（油气井工程专业论文）适合坚硬地层孕镶金刚石钻头优化设计研究.pdf

s t u d yo ni m p r e g n a t e dd i a m o n d b i t so p t i m a ld e s i g n f o rh a r df o r m a t i o n w a n gf a m i n g ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z o ud e y o n g a b s t r a c t i nv i e wo ft h a tt h ep r o b l e mo ft h ei m p r e g n a t e dd i a m o n db i ti sl o we f f i c i e n c y ，s h o r t e n d u r a n c ei nd r i l l i n gh a r df o r m a t i o no fs t r o n go rw e a ka b r a s i v e n e s s ，t h i sa r t i c l eh a ss t u d i e da s e r i e so f p a r a m e t e r st h a ti m p a c to nt h ee f f i c i e n c ya n de n d u r a n c eo ft h ei m p r e g n a t e d d i a m o n db i tt h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n t ，s u c ha sd i a m o n d g r a d e ，p a r t i c l es i z e ，c o n c e n t r a t i o na n do t h e rp a r a m e t e r sa sw e l la st h em a t r i xf o r m u l a t i o no f t h e d r i l l t h er e s u l t so fs t u d ys h o w e dt h a t ：( 1 ) t h ed i a m o n dg r a d es e l e c t i o nh a ss o m e r e l a t i o n s h i p sw i t ht h ed i a m o n ds i z e ，i fd i a m o n db i tu s e st h el a r g eg r a n u l a rd i a m o n di n4 6 m e s hr o u g ho rm o r e ，t h eg r a d er e q u i r e m e n t si sa b o v ej r 4 ；i fu s e st h es m a l ld i a m o n di n6 0 m e s ht e n u i t yo rl e s s ，t h eg r a d eo fd i a m o n dm a yc h o o s ej r 2o rj r 3 ( 2 ) w h e nd r i l l i n gi ns t r o n g a b r a s i v eh a r dr o c k s ( s u c ha sq u a r t zs a n d s t o n e ，g r a n i t e ，e t c ) ，d i a m o n di s8 0 c o n c e n t r a t i o n a n d8 0m e s hg r a n u l a rs i z e ，d r i l l i n gr a t ei sh i g h e s t ；w h e nd r i l l i n gi na b r a s i v e ( h a r dl i m e s t o n e ) a n dt h ew e a ka b r a s i v e ( f l i n t ) s t r a t a , d i a m o n di s7 0 c o n c e n t r a t i o na n d4 6m e s hg r a n u l a rs i z e ， d r i l l i n gr a t ei sh i g h e s t ( 3 ) l i f ee x p e c t a n c yi si n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lw i t ht h ed r i l l i n gr a t e ， g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h ed r i l l i n g r a t eq u i c k l ys h o r tb i tl i f e ，t h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o no f d i a m o n dp a r t i c l es i z e ，c o n c e n t r a t i o na n dc a r c a s sp e r f o r m a n c e ，w ec a nh a v el i r l ee f f e c to nt h e d r i l l i n gr a t ea n dg i v ec o n s i d e r a t i o nt ol i f e ，g e tt h eb e s tf o r m a t i o nr e s u l t so fd r i l l i n gf o r m a t i o n ( 4 ) w h e nd r i l l i n gq u a r t zs a n d s t o n e ，m a t r i xh a r d n e s si sh r c 4 5 o rm o r e ，w ec a ng e tah i g h e r d r i l l i n gr a t ea n dl o n g e rb i tl i f e ；d r i l l i n gt h eg r a n i t e ，m a t r i xh a r d n e s si sa b o u th r c 4 0 ，e f f e c ti s b e t t e r ；d r i l l i n gi na b r a s i v er o c k ，t h eb e t t e rc o n d i t i o ni st h a tm a t r i xh a r d n e s si sa b o u th r c 3 0 ； t ot h ew e a ka b r a s i v ef o r m a t i o n ，m a t r i xh a r d n e s si sn o tt oe x c e e dh r c 2 0 ( 5 ) t h e r e q u i r e m e n t so fd i a m o n ds i n t e r e di m p r e g n a t e db l o c ka r e t h a tf r a m e w o r ks t r u c t u r ea n d b o n d i n gm e t a lh a sf i n eg r a n u l a rs i z ea sf a ra sp o s s i b l e ，t h eb i tw e a rr e s i s t a n c es i n t e r e db yc u p o w d e rw i t h4 0 0 m e s ht e n u i t yo rl e s si si m p r o v e dt h a n2 0 0m e s ht e n u i t yo rl e s sb y2 0 ( 6 ) i n 1 1 v i e wo fs i c h u a nx u j i a h eq u a r t zs a n d s t o n ef o r m a t i o n ，t h eu s eo fb l a d ec o n t o u rd i a b o r i ti sm o r e c o n d u c i v et od r i l l i n g ；i m p r e g n a t e dc h u n ku s i n ga r t i f i c i a ld i a m o n da n dn a t u r a ld i a m o n dm i x e d f i l l e ti n c r e a s e sb o t hb i to f f e n s i v ea n da b r a s i o nr e s i s t a n c eo fd r i l lb i t s r e s e a r c ho ft h i sp a p e r h a ss o m ea d v i s i n gs i g n i f i c a n c et oi m p r o v ed r i l l i n ge f f i c i e n c ya n dl i f e t i m eo fd i a m o n dd r i l l b i t si nd i f f e r e n tn a t u r er o c kf o r m a t i o n s k e y w o r d s ：i m p r e g n a t e dd i a m o n db i t ，d i a m o n dp a r a m e t e r s ，m a t r i xf o r m u l a t i o n ， g r i n d i n g ，l a b o r a t o r yt e s t ，t h el a w 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：砂眨p 硝 日期：砂哆年j r 月死徊 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借 阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩 印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：巧年厂月研细 日期：夕年，月彬日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章前言 钻头是石油钻探中最主要的破岩工具，其质量的优劣、与岩性和其它钻井工艺条件 是否适应，将直接影响钻井速度、钻井质量和钻井成本。目前钻井中使用的钻头有牙轮 钻头、p d c 钻头及金刚石钻头。随着科学技术的进步，钻探技术在各领域的应用越来 越广泛，钻进深度越来越深，岩石越来越硬。发展高效破岩工具，提高钻井速度，越来 越成为研究的焦点。 随着钻进深度的增加，在钻进过程中遇到极坚硬岩层也越来越多。坚硬地层可分为 两大类：强研磨性硬地层和弱研磨性硬地层。强研磨性硬地层主要是硅质胶结的石英砂 岩、长石砂岩。弱研磨性硬地层主要包括硬泥岩、含燧石结核亮晶灰岩、高抗压白云岩 等。牙轮钻头在钻进这两种坚硬地层时，破岩效率低，钻进速度慢；p d c 钻头由于是 利用刮削方式破碎岩石，是一种适合软到中硬地层的高效钻头，在硬地层中切削齿不能 有效吃入地层而不能适应坚硬地层的钻进；孕镶金刚石钻头虽能担负坚硬地层的钻进工 作，但也存在以下诸多问题。在钻进致密而研磨性较低的硬地层时，孕镶金刚石钻头时 常出现打滑现象而进尺极慢甚至不进尺，机械钻速时常在0 1 0 2 m h 左右，钻进需要耗 费大量的时间和钻头；其原因是金刚石在很短的钻进时间很快被磨钝，不能有效的切削 岩石，同时胎体在少岩屑或无岩屑情况下不能及时磨损使金刚石出露l l 】。在钻进强研磨 性硬地层时，有时会出现胎体磨损太快，导致钻头寿命太低；其原因是岩屑对钻头胎体 磨损严重，使还没有磨蚀破裂的金刚石颗粒过早失去包镶而脱落，脱落的金刚石又加剧 胎体的磨损。这两种情况是造成当前孕镶金刚石钻头钻进硬地层效率低、成本高的主要 原因。因此，解决这两类坚硬岩层钻进效率和钻进寿命问题具有实际意义。 本课题针对坚硬强研磨性和坚硬弱研磨性两类地层钻进效率低、钻头寿命短的问 题，开展新型孕镶金刚石钻头参数设计的优化研究。在定量评价坚硬致密地层的可钻性 与研磨性的基础上，通过理论分析与试验研究，对孕镶金刚石钻头的金刚石参数、胎体 配方进行优选，使之与岩石性质相适应，以期达到提高金刚石钻头在坚硬地层的钻进效 率和工作寿命的目的，从根本上降低钻进成本。这对深井钻探、海洋钻探、科学钻探等 的发展必将产生深远的影响。 第一章前言 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 坚硬弱研磨性地层金刚石钻头的研究现状 为解决钻进坚硬致密弱研磨性地层时钻头打滑问题，许多国内外科研工作者和生产 商进行了多方面的研究：如提高金刚石强度、粒度；降低金刚石浓度；改变胎体耐磨性： 优化钻头底唇面形状与结构；增加钻头水口数目等。中南工业大学等研制出了弱包镶法 金刚石钻头以克服钻头打滑现象。其基本原理是：利用弱包镶方法使胎体中一部分金刚 石被包镶的程度较弱，钻进中会提前从胎体中脱落。脱落的金刚石会磨损胎体，有利于 金刚石出刃。同时金刚石提前脱落后，钻头唇面变得粗糙，由此产生一系列作用机理， 使金刚石钻头能较好地自锐出刃【2 1 。 现行的弱包镶防打滑钻头均采用热压法制造出来的，热压法弱包镶防打滑钻头的设 计方法是：先在金刚石表面用机械方法裹上一层弱包镶粉末，使其粒化；然后将粒化的 金刚石与胎体粉料均匀混合，再进行装模烧结。这样研制出来的钻头，由于金刚石与胎 体之间有一层粘结较差、强度较低的弱包镶层，从而减弱了胎体对金刚石的包镶能力， 使钻头在胎体磨损不很大的情况下，金刚石就会从胎体中自行提前脱落下来，从而实现 金刚石的换层。使用弱包镶金刚石钻头时，不会出现钻头不进尺现象，减少了钻进的提 钻次数，大大提高了纯钻时间。据中南工业大学钻头研制单位的资料，在遂昌金矿中使 用过的弱包镶钻头，其平均寿命为2 8 m ，平均时效为2 8 r n h ，取得了较好的钻进效果。 1 2 2 坚硬强研磨性地层金刚石钻头的研究现状 对于坚硬强研磨性地层，我国学者针对一些地区进行过实验研究，认为在这种地层 造成钻头寿命短、钻头时效低的主要原因是钻头胎体与地层的不适应。为此，为了提高 钻头钻进效率和钻头寿命，对于强研磨性地层从胎体与地层的适应性入手。对于这种地 层，胎体类型选择应照顾到如下方面：一是胎体硬度软硬适度；二是可以通过添加其他 合金元素提高耐磨性；三是熔点尽可能低，以降低钻头的烧结温度，保护金刚石原有的 工作能力。坚硬强研磨性岩性复杂，许多问题有待进一步研究。 1 2 3 金刚石参数、胎体配方及制造工艺研究现状 ( 1 ) 金刚石参数对孕镶金刚石钻头性能的影响研究 金刚石的参数包括金刚石粒度，浓度，品级，排列和分布等。目前就金刚石参数主 要研究的成果有： 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 孕镶金刚石钻头对金刚石的质量要求是：稳定性好，晶形完整，抗压强度高，高 温制造钻头时，应进行磁选；金刚石表面发亮有光泽、无裂纹、透明度高，其内部结构 无孔隙，无包裹体、无夹杂物等内在缺陷；岩石越致密越硬，金刚石品质越高。 中国地质大学的潘秉锁、杨凯华等人在金刚石粒度对孕镶金刚石性能的影响进行 了研究，通过研究得到结论：金刚石钻头唇面上出刃的金刚石数目与金刚石直径的平方 成反比，与浓度和出刃系数成正比；采用细粒金刚石有利于提高钻头的寿命；在其他条 件相同的情况下，随着金刚石粒度的变粗，参加切削的金刚石的体积增大，钻头时效提 高。 一些国外的实验研究表明：胎体的金刚石浓度对金刚石钻头的使用寿命和经济效 益具有较大的影响。胎体的金刚石浓度随岩石种类的不同而不同，对每一类岩石都有一 个最佳浓度值。浓度偏高，单粒金刚石上的钻压偏低，从而导致钻头打滑，不进尺，增 加了钻头成本；而浓度偏低，单粒金刚石上承受的压力太大，使钻进状况恶化，最终不 能钻进。选用合理的金刚石浓度，有利于提高钻头钻速。地质大学的张绍和从定量方面 分析和推导了其中的金刚石浓度设计计算方法。 中国学者徐晓军、李世京通过大量的实验结果，发现钻进坚硬岩层时，除合理选 择金刚石强度、粒度浓度及胎体耐磨性以外，合理选择钻头底唇面形状和水口数目也是 钻进坚硬地层和提高钻进效率的有效途径。一般情况，在现有金刚石钻头的水口、水槽 断面尺寸不变的条件下，适当增加水口数目，对钻进坚硬地层更为有利1 3 】。 ( 2 ) 胎体性能对钻头性能的影响研究 金刚石钻头胎体是钻头端部包镶金刚石并同钻头刚体牢固地结合成一体的假合金。 胎体性能的好坏直接影响着钻进效率与钻头使用寿命，因此要求钻头的胎体有相应的硬 度、耐磨性，并有一定抗冲击强度，对金刚石有良好的浸润性，易成型及良好的导热性。 胎体的性能一般主要以硬度表示。如果胎体过硬，磨耗太慢，金刚石不出刃，钻头易打 滑不进尺；胎体过软，耐磨性低，金刚石出刃快，易掉粒，虽能获得一定高钻速，但钻 头寿命短，成本高。 金刚石颗粒在钻进过程中，在复杂载荷的作用下，易从金属胎体中脱落，或破碎、 崩裂。这样，直接影响金刚石钻头破碎岩石的效率和寿命。据资料估计，孕镶金刚石钻 头中的金刚石的利用率仅为4 0 - - 6 0 。国内外有关研究发现：金刚石表面通过物理和 化学方法镀覆某些强碳化物金属形成金属或合金薄膜，这层薄膜一方面与金刚石生成稳 定的金属碳化物，产生化学键合；另一方面又能很好地被金属胎体所浸润，大大增强金 3 第一章前言 刚石与金属胎体之间的结合力，可以提高金刚石钻头性能和使用效果。 对孕镶金刚石钻头胎体配方的研究上，我国大多数使用的是6 3 号配方，后来的配方 也是从这上面发展起来的。这些配方的特点是利用低熔点金属锡、锌、铅等作为粘结金 属的重要组元，骨架成份以w c 为主，属多元系液相烧结，烧结温度一般在1 0 0 0 以下， 压力1 2 1 5 m p a 。 在孕镶金刚石钻头胎体的粘结剂上，中国地质大学的张绍和教授提出使用预合金粉 末。预合金粉末的使用，不仅提高金刚石工具使用的针对性，提高了胎体的致密性和均 匀性，改善金刚石工具胎体的磨损状态，而且可以提高胎体对金刚石的包镶能力，并且 抗冲击等性能较好，还能简化钻头的制造工艺，取得较好的经济效型4 1 。 ( 3 ) 孕镶金刚石钻头制造工艺研究 以前孕镶金刚石钻头的制造大多使用热压法制造，但众所周知热压法有一个高温烧 结程序，金刚石是对热比较敏感的超硬矿物，经高温烧结后，会产生不同程度的热损伤， 使其抗压强度和耐磨性降低，影响钻头的钻进效率和使用寿命。后来国内有关单位研究 实验采用低温电镀法制造孕镶金刚石钻头，取得了一定成功。现在的热压法采用活化烧 结，也能在一定程度上降低温度对强度的影响。 国外方面，美国多年来采用浸渍法制造孕镶金刚石钻头，日本利根公司研制成功了 遮氧式浸渍工艺生产钻头。国内也从开始使用浸渍法发展到真空烧结法、电阻炉烧结法、 中频炉烧结法、电火花烧结法等。现在常用的为电阻炉烧结法和中频炉烧结法。 1 3 论文主要研究内容 ( 1 ) 金刚石破岩机理与磨损机理的研究 试验研究孕镶钻头在坚硬强研磨性和坚硬弱研磨性两种典型地层中的钻进，根据试 验要求选取石英砂岩、花岗岩、硬灰岩和燧石四种岩样。针对金刚石破碎岩石的过程， 分析金刚石钻头在井底的应力分布状态及破碎机理；根据试验要求，研究金刚石钻头钻 进两种研磨性地层中的磨损过程。 ( 2 ) 坚硬岩石物理力学性质试验评价 i 通过室内岩心试验，对石英砂岩、花岗岩、硬灰岩和燧石四种岩样的压入硬度、抗 压强度、可钻性及研磨性进行定量评价，为钻头设计和参数优选提供基本依据。 ( 3 ) 金刚石参数优选研究 金刚石是钻头破碎岩石的工作刃。金刚石品级、粒度及浓度等参数直接影响钻头的 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 破岩效率和钻头寿命。以岩石压入硬度为依据，分析研究金刚石需要承受的轴向载荷， 综合考虑岩石硬度和技术经济效益，合理选择金刚石的品级。通过钻进试验，分析不同 粒度金刚石的钻进效果，优选能够提高坚硬岩层的金刚石粒度方案。以岩石硬度和单粒 金刚石的受力分析为基础，通过理论和试验综合分析金刚石浓度对钻进效率和钻头寿命 的影响，确定适合坚硬地层的最佳浓度范围。 ( 4 ) 胎体性能优化研究 胎体的耐磨性与所钻地层研磨性的适应性直接关系到孕镶金刚石钻头的性能。胎体 硬度和耐磨性过高，金刚石不能有效出刃，产生“打滑”：胎体过软，则金刚石过早脱 落，钻头寿命低。在合理选择金刚石的品级、粒度和浓度的基础上，依据所钻进岩石的 耐磨性，以钻头胎体的磨损速率与金刚石的磨损速率相接近为原则，通过实钻试验，根 据不同研磨性岩石进行胎体配方设计，优化孕镶金刚石钻头性能。 ( 5 ) 新型孕镶金刚石钻头设计 针对四川须家河组强研磨性石英砂岩地层，设计强耐磨性孕镶金刚石钻头。以理论 分析和室内试验作为研究依据，结合试验优选结果，进行钻头的金刚石孕镶块切削齿设 计、冠部形状设计、布齿设计和水力设计。通过这四方面内容的研究，提高孕镶钻头在 实际应用中的破岩效率和使用寿命。 1 4 技术路线 本项目拟采取的技术路线如图1 1 所示。 5 第一章前言 图1 - 1 技术路线图 f i g l - 1t e c h n o l o g i c a lr o u t es h e e t 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章孕镶金刚石钻头与岩石的相互作用机理 2 1 孕镶金刚石钻头的破岩机理 孕镶金刚石的破岩机理，与砂轮的磨削原理相似，即孕镶钻头上的每一微粒金刚石 可以比作砂轮上的一个磨粒。砂轮工作时，是以棱角比较锋利的磨粒压在工件表面，使 表面挤压并发生变形。当砂轮旋转时，挤推力增大，当它超过金属之间的分子结合力时， 表面一部分金属就从工件上分离下来成为磨屑。这个过程习惯上叫做“磨削”。孕镶金 刚石钻头钻进的过程与这相似，由于磨削的深度很小，故属于表面破碎【5 1 。 2 1 1 钻井时机械方式破岩的基本原则 钻井机械破岩是由专门的碎岩工具实现的。单位时间内所破碎岩石的体积，直接与 传至井底的功率数值有关，即 y ：旦( 2 1 ) a v 式中：肛单位时间内所破碎岩石的体积； a 棚碎岩石的能容量。 钻井中可写为： v = ，f ，( 2 2 ) 将( 2 1 ) 和( 2 2 ) 式公式右边部分相等，简化可得： ，：一1 盟 ( 2 3 ) a v 。 设苦= n 。，称它为单位井底功率。可得： 1 ，：丝 l ，一2 - 4 - 、) 1 ，= 一 a r 也就是说，进尺速度与单位井底功率成正比，与破碎岩石的能容量成反比。 孕镶金刚石钻头直接由球齿( 可将金刚石颗粒视为球形) 对岩石进行破碎。分析压模 动压入碎岩时发现，爿y 值越小，所得到的碎岩产物就越大，碎岩产物越大，加在刃具( 金 刚石颗粒) 上的单位载荷也就越高。也就是说，所获得的破岩产物的形式，客观的受碎 岩工具的强度和耐磨性所限制。因此，如果由碎岩刃具可能实施的单位功率为m ，则 有关系式： 等：孝 ( 2 5 ) n o 。 第二章孕镶金刚石钻头与岩石的相互作用机理 这就是单位井底面积上某一时刻所实施的那部分功率。善值大大小于1 。由此可得 到井底岩石机械破碎的第一个原则：为了获得尽可能小的能容量，应以破碎体方式破岩。 钻进过程中，希望n b = 常数。在机械破岩时，只有连续地破碎全部井底面积、均匀地加 深钻井时，才能达到此条件。可以得到第二个原则：为了达到均匀地加深钻孔和保证碎 岩工具的最大破岩效率的目的，需连续地破碎井底【6 j o 2 1 2 钻头底部应力状态分布理论 碎岩刃具具有各种各样的形状，一般在弹性固体中有三种基本的应力分布问题： 平底压头压入时的应力分布问题 圆柱面压头压入时的应力分布问题 球面压头压入时的应力分布问题 孕镶金刚石钻头出刃( 当其最佳状态出现时) 可以认为是与浑圆状的金刚石接触。故 只对球面压头压入时的状态做理论分析。孕镶金刚石钻头属于机械式破岩，金刚石必须 对岩石有一定的侵入量，所以压入破碎在孔底过程中起着重要作用。实际钻进中，孔底 岩石是在垂直载荷与水平载荷同时作用下破碎的，为定性的分析研究钻头底部的应力状 态，假设岩石是均质的、各向同性的弹性体。 ( 1 ) 球体压入时应力分布情况 球面压头与岩石在无载荷时接触于一点，随着球体上载荷的不断增加，则形成半径 为a 的圆形( 图2 1 ) ，根据赫芝理论，接触半径a 由公式2 - 6 表示： 吲巫4 e ( 2 6 ) 式中：尺c 球体半径。接触面中心最大压力为p m “，其中p m 缸= 丽3 p 。 一 。、 7 y 、 i f a ， ， 觋吣彩删 z 图2 - 1 球体压力状况下的计算示意图 f i 9 2 1s p h e r eu n d e rc o n d i t i o n so fp r e s s u r ec a l c u l a t i o nd i a g r a m 压力沿接触面径向截面分布情况( 图2 2 ) ，可用椭圆方程2 7 表示，球体底下的应 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 力场存在着二个危险极值带。一个在对称轴上2 - a 2 处，最大剪应力为接触面中心处 ( z = o ) 最大压应力的1 3 左右。另一个在接触面周边，此处剪应力大于接触面中心的剪 应力，还存在沿径向产生的拉应力【7 1 。 p 一再 协7 ， ，_ ， - 、 弋 办 11 _ 1 r a 一 、i ，、 心 1 2 、 3 z4 矗 1 图2 - 2 压力分布情况及r m p 麟等值线图， a = o 3 时 ， fm pm “值，1 - 0 3 1 , 2 - 0 3 1 , 3 - 0 2 5 ，4 - 0 1 f i 9 2 - 2 t h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s sa n dc o n t o u rm a p 表2 1 列出极值带的最大剪应力的相应值。 表2 - 1 球体压入时f - ，l a x p 的最大值 t a b l e 2 - 1m a x i m u mo fs p h e r ep r e s s i n g 不同值下的f m p m “ 极值带 = 0= 0 2 5= 0 5 0 第一带( z = 0 ，= a ) 0 3 30 1 7o 第二带( z = 孙，= 0 ) 0 3 9o 3 20 2 7 ( 2 ) 轴向力和切向力共同作用下岩石中的应力分布 钻进中破岩工具上往往同时作用有轴向力和切向力。光弹试验表明，仅有轴向力时， 半无限体内的等应力线是对称均匀分布的( 图2 3 ) 。在轴向力和切向力共同作用下等应 力线发生了畸变( 图2 4 ) 。各向压缩区i 随着切向力的增大而缩小，出现了各向拉伸区 i i 和过渡区i i i 。在过渡区中既有压应力又有拉应力的作用。如果切向力的相对值越大， 则应力畸变越严重，极值带沿切向朝接触面边缘偏移越明显，破碎越容易1 6 j 。 9 第二章孕镶金刚石钻头与岩石的相互作用机理 f i 9 2 - 3 图2 - 3 轴向力作用下岩体内的应力分布示意图 r o c kb o d yu n d e ra x i a lf o r c eo ft h es t r e s sd i s t r i b u t i o nd i a g r a m “ 、一 i 1 图2 - 4 轴向力和切向力作用下的应力分布示意图 ( a 卜等应力线图；( b ) - 应力状态特征 f i 9 2 4 u n d e rt h ea x i a lf o r c ea n ds h e a rf o r c et h es t r e s sd i s t r i b u t i o nd i a g r a m ( a ) - e q u i v a l e n ts t r e s sm a p ；( b ) - t h ec h a r a c t e r i s t i c so f s t r e s ss t a t e 2 1 3 球体压入时的破碎机理 工具压入时，由于应力分布的特征，客观上在两个极值带可达到极限应力状态，分 别是在工具边缘和对称轴上深部z d 处【引。 在球体压入岩石的过程中，大多数岩石的极限状态发生在其与岩石接触的四周边 缘，而不是在深度0 5 口处的各向压缩区。但在边缘接触带的环形裂隙向深度发展，同 样受到岩样内部的压缩条件限制，因此扩展不深。当对称轴上0 5 口处己达到在多向压 缩下的极限时，其极限状态向四周迅速扩展，这时，第一组裂隙( 即在球体底部边缘早 期发展的裂隙) 给压实体以外的岩石崩离创造了有利的条件，于是球体压模的底部形成 钝角很大的实体。进一步加大轴载，其变形和破碎过程在很大程度上与平底压模压入岩 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 石相近似。由于环状崩离体的存在，压模底部的极限区迅速发展，对周围未破碎的母岩 压力增大，导致其周围岩石的破碎和崩离，并在极限状态的压实体中留下压密的粉垫并 卸载。这样，在与球体压模接触带，造成了一个脆性破碎状态的钝、锥形漏斗，其过程 如图2 5 所示。 q i p 留) 图2 - 5 球体压入岩石时的裂缝发育过程 f i 9 2 - 5d u n n gt h eb a l lp r e s s e di n t or o c k sc r a c k sd e v e l o p m e n t 在加载过程中，球体与岩石的接触面积不断增大，一直到两者的弹性变形中止。但 外载与接触面积的增大，不是呈直线关系的，如图2 - 6 所示。 p i 魄 趔 锤 - t h 0 接触面积 f c m 2 图2 - 6 外载与压模和岩石接触面积的增长比 f i 9 2 6t h eg r o w t hr a t i ob e t w e e ne x t r i n s i cl o a d & p r e s s u r es t e n c i la n dr o c kc o n t a c t a r e a 2 2 孕镶金刚石钻头的磨损机理 孕镶金刚石钻头破碎岩石的同时，钻头本身也被岩石所磨损。孕镶金刚石钻头的磨 损机理比较复杂，不仅与岩石的物理力学性质，特别是研磨性密切相关，而且受钻头本 身的结构性能和钻井规程参数等多种因素的影响，至今还没有明确的理论研究。但普遍 第二章孕镶金刚石钻头与岩石的相互作用机理 认为，岩石对孕镶金刚石钻头的磨损同其它固体的磨损一样，起因于摩擦，是金刚石和 胎体在轴向载荷和回转载荷的共同作用下沿着所钻岩石表面滑动摩擦的结果。孕镶金刚 石钻头的磨损，包括金刚石和胎体磨损两方面内容。 2 2 1 金刚石的磨损 孕镶金刚石钻头的金刚石磨损，通过对钻进后孕镶金刚石钻头的底唇面显微观察和 岩粉颗粒的分析，在正常钻进规程的条件下可归纳为四种类型：脆性碎裂、研磨磨损、 热磨损和脱粒。 金刚石在钻进过程中要发生脆性碎裂，其产生的原因：一是由于金刚石表面不平滑， 具有条纹、小穴、凹坑等非常复杂的表面结构，金刚石的这些缺陷和表面损伤对金刚石 强度影响很大，也是应力集中和发生显微裂隙的根源。二是金刚石在孔底工作时，承受 轴向载荷和切线方向回转力。在钻进时，载荷的切向分力是造成金刚石破碎的最大危险， 因为金刚石抗弯强度大大低于抗压强度。脆性破碎的危险还由于所施加载荷的动力性质 而增加。当金刚石压入岩石并作水平方向运动时，金刚石承受压载载荷和弯曲载荷，金 刚石的显微裂纹发展，使金刚石发生脆裂。金刚石颗粒的硬度和强度具有各向异性，所 以碎裂程度不一样，再加上金刚石颗粒本身强度不等，在胎体中分布不均匀，颗粒磨损 程度不等等原因，致使金刚石在底唇面上的出刃量就大小不一。根据资料及现场试验， 表、孕镶金刚石的磨损还有区别，大颗粒金刚石的磨损具有晶粒显微碎裂的特征；而对 孕镶钻头，金刚石的磨损具有晶粒沿整个截面碎裂的特征。 研磨磨损是钻进过程中被破碎脱落的金刚石碎粒、胎体表面脱落的碳化钨颗粒、以 及岩粉中坚硬矿物颗粒等与金刚石的出刃表面相互摩擦的结果。在显微镜下观察到金刚 石出刃的表面沿其运动方向有许多条状沟槽，这就是研磨磨损的特征。 热磨损是由于金刚石在岩石面上作干摩擦运动时，其接触面上的温度可达l 0 0 0 以上所产生的大量热量，如果不及时由冲孔的冷却液带走，就会导致金刚石石墨化，即 产生热磨损。 脱粒是由于钻头胎体过度磨损失去了对金刚石颗粒的包镶能力而产生的，金刚石脱 粒后在钻头胎体上留下坑痕。i ； 2 2 2 胎体的磨损 ( 1 ) 胎体的磨损分析 孕镶金刚石钻头在破碎岩石的同时，其胎体要受到所钻岩石及其岩屑颗粒，以及脱 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 落的金刚石碎粒的共同研磨作用而磨损。先是胎体中的粘结金属被磨损，因为粘结金属 的硬度和耐磨性不仅比骨架材料低得多，而且比较硬的造岩矿物石英、长石低得多，因 而易被岩石颗粒所磨损。之后才是骨架结构的磨损。若此时采用正常规程钻进，胎体与 岩石的摩擦功不大，骨架材料只能产生氧化和疲劳剥蚀；若采用强力规程钻进，胎体与 岩石的摩擦功增大，摩擦面温度升高，粘结金属强度，磨损得更快，便造成骨架材料和 金刚石的脱落。而脱落的骨架材料和金刚石碎粒又进一步研磨胎体，导致胎体继续磨损。 因此，钻头胎体的磨损主要是粘结金属超前磨损和随后的骨架材料脱落的过程不断重复 的结果。 ( 2 ) 胎体耐磨性的计算 目前确定金刚石磨损强度缈根据下列公式计算： 缈： ! 竺鱼q 望：! ( 2 8 ) n ( d + d ) n p 式中：口一每钻进l m 时金刚石的单位消耗量，克拉m ： v 一钻头机械钻速( m ，h ) ； 一在l c m 3 胎体中的金刚石数量，粒c m 3 ； d 、d 一钻头的外径和内径，c m ； 刀一钻头的转数，r m i r a p 一轴向载荷，n ； 一金刚石与岩石的摩擦系数。 金刚石的耐磨性等于l 缈。求得金刚石的耐磨性之后，那么胎体材料与所钻岩石及 岩粉颗粒相摩擦时，也应具有这样的耐磨性。 磨损强度c o 指金刚石被消耗的体积与其消耗功之比，用缈表示，单位为i n n 3 k g f m 。 试验中所采取的判断胎体耐磨性的方法是对所钻岩石的岩样进行岩石矿物成分鉴 定和物理力学性质的测定，然后依据岩矿鉴定、测试结果制成微型钻头在室内试验台上 进行实钻试验，观察钻头出刃情况和钻进效率高低。如果钻头的金刚石不断出刃，钻进 效率高，则认为钻头胎体耐磨性与所钻岩石的研磨性相适应，否则，便认为不适应，要 继将胎体材料重新加以调整后，制成钻头再进行试验，尽量使两者相适应。 1 3 第二章孕镶金刚石钻头与岩石的相互作用机理 2 3 孕镶金刚石钻头钻进坚硬地层过程中的破岩与磨损过程 2 3 1 孕镶钻头钻进坚硬强研磨性地层 孕镶钻头钻进坚硬强研磨性地层时，金刚石磨削岩石，克取岩石产生迸尺。另一方 面，由于岩层研磨性强，对金刚石钻头产生破坏。主要有两种表现形式：一是金刚石的 断裂( 如图2 7 a ) ，二是由于包镶不够而引起的脱落【9 1 ( 如图2 7 b ) 。 1 2 3 1 胎体2 金刚石3 岩石1 胎体2 一金刚石3 一岩石 图2 - 7 ( a ) 金刚石断裂时状态 图2 7 ( b ) 金刚石脱落时状态 1 - m a t r i x2 - d i a m o n d3 - f i g u r el - m a t r i x2 - d i a m o n d3 - f i g u r e f i 9 2 - 7 ( a ) d i a m o n df a u l t i n gs t a t u sf i 9 2 7 ( b ) d i a m o n dl o o s es t a t u 金刚石断裂是由于金刚石脆性很大，而钻进的岩石坚硬且研磨性强，在强研磨性岩 石的岩粉对金刚石产生冲击力或碰撞的情况下，很容易发生断裂；金刚石脱粒是由于岩 粉颗粒克取胎体和金刚石，岩粉又不能及时、迅速的排除，这些岩粉又形成重复破碎， 岩粉的强研磨性很容易破坏胎体，使胎体对金刚石的包镶不够而脱落。 通过以上分析可知，若减少上述两种形式的破坏发生，可通过减少金刚石的出刃量， 即使用细颗粒金刚石，或是使用较高的金刚石浓度；为减少岩粉对胎体的破坏程度，可 通过增加胎体硬度和耐磨性，提高胎体对金刚石的包镶能力来实现。 2 3 2 孕镶钻头钻进坚硬弱研磨性地层 金刚石钻头在钻进极坚硬弱研磨性地层时，金刚石克取岩石如图2 8 a 所示，由于 岩石非常坚硬致密，从而导致金刚石在克取岩石的同时，岩石对金刚石的磨损也较快， 这样钻头在钻进极短的时间内，岩石磨损金刚石就导致金刚石表面出现一个小的平面， 如图2 8 b 所示。这些小平面大大增加了金刚石与岩石的接触面积，从而降低了岩石与 金刚石之间的单位面积上的接触压力。当金刚石施于岩石表面上的压力小于极坚硬地层 的抗压强度时，金刚石就不能有效地破碎岩石，这时钻头钻进岩石就不进尺，即出现打 滑现象【l o j 。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 胎体2 金刚石3 岩石1 胎体2 金刚石3 岩石 图2 - 8 ( a ) 金刚石工作时状态图图2 - 8 ( b ) 金刚石磨钝时状态 1 m a t r i x2 一d i a m o n d3 r o c k1 一m a t r i x2 d i a m o n d3 r o c k f i 9 2 - s ( a ) d i a m o n dw o r k i n gs t a t u sf i 9 2 8 ( b ) d i a m o n df l a t - b e ds t a t u s 由于产生的岩粉较细，导致岩石对钻头胎体的磨损相对较慢，钻头胎体表面被磨钝 的金刚石既不能有效地破碎岩石，也不能从钻头胎体表面自行脱落，这些被磨钝的金刚 石上端被胎体包裹，下端与岩石形成吻合的面接触( 如图2 - 8 b 所示) ，此时金刚石实际 上处于接近二向受力状态，而金刚石有极强的抗压能力，要想压碎金刚石十分困难，同 时由于金刚石被牢镶在胎体中，要想让其脱落也极不容易。再加上钻头不产生进尺后， 钻头与岩石的接触面不产生岩粉或岩粉量极少，而岩粉是胎体磨损的主要因素，没有岩 粉必然导致钻头胎体不被磨损，从而与岩石接触的胎体包镶着的金刚石就不能脱落，里 面的金刚石就不能及时出露，结果是金刚石克取岩石过程的中断。 从上述分析可知，打滑是钻进坚硬弱研磨性岩层的主要问题。为了解决打滑问题， 一般认为使用大粒度和低浓度，这样可增加金刚石的出刃量，同时增加切削力；为了使 磨平的金刚石及时脱落，致密弱研磨性岩层宜使用较软的胎体。 以上对两种研磨性地层的钻进和磨损分析，只是从理论上做简要分析，下面将在理 论指导下从试验入手，研究金刚石参数和胎体性能对两种研磨性地层的钻进效率和寿命 产生的变化规律。 1 5 第三章孕镶金刚石钻头参数优选 第三章孕镶金刚石钻头参数优选 孕镶金刚石钻头参数优选主要包括金刚石品级、金刚石粒度和金刚石浓度的选择。 不同品级的金刚石往往价格差异很大，故金刚石品级的选择要根据岩层情况兼顾钻头效 率、寿命和经济效益；金刚石的粒度和浓度相对于某一种岩层都有一个最优值，有的可 按公式计算，有的可按经验数据给出，更为重要的是这两个参数之间有机的配合。为了 发挥孕镶金刚石钻头钻进的最优效果，必须根据岩石的性质、强度、研磨性和完整程度 等合理选择金刚石钻头各参数。 本文选取四种不同研磨性岩样作为代表，通过室内微钻头试验，在根据岩性优选品 级的基础上，对4 种粒度和4 种浓度相配合的孕镶金刚石钻头进行对比研究，优选适合不 同研磨性岩样的金刚石参数。 3 1 金刚石参数对钻头性 月匕1 5 的影响分析 3 1 1 金刚石品级对钻头性能影响分析 3 1 1 1 金刚石品级的分类 人造金刚石品级根据不同的要求有不同的分类标准。一些生产金刚石的公司和国家 一般划分品级如表3 1 所示【1 1 1 。 表3 - 1 金刚石生产国家( 或公司) 品级与产品系列 t a b l e 3 - 1t h eg r a d ep r o d u c ts e r i e so fd i a m o n d - p r o d u c i n gc o u n t r i e s ( o rc o m p a n i e s ) 低品级中等品级高品级 金刚石生产公司( 或国家) ( l o wq u a l i t y )( m i d d l eq u a l i t y ) ( h i 曲q u a l i t y ) g e c or v gm b gm b s d e b e e r s c oc d am d as d a 中国 r v dm b ds m d 由表可见，各公司( 或国家) 一般将金刚石分为三个大系。其中r v g 、c d a 和r v d 属于低品级，主要用于树脂、陶瓷结合剂工具；m b g 、m d a 和m b d 属中等品级，主 要用于金属结合剂工作；而m b s 、s d a 及s m d 属高品级，主要用于锯切和钻探工具。 在几种品级金刚石中，还可以根据晶形、抗压