坚硬致密地层孕镶金刚石钻头设计

坚硬致密地层孕镶金刚石钻头设计
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:①岩石硬度大,石英含量高。

其岩石压入硬度一般可达5000 M Pa ,其中部分在5500～6 500 M Pa 间, 个别甚至高达7 000 MPa 。

②强度高这类岩层的造岩矿物细,粒度多为0. 01～0. 20 m m , 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150 M Pa 或更高。

③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. 2 m /h 间;回次进尺仅0. 2 ～0. 5 m , 钻头使用寿命2 ～3 m 。

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:①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。

②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。

③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, 钻速下降很快,尖齿磨平后其优势不复存在,与普通钻头没有两样。

④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。

1 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”问题。

1.1 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:①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。

②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。

1.2 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。

2 钻头工作层中主、辅磨料的处理工艺
2.1 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, 混匀后放入真空蒸镀设备中镀覆。

镀覆温度为820 ℃,保温时间为1 h 。

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
2.2 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。

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. 5 kg ;工作转速为0 ～100 r /min ;容器倾斜角度为30 ～60°。

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
3 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。

3.1 钻头结构
钻头结构见图4 所示。

图4 钻头结构图
3.2 钻头配方设计
根据文献[ 2-3] , 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 、M n , 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。

3.3 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。

①烧结炉:KG PS100-1 型中频感应电源, 加热功率为100 kW , 中频频率为 1 000H z 。

②压力机:YH41-40C 型单臂压力机, 吨位为40 T 。

③测温仪:CIT 型红外测温仪, 测量范围为700 ～1 300 ℃。

3.4 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. 000 1 g 的分析天平, 按事先设计好的配方混料, 装入混料瓶中球磨, 球磨时间大于24 h 。

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。

3.5 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20 ～30 kW 时, 烧结 5 ～ 6 min 后先施加一定的初压(约20 M Pa),在烧结8 ～9 min 后升到烧结温度, 此时应立即施以全压, 并在该压力下保温3 ～5 min 。

保温保压结束后, 即可停电降温, 但压力不卸, 当温度降到700 ℃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。

4 新型孕镶金刚石钻头的钻进试验
4.1 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[ 4] :钻头规格为Υ36. 5 /21. 5m m ;冷却液为清水;泵量为15 L /min ;钻机转速为1 000 r /min ;钻压为300 kg 。

4.2 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。

4.3 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。

5 结论与展望
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、脆材料的金刚石制品行业中,其应用前景也极为可观。

参考文献
[1]WC添加对热压铁基预合金粉末胎体性能的影响[J]. 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[J]. 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[J]. 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[J]. 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[J]. 王佳亮,张绍和. 煤田地质与勘探. 2016(06)
[6]高胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头[J]. 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[J]. 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[J]. 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[J]. 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[J]. 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[J]. 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[J]. 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[J]. 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[J]. 王传留,孙友宏,刘宝昌,王银霞. 中南大学学报(自然科学版). 2011(05)
[15]金刚石锯齿形钻头在坚硬打滑地层中的应用[J]. 李和孝. 西部探矿工程. 2010(12)
[16]坚硬“打滑”地层孕镶金刚石钻头设计与选用[J]. 孙秀梅,刘建福. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2009(02)
[17]仿生孕镶金刚石钻头高效碎岩机理[J]. 徐良,孙友宏,高科. 吉林大学学报(地球科学版). 2008(06)
[18]热电材料热压烧结技术研究[J]. 李瑜煜,张仁元. 材料导报. 2007(07)
[19]打滑地层新型孕镶金刚石钻头[J]. 罗爱云,段隆臣,王伟雄,田永常. 地质科技情报. 2007(01)
[20]钻进打滑地层用孕镶金刚石钻头设计探讨[J]. 陆洪智,刘晓阳. 西部探矿工程. 2004(11)
[21]强、弱混镶新型金刚石钻头的研究[J]. 罗爱云,王伟雄,段隆臣. 金刚石与磨料磨具工程. 2003(02)
[22]稀土提高富铁胎体包镶金刚石能力的试验研究[J]. 王伟雄,段隆臣,田永常,邹庆化. 煤田地质与勘探. 2002(02)
[23]弱包镶金刚石钻头钻进坚硬致密岩层的研究[J]. 杨凯华,杨昌锐,张绍和. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2001(S1)
[24]新型金刚石孕镶块的研究[J]. 王镇全,王克雄,翟应虎,周伟汉,唐念登. 石油机械. 1999(10)
[25]对孕镶金刚石钻头磨损规律的探讨——钻头内径磨损常大于外径磨损的原因[J]. 鲁凡. 中南工业大学学报. 1997(06)
[26]岩石破碎机理在孕镶金刚石钻头设计中的应用[J]. 林雨. 西部探矿工程. 1994(06)
[27]孕镶金刚石钻头唇面磨损的研究[J]. D.N.WRIGHT,史连君. 国外地质勘探技术. 1991(08)
[28]孕镶金刚石钻头碎岩机理的模拟实验研究[J]. 吴斌,高森. 探矿工程. 1987(01)。