔膜作用。在高温烧结钻头时将金刚石与氧气和胎体材料隔开,使金刚石不受氧气的氧化和胎体材料的侵蚀,降低金刚石的损耗。改善金刚石表面性能。使金刚石与胎体材料的润湿性能大大提高,烧结时能提高金刚石与胎体材料的结合力,使金刚石牢牢地包裹在胎体材料中,不容易脱落,作为钻头工作层的主切削材料,工作时间延长,能大大提高钻头寿命。辅磨料采用低品质金刚石或其他磨料用滚动式造粒工艺在辅磨料的表面包裹一层WC粉末,该层WC粉末与辅磨料的结合力差,可使辅磨料

11、与胎体材料隔开,从而使辅磨料并不是牢固地包裹在胎体材料中。钻进时,辅磨料易从胎体材料中脱落而进入孔底,磨损胎体,使主磨料适时出露而切削岩石。钻头工作层中主、辅磨料的处理工艺主磨料表面真空镀覆金属W取适量的WO3粉料,用HF丙酮溶液湿润,加入氢化钛粉末及金刚石颗粒,混匀后放入真空烝镀设备中镀覆。镀覆温度为820C。,保温时间为1h。真空镀覆金属W的金刚石表面形貌如图1所示。图1真空镀覆W的金刚石表面形貌辅磨料表面包裹WC粉末基于滚动式造粒工艺可以使金刚石颗粒长大的原理,设计了滚动式金刚石造球机。选用滚动式造粒工艺,将WC粉末包裹在金刚石的表面,使金刚石粒径增大。裹覆WC粉末的金刚石形貌如图2所示

12、。滚动式造粒工艺的制作过程是以金刚石为核,使其滚动,同时逐渐加入WC粉末和湿润黏结添加剂,使充分滚动的金刚石核逐渐包裹上WC粉末,金刚石越滚越大,最后达到所要求的粒径,取出后经过筛选即可使用。图2裹覆WC粉末的金刚石设计的滚动式金刚石造球机的参数如下：最大装料量为0.5kg;工作转速为0100r/min;容器倾斜角度为3060。滚动式金刚石造球机的结构示意图见图3。图3滚动式金刚石造球机结构示意图新型孕镶金刚石钻头的制造为验证打滑地层新型孕镶金刚石钻头的实际钻进效果,设计了打滑地层新型孕镶金刚石钻头,并采用热压法制造该新型钻头。钻头结构钻头结构见图4所示。图4钻头结构图钻头配方设计根据文献2-

13、3，将钻头配方设计如下：骨架成分为WC，质量分数为40%;黏结成分为Ni、90Cu、Fe、Co、Mn,质量分数为60%;粉末粒径为0.071mm（200目）;金刚石体积分数为75%;其中主、辅磨料的比例可调。热压烧结设备实验中采用热压烧结法制造钻头，主要烧结设备的技术参数如下。烧结炉:KGPS100-1型中频感应电源,加热功率为100kW,中频频率为1000Hz。压力机:YH41-40C型单臂压力机，吨位为40T。测温仪:CIT型红外测温仪，测量范围为7001300C。混料混合粉料的制备方法采用机械球磨混料法，用感量为0.0001g的分析天平，按事先设计好的配方混料，装入混料瓶中球磨，球磨时间

14、大于24h。将混合好的粉料置入称量瓶中，并放入真空干燥器中保存、待用。热压烧结工艺热压烧结的步骤为:将组装好的模具放入中频炉热压机的工作台上,然后送电升温,当加热功率为2030kW时，烧结56min后先施加一定的初压（约20MPa），在烧结89min后升到烧结温度，此时应立即施以全压，并在该压力下保温35min。保温保压结束后，即可停电降温，但压力不卸，当温度降到700C。时，卸除压力，并将钻头的烧结模具移至保温箱中或放在空气中冷却到室温。新型孕镶金刚石钻头的钻进试验钻进试验条件、钻进规程参数室内微钻试验平台由Z32k钻床改造而成,试验时,将需要钻削的岩芯试样安装于岩芯座中。岩芯座由3个钻压传

15、感器支承,浮置于工作台上;工作台与给进油缸的活塞端部联接,由给进油缸控制工作台的升降,从而实现钻进或提钻动作,同时用给进油缸的工作压力控制钻压的大小。钻头安装于主轴端部,并由上部的可调速直流电机驱动回转。钻头回转切削岩样时,由于切向力的作用使岩芯座上的压板压在扭矩传感器的端部,通过测量该作用力的大小便可计算出切削扭矩的大小。在钻削过程中,可采集以下5个参数:钻压、扭矩位移、钻头转速及流量,然后计算出瞬时钻速,为研究岩石的可钻性和钻头的特性提供可靠的实验数据。数据采集及试验过程的控制均在计算机的操作界面上进行。钻进规程参数如下:钻头规格为Y36.5/21.5mm;冷却液为清水；泵量为15L/mi

16、n;钻机转速为1000r/min;钻压为300kg。钻进岩石及其力学性能试验时选取了坚硬致密弱研磨性的岩石:细中粒钾长花岗岩、红色花岗岩和白色花岗岩以及锆刚玉4种岩样,分别对这4种岩样进行了压入硬度和抗压强度测试,并对每种岩石进行可钻性分级,结果如表1所示。表1岩样力学性能参数及其可钻性分级岩石类型抗压强度/MPa压入硬度/MPa岩石可钻性级别白色花岗岩95.12036.217红色花岗岩81.83177.238细中粒钾长花岗岩142.35709.669锆刚玉5639821.2512钻进试验结果在钻进设备与钻进规程一定的条件下,分别用常规金刚石钻头,在微钻试验平台上进行钻进试验,发现常规金刚石钻

17、头进尺较缓慢,并出现打滑现象,而打滑地层新型孕镶金刚石钻头钻进进尺较快,钻头寿命也较高,且没有出现明显的打滑现象,该钻头的两个性能参数比常规金刚石钻头要好许多。钻进所得数据如表2所示。表2常规金刚石钻头、打滑地层新型孕镶金刚石钻头钻进结果岩石类型钻头类型平均时效/(mh1钻头平均磨损/(mgh-1)白色花岗岩常规金刚石钻头新型孕镶金刚石钻头2.284.25369455红色花岗岩常规金刚石钻头新型孕镶金刚石钻头1.283.92285398436498细中粒钾长花岗岩常规金刚石钻头2.36356新型孕镶金刚石钻头4.56487锆刚玉常规金刚石钻头3.17289新型孕镶金刚石钻头4.96426结论与

18、展望所研制的新型孕镶金刚石钻头通过主、辅磨料的共同作用,提高了主磨料的利用率,具有平均时效较高、钻头的寿命也相对较高的优点。在钻进坚硬致密的细中粒钾长花岗岩时,平均时效是常规金刚石钻头的1.88倍,钻头的平均磨损量是常规金刚石钻头的1.22倍。在极坚硬致密的锆刚玉中钻进时,钻头的平均时效是常规金刚石钻头的1.93倍,钻头的平均磨损量是常规金刚石钻头的1.38倍。同时,由于该新型孕镶金刚石钻头采用主、辅磨料共同作用的设计思路,从而大大降低了钻头的生产成本,因此在打滑地层钻进中有着良好的应用前景。另外,目前金刚石制品市场极其广阔,若将这种新型钻头的设计原理及制造工艺推广到其他加工硬、脆材料的金刚石

19、制品行业中,其应用前景也极为可观。参考文献1WC添加对热压铁基预合金粉末胎体性能的影响卩.孙吉伟，沈立娜.探矿工程(岩土钻掘工程).2019(03)2关于深孔岩心钻探中相关问题的探讨卩.陈古健.中国高新区.2018(08)3难钻进地层金刚石钻头的现状和发展趋势卩.蔡家品,贾美玲,沈立娜,欧阳志勇,阮海龙,张建元,赵尔信.探矿工程(岩土钻掘工程).2017(02)4坚硬地层NBS高效孕镶金刚石钻头的研究与应用卩.沈立娜,路禝,尹建民,阮海龙,吴海霞,李春.探矿工程(岩土钻掘工程).2017(01)5坚硬致密弱研磨性地层孕镶金刚石钻头性能优化卩.王佳亮,张绍和.煤田地质与勘探.2016(06)6高

20、胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头卩.李梦,苏义脑,孙友宏,高科.吉林大学学报(工学版).2016(05)7基于打滑地层的孕镶金刚石钻头设计卩.王佳亮,张绍和.地球科学.2016(05)8新型孕镶金刚石钻头研制及试验卩.关舒伟.石油钻探技术.2015(04)9胎体耐损性弱化孕镶金刚石钻头的试验及碎岩机理分析卩.王佳亮,张绍和.中南大学学报(自然科学版).2015(04)10一种切削-研磨型孕镶金刚石钻头的研制及应用卩.赵洪山,温林荣,张坤,朱孑明.石油机械.2014(06)11短碳纤维增强金刚石钻头铁基胎体性能的研究卩.沈立娜,阮海龙,欧阳志勇,吴海霞,李春.探矿工程(岩土钻掘工程).2014(03)12提高坚硬打滑地层金刚石钻进效率的试验卩.秦品光,贾中芳.工程建设.2013(04)13深孔钻探金刚石钻头技术研究卩.聂保刚,魏晓音.科技资讯.2012(27)14仿生耦合孕镶金刚石钻头的试验及碎岩机理分析卩.王传留,孙友宏,刘宝昌,王银霞.中南大学学报(自然科学版).2