沈立娜,阮海龍

(北京探礦工程研究所,北京 100083)

國(guó)內(nèi)外金剛石鉆頭的部分技術(shù)進(jìn)展

沈立娜,阮海龍

(北京探礦工程研究所,北京 100083)

收集和介紹了一些國(guó)內(nèi)外金剛石鉆頭技術(shù)研究的發(fā)展前沿,從新材料新工藝的應(yīng)用、新設(shè)計(jì)思路、先進(jìn)設(shè)計(jì)手段等方面對(duì)金剛石鉆頭設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的最新進(jìn)展加以論述,可為國(guó)內(nèi)金剛石鉆頭的設(shè)計(jì)制造提供參考。

金剛石鉆頭;前沿技術(shù);復(fù)合片;水口

目前國(guó)內(nèi)外無(wú)論是小口徑地質(zhì)巖心鉆探,還是大口徑油氣田開(kāi)發(fā)鉆井,金剛石鉆探仍是主要的手段。隨著鉆探工程向深部、硬巖、復(fù)雜地層發(fā)展,同時(shí)要求更高的鉆孔質(zhì)量與鉆進(jìn)效率,對(duì)各種高性能鉆頭的需求量也大幅上升。因此,對(duì)金剛石鉆頭技術(shù)研究提出了更高的目標(biāo)。筆者收集了一些國(guó)內(nèi)外金剛石鉆頭技術(shù)研究的最新進(jìn)展,介紹了幾種先進(jìn)的鉆頭產(chǎn)品以及鉆頭設(shè)計(jì)系統(tǒng),為國(guó)內(nèi)金剛石鉆頭設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 金剛石鉆頭新型切削齒

1.1 NPDC

對(duì)于 PDC鉆頭,鉆頭的鉆進(jìn)效率和使用壽命主要取決于鉆頭的切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和復(fù)合片質(zhì)量。隨著技術(shù)發(fā)展,高抗沖擊、高耐磨、熱穩(wěn)定性強(qiáng)的復(fù)合片見(jiàn)諸世面。如史密斯公司研制的新型復(fù)合片 (NP2 DC),采用高耐磨、熱穩(wěn)定性強(qiáng)的人造金剛石層,再配以特殊形狀的硬質(zhì)合金后襯 (圖 1),采用預(yù)應(yīng)力粘結(jié)工藝。該復(fù)合片具有更高的抗沖擊性和耐磨性[1]。

通過(guò)改變界面的凹凸相貌,形成更大的接觸面積,從而加強(qiáng)粘結(jié)面積,增強(qiáng)該 PDC與鉆頭的結(jié)合強(qiáng)度,這可大大降低復(fù)合片脫落現(xiàn)象的發(fā)生幾率。

1.2 GH I熱壓鑲嵌齒

圖1 預(yù)應(yīng)力WC界面復(fù)合片硬質(zhì)合金后襯形狀

為解決油氣田硬巖鉆進(jìn)難的問(wèn)題,史密斯公司研制了一種 GH I熱壓鑲嵌齒。將該 GH I齒二次鑲焊于胎體中,形成超高工作層、多種切削機(jī)理的 Ki2 netic孕鑲金剛石鉆頭 (如圖 2所示)[2]。該種類鉆頭在刀翼上鑲嵌了特殊工藝材料的熱壓鑲嵌齒,這種凸起在孕鑲鉆頭胎體外部的 GH I熱壓鑲嵌齒較PDC更加堅(jiān)硬耐磨,鉆進(jìn)過(guò)程中,由于其降低了鉆頭表面與巖石的接觸面積,增加了單顆金剛石的工作壓力,在硬巖鉆進(jìn)中,金剛石產(chǎn)生新陳代謝加快,提高了鉆頭的鉆進(jìn)效率。該鉆頭配備渦輪或高速馬達(dá)更能體現(xiàn)出在硬巖鉆進(jìn)中的優(yōu)勢(shì)。

圖2 Kinetic孕鑲金剛石鉆頭

目前,我國(guó)也有類似產(chǎn)品,如北京探礦工程研究所研發(fā)的二次鑲嵌式金剛石鉆頭 (如圖 3所示),經(jīng)過(guò)幾年的試驗(yàn)推廣應(yīng)用,在大陸科學(xué)鉆探以及油氣田開(kāi)發(fā)鉆井施工等領(lǐng)域取得了很好的使用效果。該類型鉆頭采用特殊的胎體配方,通過(guò)一定的燒結(jié)工藝以及保護(hù)氣體焊接工藝手段,使其在硬巖鉆進(jìn)中,進(jìn)尺和壽命較常規(guī)金剛石或牙輪鉆頭可提高數(shù)倍,在西南地區(qū)鉆進(jìn)取得了良好的效果。但和 Kinetic相比,還存在一定的差距,在胎體粉料以及鑲嵌齒選材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面,有關(guān)人員正在進(jìn)一步研究當(dāng)中。

圖3 二次鑲嵌式金剛石鉆頭

2 金剛石鉆頭切削結(jié)構(gòu)新思路

在鉆頭設(shè)計(jì)的冠部布局方面,史密斯公司研發(fā)了一種ACS布齒形式。該布齒形式采用不同直徑(19、16、13 mm)的復(fù)合片交錯(cuò)布齒 (圖 4)。3種不同尺寸的復(fù)合片在孔底形成高底不平的切削槽。當(dāng)出現(xiàn)偏心旋轉(zhuǎn)時(shí),切削齒能咬合孔底的切削槽,產(chǎn)生垂直于軸向的復(fù)位力,使鉆頭恢復(fù)同心旋轉(zhuǎn)。因此ACS獨(dú)特的切削結(jié)構(gòu)可以極大增強(qiáng)鉆頭的穩(wěn)定性,從而提高鉆頭壽命,在硬巖鉆進(jìn)作業(yè)中取得了良好的效果[1,6]。

圖4 ACS混合布齒形式

3 金剛石鉆頭工作層結(jié)構(gòu)及水路設(shè)計(jì)新進(jìn)展

3.1 工作層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

金剛石鉆頭設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)為鉆速、使用壽命以及成本 3個(gè)方面的均衡考慮。國(guó)外在此方面優(yōu)先考慮鉆速與使用壽命 2個(gè)方面,通常采用優(yōu)級(jí)的原材料,雖然制造的成本會(huì)較高,但能取得較好的綜合鉆進(jìn)效率。

隨著粉末冶金技術(shù)的發(fā)展,在保證鉆頭胎體強(qiáng)度的前提下,通過(guò)增加鉆頭工作層高度來(lái)提高鉆頭使用壽命成為可能。目前新型金剛石鉆頭的工作層高度能比常規(guī)高出 1倍甚至數(shù)倍,從而獲得更高的使用壽命。

休斯·克里斯坦森所研制的 Dura孕鑲金剛石鉆頭如圖5所示。

圖5 Dura孕鑲金剛石鉆頭

該鉆頭采用優(yōu)質(zhì)級(jí)金剛石原材料,粗細(xì)粒度混合,工作層高度約 25 mm。該鉆頭能以較高的鉆速鉆進(jìn)硬巖,并且使用壽命比常規(guī)孕鑲金剛石鉆頭高出數(shù)倍至數(shù)十倍。

針對(duì)鉆進(jìn)中硬～堅(jiān)硬巖層時(shí)鉆頭鉆進(jìn)效率低、壽命短等情況,蔣青光等[7]研制了一種新型優(yōu)質(zhì)孕鑲金剛石鉆頭,該鉆頭運(yùn)用了交錯(cuò)式唇面和自形成同心圓齒設(shè)計(jì),以及金剛石在胎體中的有序排列技術(shù),提高了鉆頭的鉆進(jìn)效率及壽命。如圖 6所示,該自形成同心圓齒交錯(cuò)式唇面鉆頭,減少了工作中鉆頭唇面與巖石的接觸面積,提高了鉆頭對(duì)巖石的摩擦系數(shù)和摩擦力,有利于巖石體積破碎,提高碎巖效率;工作層胎體中金剛石按均勻有序方式排列,提高了金剛石的利用率,使鉆頭的鉆進(jìn)效率和使用壽命得到提高。

圖6 鉆頭唇面形狀圖

3.2 鉆頭水口設(shè)計(jì)

寶長(zhǎng)年公司研制的多水口鉆頭如圖 7所示,胎體高度達(dá) 25.4 mm。為保證胎體強(qiáng)度的同時(shí)又能滿足鉆頭的冷卻,除了在常規(guī)位置處以外,在高胎體中間位置設(shè)計(jì)了類似窗口的多層水口。該鉆頭通過(guò)增加鉆頭工作層等方式極大程度地提高了鉆頭的使用壽命[3]。

圖7 寶長(zhǎng)年公司的多水口金剛石鉆頭

北京探礦工程研究所研發(fā)的雙水口金剛石鉆頭(圖 8),經(jīng)過(guò)幾年的研究試驗(yàn),在全國(guó)各個(gè)勘探系統(tǒng)小口徑巖心鉆探深孔施工中取得了很好的使用效果,壽命亦較常規(guī)金剛石鉆頭高出數(shù)倍。

圖8 北京探礦工程研究所雙水口鉆頭

雙水口鉆頭一方面增加了過(guò)水面積,使得鉆頭冷卻效果得到更好的保證;另一方面,由于兩層水口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),相當(dāng)于鉆頭具備上下 2個(gè)工作層,提高了鉆頭的工作層高度,當(dāng)?shù)谝粚铀谔幪ンw工作將要結(jié)束時(shí),第二層水口處露出嶄新的胎體工作層,發(fā)揮新一輪的巖石破碎作用,從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命高效鉆進(jìn)。

4 金剛石鉆頭的先進(jìn)設(shè)計(jì)手段

目前幾個(gè)國(guó)際先進(jìn)的金剛石鉆頭廠家均采用計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)進(jìn)行鉆頭結(jié)構(gòu)以及鉆井狀態(tài)的模擬。如史密斯公司采用 I-DR ILL 4D模型設(shè)計(jì)系統(tǒng) (見(jiàn)圖 9)[5]。

圖9 I-DR ILL 4D模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)

該系統(tǒng)使用三維設(shè)計(jì)結(jié)合地質(zhì)信息系統(tǒng),能夠創(chuàng)建 6個(gè)自由度的三維模型,并根據(jù)地質(zhì)信息進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬仿真以及水力流體分析。可通過(guò)模擬結(jié)果隨時(shí)進(jìn)行改進(jìn),使鉆頭結(jié)構(gòu)、水路系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化。而目前國(guó)內(nèi)的鉆頭設(shè)計(jì)尚未達(dá)到如此先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬水平。雖然在鉆頭水力模擬上國(guó)內(nèi)也有些公司在使用,但并未得到推廣,這與國(guó)內(nèi)鉆探缺乏強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐與技術(shù)支持有很大關(guān)系,收集鉆井?dāng)?shù)據(jù)資料,及時(shí)整合成強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù),是日后建立計(jì)算機(jī)模擬必經(jīng)的重要途徑。

5 結(jié)論

由以上分析與介紹可見(jiàn),國(guó)外先進(jìn)金剛石鉆頭在鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面取得了新的技術(shù)進(jìn)展,在切削齒、冠部形狀布齒以及鉆頭工作層水路的設(shè)計(jì)上,均有了新的突破。我國(guó)雖然也有相應(yīng)發(fā)展,但在材料及其工藝設(shè)計(jì)以及計(jì)算機(jī)模擬領(lǐng)域存在著很大的差距,胎體材料的設(shè)計(jì)改進(jìn)與鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)的建立,是今后金剛石鉆頭設(shè)計(jì)制造的重要發(fā)展路線。

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[3] Boart Longyear.Global Products Catalogue——LONGYEAR Bits and Accessories[EB/OL].http://viewer.zmags.com/publica2 tion/1259a328/28,2009-08.

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Some Techn icalDevelopment of D iamond Bit Both in China and Abroad

SHEN Li-na,RUAN Hai-long(Beijing Institute of Exploration Engineering,Beijing 100083,China)

This paper introduced the development frontierof diamond bit both in China and abroad.The latest development of diamond bit design and manufacture technologywere described in the application of new process and new materials,new design ideas and advanced design methods.

diamond bit;frontier technology;PDC;waterway

P634.4+1

A

1672-7428(2011)05-0078-03

2010-07-28;

2011-03-08

沈立娜(1985-),女(漢族),天津人,北京探礦工程研究所助理工程師,碩士,探礦工程專業(yè),從事鉆頭技術(shù)研發(fā)工作,北京市海淀區(qū)學(xué)院路 29號(hào)探工樓 207室,shenlinas@yahoo.com.cn。