沈立娜， 張 宜， 郭慶斌， 阮海龍， 吳海霞， 李 春

(1.北京探礦工程研究所，北京 100083； 2.建材成都地質(zhì)工程勘察院，四川 成都 610052; 3.山西省地質(zhì)勘查局二一二地質(zhì)隊，山西 長治 046000)

彈塑性砂泥巖互層是煤系地層、頁巖氣地層普遍存在的一種常見地層。對于軟-中硬的彈塑性粉砂、泥巖地層，通常采用尖齒切削齒復(fù)合片鉆頭或者三角聚晶巴拉斯鉆頭能夠發(fā)揮良好的鉆進效果[1-3]。然而，對于某些煤系地層中的堅硬巖屑砂泥巖互層，泥巖堅硬且具有一定彈塑性，砂巖含粗中粒結(jié)核且本身比較硬，對于這種地層，使用普通孕鑲金剛石鉆頭，鉆進效率低下；使用尖齒切削齒鉆頭或三角聚晶鉆頭會導(dǎo)致尖齒復(fù)合片及三角聚晶尖端部位頻繁崩齒，即使在尖齒復(fù)合片尖角部位留有一定寬度的過渡(鈍尖齒鉆頭)[1]，崩齒現(xiàn)象仍然存在，鉆頭壽命受到嚴(yán)重影響。隨著國內(nèi)人造金剛石制造技術(shù)的提高，大顆粒人造金剛石的強度得到進一步提高，同時其成本的降低，使得大顆粒金剛石為地質(zhì)鉆探金剛石鉆頭的制造和應(yīng)用提供了更加廣闊的空間。本文就是從多級大顆粒金剛石設(shè)計角度出發(fā)，針對堅硬巖屑砂泥巖互層研制了多級金剛石表孕鑲鉆頭，經(jīng)現(xiàn)場試驗，效果十分顯著，得到了使用方的認(rèn)可。

1 鉆孔概況及鉆進難點分析

1.1 鉆孔信息

ZK-1號孔位于山西省晉城市陽城縣嘉豐鎮(zhèn)李家溝村，勘探15號煤層，要穿過3號煤采空區(qū)，孔深約300 m。ZK-2號孔屬山西省霍西煤田霍西區(qū)煤層氣、頁巖氣預(yù)查鉆探工程，位于臨汾市襄汾縣鄧莊鎮(zhèn)魚池村東北，孔深設(shè)計1680 m，預(yù)計完孔深度1900 m，鉆頭試驗孔深約1300～1400 m。

1.2 巖石特點及鉆進難點分析

由圖1、圖2可見，ZK-1鉆孔內(nèi)巖石相對較軟，使用常規(guī)孕鑲鉆頭，可以鉆進，但很難超過1 m/h，且壽命僅有40 m左右。ZK-2鉆孔巖石多含硬質(zhì)結(jié)核，觀察常規(guī)孕鑲鉆頭表面，可見唇面拋光跡象明顯，其實際鉆進僅有0.2 m/h的鉆進速度，有時甚至更低，給施工效率帶來極大影響。而采用以往研制的尖齒切削齒復(fù)合片鉆頭，鉆頭容易出現(xiàn)崩齒，壽命受到嚴(yán)重影響。

圖1 ZK-1孔巖樣和普通鉆頭出井照片

圖2 ZK-2孔巖樣和普通鉆頭出井照片

在臨汾ZK-2鉆孔1230～1280 m孔深取樣進行巖石鑒定，共計鑒定4塊巖樣。巖石鑒定結(jié)果分別為：凝灰質(zhì)中粒長石巖屑砂巖、凝灰質(zhì)粗中粒長石巖屑砂巖、紅褐色泥質(zhì)粉砂巖、絹云變質(zhì)含粉砂質(zhì)泥巖，碎屑組分主要由巖屑、長石和石英砂或粘土礦物等組成，具粗、中粒、粉砂等結(jié)構(gòu)，圖3為其中的一塊巖樣正交偏光照片。

依據(jù)巖石礦物組成和組構(gòu)特征，結(jié)合標(biāo)本觀察，可知該孔段砂泥巖互層多變，且粒徑多變。由于砂巖粒徑多呈中粗結(jié)構(gòu)且含有部分硬質(zhì)結(jié)核，導(dǎo)致尖齒復(fù)合片鉆頭的尖齒端崩齒，進而吃入切削困難；而采用普通孕鑲鉆頭對于具有彈塑性致密結(jié)構(gòu)的粉砂巖或泥巖，其金剛石顆粒太小導(dǎo)致出刃困難，容易拋光糊鉆(見圖2)，因此鉆進效率低下。

2 鉆頭設(shè)計方案

2.1 鉆頭類型的確定

由于復(fù)合片鉆頭崩齒嚴(yán)重，即使采用具有一定弧度的鈍尖齒仍然難以解決問題，因此采用孕鑲金剛石鉆頭作為鉆頭基本選型方向。

2.2 金剛石參數(shù)的選擇及設(shè)計

圖3 ZK-2孔部分巖石正交偏光照片

2.2.1 金剛石粒度的設(shè)計

為了探究金剛石對巖石的壓入機理，利用微機控制電子萬能試驗機進行了壓入試驗及壓力、變形量等的數(shù)值采集。通過體視顯微鏡(Stemi DV4)進行金剛石篩選以及后期巖石、金剛石的破碎狀態(tài)觀察。試驗壓頭工裝為一個中間鑲有金剛石復(fù)合片的圓柱壓頭，壓入巖石全過程如圖4所示。分別選用粒度為 18/20、20/25、35/40目的晶型完整、無雜質(zhì)的金剛石，壓入4種硬度不同的巖石以進行對比，分別為泥巖、粉砂巖、石英巖、流紋巖(4種巖石的力學(xué)性質(zhì)見表1)。

圖4 金剛石壓入巖石全過程示意圖

巖樣編號巖石名稱巖石壓入硬度/(kg·mm-2)巖樣簡稱XJZGE2黑灰色含粉砂質(zhì)泥巖22泥巖 SCLS1石英粉砂巖35粉砂巖HeNHYG1石英巖42石英巖FJPK1流紋巖60流紋巖

經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，無論何種目數(shù)的金剛石壓入這4種巖石的任何一種，均存在至少2次的破碎變形(即圖5中所示的波峰)。

圖5 3種金剛石壓入粉砂巖力值-變形曲線

我們提取首次破碎力值，得到首次破碎試驗力與金剛石目數(shù)的關(guān)系曲線如圖6所示。

由圖6可以看出，隨著金剛石粒度的減小，首次破碎試驗力值逐漸減小，且金剛石粒徑越小，首次破碎力值越接近。巖石硬度越大，金剛石粒度對首次破碎力的影響越大，因此，對于硬巖，如流紋巖，宜選用顆粒較小的金剛石，從而獲得更優(yōu)鉆進比壓。而對于較軟巖石，金剛石目數(shù)對首次破碎力的影響較小。

圖6 不同金剛石壓入巖石首次破碎試驗力值變化曲線

此外，由圖7可以觀察到粒徑越大的金剛石在完全壓入泥巖后的破碎范圍越大，其中18/20的破碎面積約是35/40的3倍。推測金剛石壓入泥巖的首次破碎范圍也有同樣規(guī)律。而20/25金剛石壓入泥巖的首次破碎力約為35/40的1.5倍，因此，當(dāng)鉆進較軟巖層時，宜選用較大顆粒的金剛石鉆頭。

由于孕鑲金剛石鉆頭主要切削齒多為30目以細(xì)的金剛石[4-5]，金剛石顆粒細(xì)小，壓入地層深度小是鉆進效率低下的主要原因之一。但如果全部選用大顆粒金剛石會一定程度影響胎體料的包鑲強度和鉆頭的切削覆蓋率，因此，采用了多級金剛石表孕鑲結(jié)構(gòu)，即選用了多種目數(shù)金剛石。

圖7 32×顯微鏡下金剛石壓入泥巖破碎情況

如圖8所示，將14/16目大顆粒金剛石分3層布于鉆頭胎塊唇面及鉆頭胎塊內(nèi)部，其余空間為混入另外大小不等的三級目數(shù)(20/25、25/30、30/35)金剛石孕鑲胎體料。

2.2.2 金剛石濃度的設(shè)計

表2為孕鑲金剛石鉆頭在不同巖層推薦的金剛石濃度值，可見在中硬巖層推薦的濃度為75%，考慮到我們應(yīng)用的多層大顆粒及多級孕鑲，且鉆進的是砂泥巖互層，金剛石濃度取60%～70%之間。

2.3 鉆頭唇面及水路設(shè)計

鉆頭的水口和水槽要合理設(shè)計，以達到更好地沖洗巖屑和冷卻胎體的目的。水口的面積要大于鉆頭與巖心之間或者鉆頭與井壁環(huán)狀間隙的面積。

為了避免鉆進時巖粉排出不及時，滯留在孔底并附著在金剛石上形成“泥包”，堵塞水口，影響后期的鉆進效率，所以鉆頭的水路設(shè)計較常規(guī)孕鑲鉆頭水路需更寬一些。

2.4 鉆頭的制造工藝

鉆頭胎塊通過低溫?zé)釅簾Y(jié)成型，盡量降低對金剛石的熱損傷，熱壓成型的胎塊采用高頻焊接，與經(jīng)過熱處理的合金鋼進行二次焊接，最終成品如圖9所示。

圖9 多級金剛石表孕鑲鉆頭使用前后圖片

3 鉆頭的現(xiàn)場應(yīng)用情況

表3為ZK-1孔鉆頭現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)。

表3 ZK-1鉆孔鉆頭使用情況統(tǒng)計

由表3數(shù)據(jù)可知，在ZK-1鉆孔，采用尖齒(鈍切齒)復(fù)合片鉆頭出現(xiàn)鉆頭崩齒(圖10)，而多級金剛石表孕鑲鉆頭機械鉆速和鉆頭壽命明顯得到提高。在砂巖地層，機械鉆速可達3 m/h，在泥巖地層，機械鉆速可達2.1 m/h，鉆頭平均壽命130 m，同比其他廠家鉆頭，鉆頭時效高，壽命長。

圖10 ZK-1孔現(xiàn)場鉆頭及巖樣圖片

在臨汾ZK-2鉆孔，砂泥巖互層頻繁，地層更加堅硬，且地層含硬質(zhì)結(jié)核，常規(guī)孕鑲鉆頭幾乎沒有進尺，采用多級金剛石表孕鑲鉆頭鉆進(圖9)，具體鉆進數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 ZK-2鉆孔鉆頭使用情況統(tǒng)計

由表4可知，臨汾ZK-2鉆孔采用多級金剛石表孕鑲鉆頭鉆進后，機械鉆速雖然僅有0.5 m/h，但較其他廠家常規(guī)孕鑲鉆頭已有明顯提高。鉆頭從1285.16 m鉆進至1299.96 m，之后又從1313.6 m鉆進至 1413.95 m，累計進尺115.09 m，出井新度仍達75%，預(yù)估壽命可超250 m，得到了施工方的一致認(rèn)可。

4 結(jié)論

(1)對于堅硬巖屑砂泥巖互層，尖齒復(fù)合片鉆頭極易出現(xiàn)崩齒現(xiàn)象；

(2)通過多級金剛石設(shè)計金剛石鉆頭能夠大幅提高鉆進較堅硬砂泥巖互層的機械鉆速，并且具有較高的工作壽命。