王野梁

摘 要：介紹了旋轉(zhuǎn)井壁取芯器鉆頭的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。將12種取芯鉆頭的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行綜合對(duì)比。為了確定每種鉆頭對(duì)不同巖性地層的適用性能，設(shè)計(jì)了模擬地層取芯的實(shí)驗(yàn)。采集12種取芯鉆頭分別在0～40公斤的鉆壓下對(duì)五種不同巖石樣本（石灰?guī)r、花崗巖、粗砂巖、細(xì)砂巖和泥質(zhì)砂巖）進(jìn)行模擬取芯的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。將實(shí)時(shí)記錄的扭矩、鉆速和功率的變化曲線配合每種鉆頭的各項(xiàng)性能參數(shù)逐一進(jìn)行分析，最終獲得每種鉆頭的適用性能星級(jí)評(píng)定表，為一線的旋轉(zhuǎn)井壁取芯作業(yè)提供幫助。

關(guān)鍵詞：井壁取芯 取芯器 性能參數(shù) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 適用性

中圖分類號(hào)：TH132.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）02（c）-0090-03

旋轉(zhuǎn)式井壁取芯器是一種從靠近裸眼井地層中直接獲取井壁巖芯的測(cè)井儀器，它適用于全井段中各種地層的井壁取芯作業(yè)。由于該儀器對(duì)原狀地層破壞較小，取得的巖心數(shù)量多、顆粒完整，并可以直接用于巖電實(shí)驗(yàn)和含油性分析化驗(yàn)，求取飽和度、孔隙度、滲透率等儲(chǔ)層參數(shù)，極具實(shí)驗(yàn)和分析價(jià)值，備受地質(zhì)學(xué)家的青睞[1]。但是在實(shí)際取芯作業(yè)過程中，在鉆壓和地層一定的情況之下，選擇適合該地層并且性能好的鉆頭往往能節(jié)約取芯時(shí)間，提高取芯作業(yè)時(shí)效性，并一定程度上降低取芯作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。文章對(duì)12種取芯鉆頭的各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行分析，同時(shí)配合這些鉆頭分別在不同的鉆壓下對(duì)五種巖石樣本（石灰?guī)r、花崗巖、粗砂巖、細(xì)砂巖和泥質(zhì)砂巖）進(jìn)行取芯實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，由此確定每種鉆頭的地層適用性。

1 旋轉(zhuǎn)井壁取芯鉆頭簡(jiǎn)介

1.1 取芯鉆頭工作原理

旋轉(zhuǎn)式井壁取芯器的鉆頭是一種空心的金剛石鉆頭。它靠螺紋連接在該儀器的高溫液壓馬達(dá)的鉆桿上[2]。它是以鋒利、耐磨以及能夠自銳的天然金剛石或者人造金剛石為切削齒，在馬達(dá)鉆桿的帶動(dòng)下獲得較高的鉆速和鉆頭進(jìn)尺。在鉆取地層巖芯時(shí)鉆頭上的每粒金剛石在鉆壓作用下壓入巖石，使切削面下方的巖石處于極高的應(yīng)力狀態(tài)，造成局部破裂，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)扭矩的作用下產(chǎn)生切削作用，破碎巖石的體積大體上等于金剛石吃入巖石的位移體積，最后通過不斷的切削作用，形成一顆完整的巖芯。

1.2 取芯鉆頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

旋轉(zhuǎn)井壁取芯金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)大同小異，主要包括鋼體、胎體、切削刃和水口。文章探討的12種鉆頭的鋼體均為17-4PH型馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，具有良好的抗腐蝕、耐疲勞性。胎體是鑲嵌金剛石顆粒的基體，是由一定粒度的硬質(zhì)合金粉加上適當(dāng)?shù)囊兹劢饘僮髡澈蟿?，壓制燒結(jié)而成。金剛石鉆頭的切削刃根據(jù)金剛石顆粒鑲嵌在胎體上的形式有表鑲式，孕鑲式和表孕鑲式三種。金剛石鉆頭的水口是構(gòu)成鉆頭水動(dòng)力的通道，它使金剛石在鉆進(jìn)過程中保證供給鉆頭工作面足夠的水利能量，既能清除巖屑，又能很好的冷卻和潤(rùn)滑鉆頭上的金剛石。

2 模擬取芯實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說明

為了能夠準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)每種鉆頭的優(yōu)缺點(diǎn)和它們各自的地層適用性，特將12種鉆頭分別在0～40 kg的鉆壓下，分別對(duì)石灰?guī)r、花崗巖、粗砂巖、細(xì)砂巖和泥質(zhì)砂巖共5種不同地質(zhì)特性的巖石樣本進(jìn)行模擬鉆取巖芯實(shí)驗(yàn)，觀察不同鉆頭在不同鉆壓下的取芯效果，同時(shí)記錄取芯過程中的扭矩、轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù)的實(shí)時(shí)變化情況，最后整理出所有的數(shù)據(jù)和曲線圖，以此確定每種鉆頭的地層適用性。

2.2 旋轉(zhuǎn)井壁取芯鉆頭部分重要技術(shù)參數(shù)分析

2.2.1 鑲嵌金剛石的目數(shù)

對(duì)比1號(hào)和6號(hào)鉆頭，前者金剛石目數(shù)A粒/克拉，后者B粒/克拉，且A>B，其余參數(shù)一致。圖1為這兩種鉆頭對(duì)石灰?guī)r取芯時(shí)的鉆壓-扭矩對(duì)比圖。

從圖1可以看到，1號(hào)和6號(hào)兩種鉆頭只是鑲嵌的金剛石目數(shù)不一樣，在取芯實(shí)驗(yàn)時(shí)，1號(hào)的扭矩明顯高于6號(hào)，即1號(hào)比6號(hào)更利于對(duì)石灰?guī)r的取芯，取芯時(shí)間必然是T1

2.2.2 金剛石的排布方式

金剛石在鉆頭工作面上的排布方式有交錯(cuò)排列法、圓周排列法和脊圈排列法。文章介紹的12種鉆頭除7號(hào)和8號(hào)孕鑲鉆頭的金剛石排列為N順序外，其余鉆頭的金剛石均設(shè)計(jì)為圓周排列法中的M曲線排列。這樣排列的好處在于最大程度的提供取芯時(shí)的水利能量，增大鉆頭的排屑能力。圖2為1號(hào)與8號(hào)鉆頭對(duì)花崗巖取芯的鉆壓-扭矩對(duì)比圖。

從圖2可以看到，1號(hào)表鑲鉆頭在鉆壓增大的情況下，對(duì)花崗巖取芯的扭矩是由小到大遞增的，8號(hào)孕鑲鉆頭對(duì)花崗巖取芯的扭矩是先上升后下降再上升的，很明顯的符合孕鑲轉(zhuǎn)頭的特點(diǎn)，舊的金剛石磨掉了新的又露出來的特性造成了這一曲線的走勢(shì)。

2.2.3 切削刃角度

切削刃角度是指沿漸開線排列的金剛石切削面的起始面與巖石切平面之間的夾角，類似于用刀削蘋果時(shí)刀刃與蘋果皮之間的夾角。采用適當(dāng)?shù)那邢魅薪嵌?，可以大大改善切削齒（金剛石）的抗沖擊性，一般金剛石鉆頭的切削刃角度取值范圍在0°～25°之間。

2.2.4 水口數(shù)目

取芯金剛石鉆頭水口的數(shù)目與鉆頭所適用地層有關(guān)。用于軟到中硬地層的金剛石鉆頭，由于其工作面小，金剛石鉆進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)速快，巖屑多而粗，因此水口應(yīng)寬而少。而對(duì)于硬和堅(jiān)硬地層，由于鉆頭工作面大，鉆壓大，水口應(yīng)多、密、窄。圖3是10號(hào)與11號(hào)鉆頭對(duì)石灰?guī)r取芯的鉆壓-扭矩對(duì)比圖。圖4是10號(hào)與11號(hào)鉆頭對(duì)泥質(zhì)砂巖取芯的鉆壓-扭矩對(duì)比圖。

10號(hào)鉆頭有H個(gè)水口，11號(hào)鉆頭有G個(gè)水口，且H

2.2.5 鉆頭的內(nèi)外徑

由于旋轉(zhuǎn)井壁取芯儀器取出的巖芯是有規(guī)定的，最大直徑25 mm，最大長(zhǎng)度50 mm[2]，所以鉆頭的內(nèi)外徑只要能滿足這個(gè)要求即可。但是作為研發(fā)產(chǎn)品來說，內(nèi)徑一定是為了滿足巖芯的直徑要求，外徑的大小則需要根據(jù)具體情況而定，不同內(nèi)外徑造成了不同的切削面積。例如在鉆取相同的地層并在鉆壓一定的情況之下，切削面積越大，則取芯遇到的阻力也越大；切削面積越小，則取芯遇到的阻力也越小。圖5為1號(hào)、2號(hào)和6號(hào)鉆頭鉆取細(xì)砂巖時(shí)的鉆壓-扭矩對(duì)比圖。

從圖5可以看到，在鉆取硬度較低的細(xì)砂巖時(shí)，隨著鉆壓的增大，1號(hào)鉆頭的扭矩明顯小于2號(hào)鉆頭，6號(hào)鉆頭則更大。這是因?yàn)檫@三種鉆頭的內(nèi)徑相同，但1號(hào)鉆頭的外徑小于2號(hào)鉆頭，則1號(hào)鉆頭的切削面積小于2號(hào)鉆頭，在鉆取軟地層時(shí)受力面積較小，性能相對(duì)差一些。6號(hào)鉆頭的外徑雖然小于2號(hào)鉆頭，但是6號(hào)鉆頭的切削面與其他鉆頭不同，存在一個(gè)特定的角度，相比別的鉆頭而言在鉆取巖芯時(shí)更合適，扭矩也更大。

2.2.6 鉆頭的胎體

鉆頭的胎體需要一定的硬度，主要根據(jù)鉆頭金剛石鑲嵌的形式來選擇，例如表鑲鉆頭的胎體應(yīng)該較硬，孕鑲鉆頭的胎體應(yīng)該較軟。但是還有一個(gè)要注意的是，在對(duì)較硬巖石取芯時(shí)，即使同樣的表鑲鉆頭由于胎體的硬度不一樣，取芯結(jié)果也是有差異的，1號(hào)和9號(hào)鉆頭同時(shí)對(duì)花崗巖取芯后就能顯示出來了。1號(hào)鉆頭為X基胎體，其硬度要大于9號(hào)鉆頭的Y基胎體，在同樣鉆壓、鉆取時(shí)間的條件下，鉆取硬度較大的花崗巖后，9號(hào)鉆頭的金剛石磨粒就脫落了幾個(gè)，而1號(hào)鉆頭的金剛石顆粒還未出現(xiàn)脫離現(xiàn)象。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)與篩選，最終將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成了如表1所示的取芯鉆頭地層適用性星級(jí)評(píng)定表。

4 結(jié)論

（1）對(duì)12種旋轉(zhuǎn)井壁取芯空心金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行理論分析，同時(shí)密切結(jié)合模擬取芯的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)每種鉆頭適用哪些地層巖石給出了相對(duì)具體的結(jié)論。（2）由于實(shí)際取芯地層條件復(fù)雜多樣，建議在現(xiàn)場(chǎng)工作中應(yīng)多準(zhǔn)備幾款應(yīng)對(duì)不同地層的鉆頭，盡量針對(duì)不同的地層使用其對(duì)應(yīng)的鉆頭以達(dá)到最優(yōu)取芯效果。（3）建議鉆取50～80顆巖芯后便更換一次鉆頭（根據(jù)實(shí)際情況），這些鉆頭應(yīng)該在每口井作業(yè)之后立即檢查是否壞齒、金剛石掉落或變鈍、鉆頭胎體是否損壞等，任何上面所說的情況都可能使鉆取巖芯速度減慢或不能取芯。（4）取芯鉆頭在保存時(shí)，應(yīng)存放在專用的存儲(chǔ)箱內(nèi)，盡量避免由于鉆頭之間相互摩擦碰撞造成的切削刃損壞。

參考文獻(xiàn)

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