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 。
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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。
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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。
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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。
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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
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坚硬致密地层孕镶金刚石钻头设计 - 图文
