張獻(xiàn)振,劉寶昌,2,3,盧 彬,趙生慶

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130026;2.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 130025;3.吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林長(zhǎng)春 130012;4.吉林省地質(zhì)工程勘察院,吉林長(zhǎng)春 130012;5.吉林省地礦勘察設(shè)計(jì)研究院,吉林長(zhǎng)春 130061)

尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭在油頁(yè)巖礦區(qū)的鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)

張獻(xiàn)振1,劉寶昌1,2,3,盧 彬4,趙生慶5

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130026;2.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 130025;3.吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林長(zhǎng)春 130012;4.吉林省地質(zhì)工程勘察院,吉林長(zhǎng)春 130012;5.吉林省地礦勘察設(shè)計(jì)研究院,吉林長(zhǎng)春 130061)

松遼盆地青山口組和嫩江組含油頁(yè)巖系,夾有數(shù)十層白云巖透鏡體或條帶。在對(duì)該油頁(yè)巖系進(jìn)行鉆探時(shí),由于經(jīng)常遇到硬度較大的白云巖層,使用普通的硬質(zhì)合金鉆頭不僅進(jìn)尺極其緩慢,而且鉆頭損壞嚴(yán)重,壽命短。為解決此鉆探難題,研制開(kāi)發(fā)具有高耐磨性和穿透能力強(qiáng)的鉆頭勢(shì)在必行。為此,研發(fā)了尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭,并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,這種鉆頭在含白云巖層的油頁(yè)巖地層鉆進(jìn)時(shí),不僅鉆進(jìn)速度高,而且具有高耐磨性、壽命長(zhǎng),其綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)硬質(zhì)合金鉆頭。

松遼盆地;油頁(yè)巖;白云巖層;鉆探;尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭

1 概述

松遼盆地深井子油頁(yè)巖礦區(qū)地層主要由砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、頁(yè)巖、油頁(yè)巖組成,成分大多以泥質(zhì)膠結(jié),屬于可鉆性較好的地層,其地層綜合柱狀圖如圖1所示[1]。2006年,殼牌石油公司使用美國(guó)長(zhǎng)年公司的復(fù)合片鉆頭在此礦區(qū)鉆探,由于鉆頭結(jié)構(gòu)和水路系統(tǒng)不合理,在鉆進(jìn)時(shí)造成糊鉆、燒鉆、吸附性卡鉆等事故,嚴(yán)重影響鉆進(jìn)效率[2]。2010年吉林省地礦建設(shè)集團(tuán)有限公司在深井子礦區(qū)ZK4197孔鉆井過(guò)程中使用常規(guī)硬質(zhì)合金鉆頭,但由于嫩江組部分地層泥巖結(jié)構(gòu)非常致密,且?jiàn)A有較硬的白云巖巖脈(如圖2),常規(guī)硬質(zhì)合金鉆頭在孔底出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,并很快被磨鈍。使用金剛石鉆頭時(shí),由于金剛石不易出刃,造成不進(jìn)尺或進(jìn)尺極其緩慢。因此選擇一種適應(yīng)該礦區(qū)地層的新型鉆頭顯得極其重要。

2 鉆頭選擇

深井子礦區(qū)ZK4197孔上部砂層遇水易水化,孔壁極易發(fā)生縮頸和塌陷現(xiàn)象,當(dāng)遇到白云巖層(“打滑”地層)時(shí)使用硬質(zhì)合金鉆頭不進(jìn)尺,施工人員便加壓鉆進(jìn),最終使鉆桿成為繩狀搖擺,鉆桿接手?jǐn)嗔?進(jìn)而容易造成鉆桿斷裂,給施工帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失。

金剛石復(fù)合片鉆頭(Polycrystalline Diamond Compact Bit),簡(jiǎn)稱(chēng)PDC鉆頭。它由鉆頭體和切削齒兩部分組成。其鑲焊形式類(lèi)似于硬質(zhì)合金鉆頭,其碎巖原理以及鉆進(jìn)規(guī)程也類(lèi)似于硬質(zhì)合金鉆進(jìn),對(duì)巖石主要以切削碎巖方式為主。這種鉆頭無(wú)活動(dòng)零件,具有高效切削作用,鉆頭壽命長(zhǎng),機(jī)械鉆速和耐磨性較其它類(lèi)型鉆頭高,但抗沖擊性能較差[3]。常規(guī)PDC鉆頭一般采用圓片狀金剛石復(fù)合片作為切削具?？紤]到本礦區(qū)的地層特點(diǎn),依據(jù)巖石破碎學(xué)中楔形壓頭碎巖比功較小的理論[4],為提高鉆進(jìn)效率,同時(shí)解決某些孔段鉆頭不易進(jìn)尺的難題,本文選擇了內(nèi)徑58 mm、外徑91 mm的尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭,以減少鉆頭切削刃與孔底的接觸面積。在鉆進(jìn)過(guò)程中,由于鉆頭底唇面與地層接觸面積小,受力集中,齒下巖石在較大的接觸應(yīng)力作用下產(chǎn)生破裂裂紋,因此尖齒比較容易吃入地層[5]。使用該類(lèi)型鉆頭在吉林省地礦建設(shè)集團(tuán)有限公司施工現(xiàn)場(chǎng)減壓低速的情況下進(jìn)行了鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)使用的硬質(zhì)合金鉆頭和實(shí)驗(yàn)用尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭見(jiàn)圖3～5。

圖3 硬質(zhì)合金鉆頭

圖4 尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭

圖5 尖齒狀金剛石復(fù)合片切削齒形狀

3 尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭設(shè)計(jì)和制造

3.1 鉆頭設(shè)計(jì)

金剛石復(fù)合片鉆頭的基體分為鋼體式和胎體式,本文采用鋼體式。金剛石復(fù)合片的直徑為13 mm,厚度為8 mm(其中金剛石聚晶層厚1 mm,硬質(zhì)合金基片厚7 mm)。復(fù)合片的切割主要有近紅外Nd:YA G激光切割方法與電火花線(xiàn)切割方法。由于電火花線(xiàn)切割會(huì)造成金剛石層與硬質(zhì)合金層界面處存在金屬鈷過(guò)量去除現(xiàn)象,出現(xiàn)較多明顯的凹槽[6],故本文采用了脈寬較窄的近紅外Nd:YAG激光切割方法,使得復(fù)合片切割速度和切割質(zhì)量均有很大程度的提高。圖6為尖齒狀復(fù)合片鉆頭示意圖,鉆頭由8塊復(fù)合片尖齒焊接在鉆頭鋼體上,每2塊焊接在一起,相對(duì)稱(chēng)的4塊尖齒數(shù)相同,分別采用了單塊三齒和單塊四齒的復(fù)合片,這樣在鉆進(jìn)巖層的過(guò)程中對(duì)巖層的切削有互補(bǔ)作用。鉆頭有4個(gè)拋物線(xiàn)狀水口,這樣更利于泥漿液對(duì)鉆頭底唇面的冷卻。

圖6 尖齒狀復(fù)合片鉆頭示意圖

3.2 鉆頭制造

考慮到復(fù)合片金剛石層的熱穩(wěn)定極限溫度只有700℃,超過(guò)極限溫度,復(fù)合片金剛石層的抗磨能力下降,影響鉆頭的使用壽命,對(duì)鉆頭鋼體和復(fù)合片的焊接采用高頻感應(yīng)加熱釬焊與氧-乙炔火焰釬焊相結(jié)合的釬焊方法。即焊前進(jìn)行切削齒穴粗化處理、切削齒氧化處理等工作,先采用高頻感應(yīng)進(jìn)行局部焊接,然后采用氧-乙炔火焰釬焊的方法,然后放入400～500℃的電阻爐中進(jìn)行隨爐降溫冷卻,最后取出成品鉆頭。

4 實(shí)鉆試驗(yàn)

4.1 鉆探設(shè)備及鉆具結(jié)構(gòu)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,選擇了XY-6B型鉆機(jī),BW-250型泥漿泵,A Y-12型鉆塔,塔高1315 m。

鉆具結(jié)構(gòu)組合:“91 mm鉆頭+“73 mm巖心管+“68 mm鉆鋌8根+“60 mm鉆桿+扁六方鉆桿[5]。

4.2 鉆進(jìn)參數(shù)

由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)油頁(yè)巖地層含有白云巖硬夾層,尖齒狀金剛石復(fù)合片在高速鉆進(jìn)中容易崩齒,因此需要較低的鉆壓和轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)際采用的鉆壓是5 kN,轉(zhuǎn)速為200～260 r/min,沖洗液泵量為90 L/min[7]。

4.3 試驗(yàn)情況及效果

為說(shuō)明尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭的鉆進(jìn)效果,將其與在同礦區(qū)使用的硬質(zhì)合金鉆頭的鉆進(jìn)情況進(jìn)行了對(duì)比。

在相同地層,鉆壓5 kN、鉆速200～260 r/min、泵壓6 MPa的情況下,硬質(zhì)合金鉆頭在深井子礦區(qū)ZK5789孔的進(jìn)尺情況如表1所示。

表1 硬質(zhì)合金鉆頭進(jìn)尺情況

尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭在深井子礦區(qū)ZK4197孔的進(jìn)尺情況如表2所示。

表2 尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭進(jìn)尺情況

此次實(shí)驗(yàn)一共使用了6只復(fù)合片鉆頭,每個(gè)鉆孔實(shí)驗(yàn)2只,對(duì)3個(gè)鉆孔進(jìn)行了鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn),硬質(zhì)合金鉆頭和尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭的綜合鉆進(jìn)效果對(duì)比如表3所示。

表3 鉆頭總進(jìn)尺和總花費(fèi)時(shí)間及平均機(jī)械鉆速對(duì)比表

5 試驗(yàn)效果分析

5.1 鉆探技術(shù)效果分析

從表1～3可以看出,與硬質(zhì)合金鉆頭相比,尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)效率高,回次鉆進(jìn)時(shí)間縮短,平均機(jī)械鉆速也提高很多。在打滑地層用此鉆頭無(wú)論是鉆進(jìn)花費(fèi)時(shí)間還是機(jī)械鉆速都要優(yōu)于硬質(zhì)合金鉆頭,平均機(jī)械鉆速2182 m/h,是硬質(zhì)合金鉆頭平均機(jī)械鉆速(114 m/h)的2倍多。鉆頭壽命最高可達(dá)227165 m,遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金鉆頭(硬質(zhì)合金鉆頭在該礦區(qū)的壽命一般不超過(guò)20 m)。

5.2 經(jīng)濟(jì)性分析

(1)尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭現(xiàn)場(chǎng)使用報(bào)廢前不用換鉆頭,而使用硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)時(shí),每鉆進(jìn)一個(gè)回次就要換一次鉆頭。在白云巖層每只硬質(zhì)合金鉆頭的壽命大約20 m,鉆孔深度按照600 m計(jì)算,大約要使用硬質(zhì)合金鉆頭30只,每只硬質(zhì)合金鉆頭的價(jià)格在80元左右,使用鉆頭總費(fèi)用約2400元。

(2)根據(jù)圖1可以看出,白云巖地層在150～300 m之間較多,其它地層泥巖砂巖居多,用尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭易鉆進(jìn),鉆頭磨損少,經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)用2只鉆頭就可以完成600 m整個(gè)鉆孔的鉆進(jìn)工作。每只尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭的價(jià)格為2900元,鉆頭總費(fèi)用5800元。鉆頭的費(fèi)用將提高5800-2400=3400元。

(3)按照Z(yǔ)K4197孔有100 m難鉆進(jìn)“打滑”地層計(jì)算,硬質(zhì)合金鉆頭用時(shí)100/114=71 h,尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭平均鉆速為(311+311+215+216+2169+2193)/6=2182 m/h,用時(shí) 100/2182=35 h,節(jié)省 71-35=36 h。

(4)現(xiàn)場(chǎng)人員費(fèi)用是70元/天,一班4個(gè)人,一個(gè)班工作8 h,3個(gè)班連續(xù)接替鉆進(jìn),僅人員費(fèi)用每天可以節(jié)省70元/人×4人/班×3班/天×36/24=1260元?，F(xiàn)場(chǎng)每24 h消耗燃料費(fèi)用約1400元,節(jié)省36 h意味著節(jié)省燃料費(fèi)用約2100元左右。費(fèi)用上可以近似抵消,時(shí)間上減少了36 h,即縮短了36 h的工期,提高了施工現(xiàn)場(chǎng)整體的效率。預(yù)計(jì)若額外的36 h繼續(xù)鉆進(jìn),可比硬質(zhì)合金鉆進(jìn)提高產(chǎn)值約300元/m×(2182-114)m/h×36 h=15336元。

由以上分析可以得知,采用尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭,一個(gè)鉆孔可以節(jié)省大于36 h的時(shí)間,提高了施工效率,如換算成產(chǎn)值,預(yù)計(jì)可提高15336元的產(chǎn)值,這對(duì)施工單位來(lái)說(shuō)是非常劃算的。6 結(jié)論

(1)在松遼盆地深井子油頁(yè)巖礦區(qū)白云巖層的鉆采施工中,常規(guī)硬質(zhì)合金鉆頭出現(xiàn)打滑進(jìn)尺極其緩慢、壽命短現(xiàn)象,使用尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)速度快,而且具有高耐磨性、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn),這些都優(yōu)于常規(guī)硬質(zhì)合金鉆頭。

(2)使用尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭為現(xiàn)場(chǎng)鉆采提高了效率,縮短了工期,降低了施工成本,整體的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)硬質(zhì)合金鉆頭。

(3)油頁(yè)巖礦區(qū)由于地層條件,長(zhǎng)期使用常規(guī)硬質(zhì)合金鉆頭。此次使用金剛石復(fù)合片鉆頭大大加快了油頁(yè)巖礦區(qū)白云巖層的鉆采速度,并開(kāi)辟了新的思路。今后的應(yīng)用前景非常可觀(guān)。

[1] 劉招君,楊虎林,董清水,等.中國(guó)油頁(yè)巖[M].北京:石油工業(yè)出版社,2009.

[2] 遲玉亮.奇偶齒魚(yú)脊式聚晶鉆頭的設(shè)計(jì)及在油頁(yè)巖地層的鉆進(jìn)效果[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2007,34(3).

[3] 張藝瀚,王希勇.PDC鉆頭在沙南油田沙丘3井區(qū)的推廣應(yīng)用[J].西部探礦工程,2005,(2).

[4] 張祖培,劉寶昌.碎巖工程學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,2004.

[5] 鄒德永.新型 PDC鉆頭切削齒的發(fā)展[J].石油鉆探技術(shù),2003,(6).

[6] 吳煜,張高峰.聚晶金剛石的Nd:YAG激光切割與電火花線(xiàn)切割損傷分析[J].中國(guó)機(jī)械工程,2010,(5).

[7] 趙生慶,盧彬,李錄波,李強(qiáng).松原油頁(yè)巖地層硬質(zhì)合金裸孔鉆進(jìn)技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009,36(10).

Drilling Experiments of Teeth2shaped PDC Bit in Shenjingzi Oil Shale Mining Area of Song Liao Basin

Z HA N G Xian-zhen1,L IU Bao-chang1,2,3,LU Bin4,Z HAO Sheng-qing4(1.College of Construction Engineering,Jilin Universi2 ty,Changchun Jilin 130026,China;2.Key Laboratory of Bionic Engineering,Jilin University,Ministry of Educa-tion,Changchun Jilin 130025,China;3.National Key Laboratory of Superhard Materials,Jilin University,Chang-chun Jilin 130012,China;4.Jilin Investigation and Design Institute of Geology and Minerals,Changchun Jilin 130061,China;5.Geo2engineering Investigation Institute of Jilin Province,Changchun Jilin 130012,China)

There are often dozens of layers of dolomite body or bands embedded in oil shale formation in Qingshankou and Nenjiang group at Song Liao basin.While drilling in above mentioned oil shale formations,dolomite interlayers with relatively high hardness were often encountered.If ordinary tungsten carbide cutter drilling bit was used,not only the footage was too slow in drilling process,but also the bit was seriously damaged.To solve above drilling problems,the development of new drilling bit with high wear resistance and high penetration ability was eagerly nee-ded.In this paper,a new type of teeth-shaped PDC bit was designed and manufactured.Field drilling experiments using these teeth-shaped PDC bits were conducted and their drilling performances were compared with those of tung-sten carbide bits.The results indicated that the new teeth2shaped PDC bit demonstrated high rate of penetration,high wear resistance and long service life while drilling in oil shale formation containing dolomite interlayer.The technical and economical index of teeth-shaped PDC drill bit was better than that of conventional tungsten carbide cutter bits.

Song Liao basin;oil shale;dolomite interlayer;drilling;teeth-shaped PDC bit

P634.4+1

A

1672-7428(2011)08-0064-04

2011-03- 13;

2011-05-09

中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目“土壤洞穴動(dòng)物趾形仿生鉆頭研究”(20080430158);國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目“硬巖鉆進(jìn)用仿生結(jié)構(gòu)金剛石復(fù)合片及鉆頭研究”(200902487)、“仿生非光滑表面PDC復(fù)合齒切削巖石防粘機(jī)理研究”(51004052)

張獻(xiàn)振(1987-),男(漢族),山東臨清人,吉林大學(xué)在讀碩士研究生,地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè),主要從事鉆探用超硬材料與鉆頭的研究,吉林省長(zhǎng)春市東民主大街吉林大學(xué)前衛(wèi)北區(qū)三舍526,zxz1087@163.com;劉寶昌(1975-),男(漢族),吉林梨樹(shù)人,吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院及超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授、工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后、美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者,地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè),主要從事鉆探新技術(shù)、超硬復(fù)合材料及鉆頭、仿生技術(shù)在鉆探中的應(yīng)用等研究工作。