阮海龍,紀衛(wèi)軍,沈立娜,歐陽志勇

(北京探礦工程研究所,北京 100083)

針對復雜地層金剛石鉆頭的改進與應用

阮海龍,紀衛(wèi)軍,沈立娜,歐陽志勇

(北京探礦工程研究所,北京 100083)

復雜地層的鉆進與取樣問題一直是鉆探行業(yè)的一個技術難題。由于地層結(jié)構(gòu)的雜亂無規(guī)律、軟硬互夾層多、換層頻繁以及破碎層硬、脆、碎的特性,使得在鉆探施工過程中鉆頭壽命低下,頻繁提下鉆導致坍孔、掉塊、縮徑、漏失、涌水等事故經(jīng)常發(fā)生,鉆探效率難以提高。針對以上問題,根據(jù)目前鉆探施工普遍采用的金剛石繩索取心鉆探工藝,通過試驗對金剛石鉆頭進行設計與改進,提高鉆頭的鉆進效率與使用壽命,可大幅提高鉆探效率并減少事故發(fā)生率,從而取得良好的經(jīng)濟效益。

金剛石鉆頭;繩索取心鉆進;復雜地層;鉆進效率;使用壽命

復雜地層是指在鉆探施工過程中容易出現(xiàn)坍孔、掉塊、縮徑、漏失、涌水等孔內(nèi)復雜情況的地層。該地層以其可預見性差 (結(jié)構(gòu)雜亂無規(guī)律)、可鉆性差 (軟硬互夾層多、換層頻繁)以及穩(wěn)定性差 (易發(fā)生坍孔、掉塊、縮徑、漏失、涌水等孔內(nèi)事故)的特點,成為鉆探行業(yè)的一個難題。

目前金剛石繩索取心鉆進工藝以其鉆進效率高、勞動強度低、鉆孔穩(wěn)定性好等優(yōu)點,被鉆探行業(yè)所普遍采用。同時這種鉆探工藝對金剛石鉆頭也提出了更高的要求,需要更高的鉆進效率以及更長的使用壽命。而在復雜地層條件下鉆進,常規(guī)金剛石鉆頭由于孔底情況復雜,經(jīng)常發(fā)生超前磨損或非正常磨損而失效,從而導致鉆進效率低、壽命低的情況,難以達到鉆探工藝的要求。

1 復雜地層下金剛石鉆頭失效分析

1.1 內(nèi)外保徑早期磨損

(1)巖層研磨性強;(2)由于巖心破碎,鉆進過程中巖心不能順利進入內(nèi)管,或發(fā)生巖心堵塞現(xiàn)象,造成巖心在鉆頭內(nèi)徑處消耗,從而導致鉆頭內(nèi)保徑超前磨損失效。

1.2 水口沖蝕嚴重

(1)巖層研磨性強,沖洗液含砂量高;(2)鉆頭胎體偏軟。

1.3 胎體掉塊

(1)下鉆時遇探頭石或脫落巖心,因掃孔而磕裂;(2)鉆進過程中遇硬、脆、碎地層,鉆具振動幅度大,導致鉆頭胎體產(chǎn)生裂紋,進而發(fā)展成掉塊。

1.4 鋼體磨損嚴重

(1)孔壁穩(wěn)定性差、易坍塌、掉塊,導致鋼體外部磨損;(2)巖心破碎不能順利進入內(nèi)管,在卡簧座與鉆頭鋼體間相磨,導致鋼體內(nèi)部磨損。

1.5 鉆頭不進尺

(1)鉆頭胎體硬度太高,遇硬夾層拋光打滑;(2)胎體太軟,工作層過度消耗。

2 復雜地層用金剛石鉆頭的設計要點及制造工藝

針對復雜地層的特點以及金剛石鉆頭失效原因的分析,對常規(guī)金剛石鉆頭加以改進,設計并制造一種高鉆速、高壽命的金剛石鉆頭。

2.1 胎體性能及制造工藝的設計

金剛石鉆頭胎體的性能指標主要有硬度、耐磨性、抗沖蝕性、抗彎強度、抗沖擊韌性以及對金剛石的包鑲能力等。針對復雜地層,胎體硬度應選擇在偏中等的 HRC32～HRC38之間,以確保在軟層或硬層均能獲得良好的鉆進效率和使用壽命。胎體的其他性能指標需比常規(guī)金剛石鉆頭提高 20%以上,以確保鉆頭能夠承受井底復雜情況的考驗,為此采取以下方法。

(1)使用納米級的超細胎體粉末材料 (圖 1a)。使用該材料與傳統(tǒng)材料 (圖 1b)制作的胎體相比較,能在胎體硬度相對較低的情況下獲得更高的耐磨性與抗沖擊韌性。這樣更有利于鉆頭在工作過程中保持很好的金剛石出刃而胎體損耗較慢,使鉆頭鉆進效率與使用壽命大大提高。

圖 1 超細胎體粉末材料與傳統(tǒng)材料制作的胎體比較圖

(2)使用氫還原脫氧處理胎體粉末材料。該工藝使金屬粉末表面氧化物的被還原以及變形粉末的再結(jié)晶,使粉末顆粒相互結(jié)合提高粘結(jié)強度,使胎體獲得更高金剛石包鑲能力、力學強度以及與鋼體的粘結(jié)牢度。

(3)采用低溫熱壓燒結(jié)工藝。金剛石在溫度超過 800℃時就會發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生熱損傷使強度下降。該工藝的制造溫度不超過 720℃,能最大程度地減少金剛石因高溫而產(chǎn)生的熱損傷,保護金剛石的碎巖能力。

2.2 金剛石濃度、粒度的選擇

金剛石濃度、粒度的選擇對鉆頭壽命以及鉆進效率具有重要的影響作用。

濃度偏高,鉆頭胎體端面的金剛石與巖石的接觸面積增大,單粒金剛石所承受的壓力較小,相應壓入巖石的深度減小。當金剛石上的壓強小于巖石的抗壓強度時,金剛石就不能壓入巖石,表現(xiàn)為鉆頭打滑不進尺。相反,濃度偏低一是不能布滿唇面的環(huán)狀面積,出現(xiàn)大面積的金剛石空白區(qū),二是造成單粒金剛石上的壓強太大,在新的金剛石未出露之前,已出露的金剛石就過早地磨損或崩刃、脫粒,導致鉆進狀況惡化,甚至停鉆。

金剛石鉆頭的粒度設計與巖層的完整度、硬度、鉆進參數(shù)、金剛石的其他參數(shù) (濃度)有關。具體設計金剛石粒度可按預期鉆速 v進行考慮。

式中:v——預期機械鉆速 ,cm/min;QD——每粒金剛石的質(zhì)量,g;P——鉆頭上施加的壓力,kg;n——鉆頭轉(zhuǎn)速,r/min;M——金剛石的濃度,%;PD——工作金剛石與巖石接觸面上的單位壓力,kg/cm2;SD——每粒工作金剛石與巖石接觸的面積 cm2;ε——鉆頭端面有效系數(shù)。

在復雜地層條件下,巖心鉆探的預期鉆速選擇在時效 115～215 m,以確保鉆孔的穩(wěn)定性和安全性。可采用不同粒度 (20～60目)的金剛石混鑲,濃度選擇在 70%～80%。由于其金剛石粒度大小不一,在鉆進過程中造成眾多的出刃高度不等的金剛石,在切削巖石時形成眾多的微切削溝槽,其深度參差不齊,形成若干自由面,從而提高鉆頭的破巖效率。

2.3 鉆頭結(jié)構(gòu)的設計

在復雜地層條件下,鉆頭的唇部造型應采用尖槽同心圓結(jié)構(gòu) (圖 2)。該造型增加了鉆頭底面的自由切削面,增強鉆頭對巖石的研磨能力,而且尖齒的側(cè)面還能對巖石產(chǎn)生擠壓破碎作用,具有更好的破巖效率。同時該造型能使鉆頭在工作過程中獲得更好的穩(wěn)定性,以防止出現(xiàn)孔斜等情況發(fā)生。

圖 2 尖齒同心圓唇面造型

為減輕胎體的沖蝕磨損狀況,在難以降低鉆井液含砂量時,適當增加水口寬度或增加底噴水眼,通過增加鉆頭的過水面積以減弱鉆井液的沖蝕性。

2.4 保徑的加強

在復雜地層條件下,金剛石鉆頭的保徑能力是鉆頭使用壽命的關鍵。尤其是內(nèi)保徑,通常發(fā)生提前磨損,導致巖心變粗不能順利進入內(nèi)管而產(chǎn)生堵心。目前人造孕鑲金剛石鉆頭通常采用圓柱狀聚晶保徑。聚晶的特點為耐磨性強,但克取巖石的能力弱。

在強研磨性地層中,常規(guī)的保徑方式由于圓柱狀聚晶 (圖 3a)工作面小而很快磨損導致鉆頭失效。為此,保徑層采用方聚晶 (圖 3b),通過增加聚晶的工作體積來加強保徑能力,能起到非常好的效果。為避免因聚晶過多參與碎巖過程而導致鉆速降低,在聚晶的排列上采用三角形排布,靠近鋼體端排布多,向工作層端遞減,如圖 4所示。

圖 3 保徑聚晶示意圖

圖 4 聚晶排布形式

3 復雜地層用金剛石鉆頭的試驗應用

3.1 試驗區(qū)地層情況

試驗區(qū)為甘肅武山溫泉鉬礦,位于隴南成礦帶的北西部,受多次地殼及造山運動影響,地層均為碎裂狀。巖層主要為花崗類巖漿巖,呈破碎、分化程度不一、結(jié)構(gòu)雜亂無規(guī)律、變層快的特點。鉆孔地層全孔破碎、坍塌掉塊、漏水,施工難度很大,絕大多數(shù)鉆孔是在施工過程中出現(xiàn)事故而停在礦層中造成鉆孔報廢,鉆孔鉆進效率及完鉆率極低。

3.2 鉆頭試驗應用情況

所選試驗孔為該礦區(qū)ZK16-8號孔,設計孔深800 m,設備為 XY-44型地質(zhì)勘探巖心鉆機,BW-150型泥漿泵,兩級泥漿池沉淀除砂。施工工藝為開孔后孔口下套管護孔,接著采用 S75加重型金剛石繩索取心鉆進。

該孔由于地層研磨性強、易縮徑、孔壁巖塊易探出等原因,經(jīng)常出現(xiàn)換新鉆頭后下鉆需掃孔,而掃到底后進尺不了幾米鉆頭就已經(jīng)報廢,頻繁提鉆導致鉆孔事故頻發(fā),鉆探效率低下。為提高鉆頭壽命而試用的一些胎體硬度在 HRC40以上的金剛石鉆頭,雖然個別壽命能達 30 m以上,卻表現(xiàn)為進尺慢 (純鉆進時效不到 1 m),回次時間過長導致破碎巖心自磨消耗,巖心采取率低,并且鉆桿內(nèi)壁起厚泥皮導致打撈時鋼絲繩拉斷、內(nèi)管打撈失敗等情況經(jīng)常發(fā)生。常規(guī)金剛石鉆頭在該孔平均壽命不到 16 m。

針對復雜地層,在該孔 610 m以下深部事故易發(fā)生井段試驗 5個金剛石鉆頭,累計進尺 193 m,并使該孔順利終孔,鉆頭平均使用壽命達 38 m以上,純鉆進時效 118 m以上,既提高了鉆進效率,又降低了事故發(fā)生率,取得了良好的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

(1)采用納米級超細金剛石胎體粉末材料,并用氫還原脫氧工藝對粉末材料進行處理后進行燒結(jié),提高了胎體的耐磨性、抗沖擊韌性、抗沖蝕性以及對金剛石的包鑲能力等性能指標。

(2)使用低溫熱壓燒結(jié)工藝,減少了金剛石因高溫而產(chǎn)生的熱損傷,保護了金剛石的碎巖能力。

(3)選用合適的鉆頭底唇面造型,提高了鉆頭的碎巖能力及鉆進過程的穩(wěn)定性。

(4)采用方聚晶保徑,并改進保徑層的結(jié)構(gòu),大大加強了鉆頭的保徑能力。

(5)選用混鑲粒度的金剛石及合適的金剛石濃度,提高了鉆頭對復雜地層的適應性。

[1] 劉廣志,等.金剛石鉆探手冊[M].北京:地質(zhì)出版社,1991.

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[3] 舒智.復雜地層深孔鉆進關鍵技術的探討與實踐[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2009,36(S1).

[4] 王孟君,羅云,劉心宇,等.高能球磨制備納米級 WC/Cu復合粉末的研究[J].金屬熱處理,2004,29(9).

[5] 易忠來,邵剛勤,段興龍,等.直接還原碳化法制備納米復合WC-Co粉末[J].功能材料,2004,(S1).

I mprovement and Application of Diamond Bit for Drilling in Complex Formation

RUAN Hai-long,JI Wei-jun,SHEN Li-na,OUYANG Zhi-yong(Beijing Institute of Exploration Engineering,Beijing 100083,China)

There are lots of drilling and coring difficulties for exploration engineering in complex formations.The formation structure is usually unstable and broken with soft and hard layers interbedded,which makes the service life of drilling bit very short;and the accidents,such as hole collapse,block2falling,diameter shrinkage,leakage and water gushing,hap-pen frequently,the drilling efficiency is hard to be improved.According to these problems,based on diamondwire-line co-ring drilling technology in current drilling engineering and by design improvementon diamond bit in tests,drilling efficiency and service life of drilling bit were both improved with drilling efficiency significantly increased and drilling accident re-duced.

diamond bit;wire2line coring drilling;complicate formation;drilling efficiency;service life of bit

P634.4+1

A

1672-7428(2010)01-0067-03

2009-11-13

阮海龍 (1984-),男 (漢族),浙江人,北京探礦工程研究所工程師,勘查技術與工程專業(yè),從事金剛石鉆頭的設計及制造工藝、鉆具的設計及制造工藝研究工作,北京市海淀區(qū)學院路 29號探工樓 604,dbksda@163.com。