金刚石钻头钻进坚硬致密弱研磨性岩层的研究.doc

金刚石钻头钻进坚硬致密弱研磨性岩层的研究1 、坚硬致密弱研磨性岩层特点坚硬致密弱研磨性岩层，又称打滑地层。在这类岩层进行金刚石钻进时经常出现金刚 石钻头打滑现象，致使钻进效率低，或根本不进尺。打滑地层具有以下三个特点：（1）岩石硬度大，石英含量高。其岩石压入硬度一般可达 5000MPa，其中部分在 5500 6500 MPa 之间，个别甚至高达 7000 MPa。（2）强度高。这类岩层造岩矿物细，粒度多为 0.010.2mm，硅质胶结，颗粒之间结 合力大，结构致密，整体强度高，其单轴抗压强度达 150MPa 或更高。（3）研磨性弱。由于钻进时效低，岩粉少且岩粉颗粒细，对钻头胎体磨损甚微，金刚 石难以出刃。解决在这类岩层中钻进效率低的问题，是钻探行业长期存在的一大技术难题。2、解决打滑地层钻进问题的重要意义坚硬致密弱研磨性岩层虽然在一般矿区所占比例不大，但由于钻头打滑现象的发生，即使只有几米或十几米这种岩层也要耗费大量时间和钻头，十天或二十天，甚至一个月，导致整个钻孔施工周期延长，勘探成本增高，经济效益明显下降。我国大部分地区都存在这类岩 层。因此，解决该类岩层钻进打滑问题极有必要性。3、钻进坚硬致密岩层的金刚石钻头现状自从上世纪 70 年代初推广金刚石钻探技术以来，钻进硬岩的许多问题似乎都迎刃而解了，机械钻速、钻探质量大为提高。但是新的技术难题，在某些岩层钻头打滑现象出现钻 进时金刚石钻头在岩石上打滑而不进尺，或进尺极慢，时效常在 0.10.2m 左右；回次进尺 仅 0.20.5m 左右，钻头使用寿命 23m。自打滑现象成为钻进坚硬致密弱研磨性岩层的主要矛盾以来，对解决钻进时钻头打滑问 题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。进行了多次实验及生产实践，产生了很多克服钻头打滑的方法，例如金刚石钻头人工出刃的方法，如打磨法、喷砂法、唇面酸蚀法、孔底投砂研磨法等；后来又借鉴国外的思路使用软胎体钻头；另外还制造各种异形唇面钻头， 如高低刃及同心圆尖齿唇面钻头等。同时，自 20 世纪 80 年代推广冲击回转钻进方法以来， 采用金刚石液动冲击回转钻进方法，调节好冲击功和优化钻进参数，比较好地克服了钻头打滑现象，从钻进方法上取得了实质性进展。3.1 金刚石钻头人工出刃打磨法、喷砂法及唇面酸蚀法，都是采取辅助手段磨损钻头胎体，使新的锋利金刚石出 露继续破碎岩石。采用这种办法，人为降低了钻头的寿命，此外，需要频繁提钻，操作起来很麻烦，并且大幅度增加了辅助工作时间，影响了工程进度，降低了经济效益。采用孔底投砂研磨和冲洗中加砂的办法就是在钻进过程中，当钻头出现钻进进尺缓慢时，就通过钻杆向钻孔内投入细小的磨料、石英颗粒等，通过这些磨料使钻头胎体磨损,可使钻头唇面上的金刚石出刃。上述办法可以做到不频繁地提钻，辅助工作时间增加不多。但是如果投砂量过多，或投砂研磨的时间掌握不好，导致钻头的磨损加快，降低钻头寿命。冲洗液中加砂则人为地增加了钻杆、钻具、泥浆泵等设备的严重磨损，降低其使用寿命。上述两种经人工出刃处理的方法虽然有效果,但往往在钻进几厘米或十几厘米后又会出现打滑，回次进尺短，钻头寿命短。金刚石钻头人工出刃方法只是解决打滑问题的一种应急 辅助手段，不是根本的解决方法。3.2 软胎体钻头钻进打滑地层时，人们往往为了加快胎体磨耗，加速金刚石出刃，采取降低胎体硬度的 办法。80 年代国内钻探界曾借鉴日本和瑞典钻探界的经验，采用软胎体（HRC1015），细颗粒(80/100)和高强度金刚石。但是在这类岩石中钻进，需要较高的钻压，而较高的钻压容 易使软胎体变形，金刚石在钻头中得不到有效的固定。实践证明，用软胎体克服钻头打滑现象效果并不好。因为金刚石钻头钻进坚硬地层时，很快被磨钝，而破碎岩石时产生的岩粉少且细，很难使胎体磨损，很难使已磨钝的金刚石脱落，并出露新的金刚石。而且如果胎体过软，就会造成金刚石钻头整个胎体强度不够，甚至钻头变形而无法使用。因此胎体的耐磨性要选适中，不能过大或过小，过大则金刚石无法出刃，导致时效过低；过小则钻头寿命大为 降低，增加成本，降低了经济效益。3.3 异型唇面钻头3.3.1 高低齿金刚石钻头高低刃金刚石钻头，其设计指导思想是要减少钻头唇面与孔底岩石面之间的接触面积，提高金刚石钻头唇面对岩石的单位面积压力。从理论上分析，这种设计思想有一定道理。因为经验已经证明，在钻进坚硬地层时需要很大的孔底压力，那么钻进坚硬致密岩层时就需要更大的孔底压力。但是目前的钻杆，钻具及钻机等设备能力不具备，因而只能在提高钻头单位面积压力上想办法，高低齿钻头便是其中一种。实际上这种高低刃金刚石钻头的使用效果并不理想，因为开始是高刃破碎岩石，钻进时效能得到提高；随着高刃磨损低刃参加工作，钻头唇面与岩石接触面积逐渐增大，钻头的比压下降，整个钻头的大部分钻进时间同普通钻 头没有多少区别。3.3.2 同心圆尖齿钻头使用同心圆尖齿唇面钻头克服钻头打滑现象确有一定效果。因为钻进开始时，钻头唇面上单位面积压力大大提高，因而可以提高钻头初期钻进速度。同时这种钻头在孔底形成了一个具有波峰波谷形状的工作面，冲洗液在经过孔底工作面时，水流不容易沿着工作面的波峰与波谷表面流过，这样波谷处必然留有一些岩屑没有及时被冲走，由于这些岩屑对钻头胎体的磨损作用，使已磨钝的金刚石脱落，出露新的锋利的金刚石。但是这种钻头在钻进一段时间后，尖齿磨平，钻速下降很快，优势不复存在，与普通钻头没有两样。3.4 优选金刚石参数金刚石强度对钻进效率起决定性的作用，金刚石的强度越高，承受的钻压越大，钻进效 率越高。但并不是说金刚石强度越高越好。因为不但要考虑所钻进的岩石性质，还要考虑金刚石的单价问题，必须综合考虑技术经济效益。 金刚石粒度对孕镶金刚石钻头的不断出刃起重要作用，对钻进效率有明显的影响。因为它能改变钻头胎体的磨损速率和金刚石的出露状态。在坚硬致密弱研磨性岩层，宜选用金刚 石品级高而粒度较粗的钻头。用于坚硬致密弱研磨性岩层的金刚石钻头的金刚石浓度应比常规金刚石钻头低，但是也 不能过低，孕镶钻头一般可选取 50左右的浓度。金刚石浓度的计算公式可由下式确定： C=(M/4.4V)100%式中，C金刚石浓度（）；M每个钻头实际使用的金刚石质量（克拉）；V每个钻头工作层的体积（cm3）。4、钻进坚硬致密岩层的金刚石钻头新进展以上的方法对解决打滑地层钻进难的问题确实有一定效果，但并未从根本上解决问题。 经过钻探工作者多年的探索与实践，认为解决坚硬致密弱研磨性岩层的金刚石钻进打滑问题 和提高其钻进效率的关键，是设计与该类岩层相适应的金刚石钻头和选择合理的钻进方法与 钻进规程参数。4.1 弱包镶金刚石钻头近几年来，中南工业大学研究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。在设计制造这种弱包镶防打滑金刚石钻头时，其关键问题是要根据岩石对胎体的磨损能力来选择合适的弱包镶程度，只有当金刚石工作到一定程度，即不能有效刻取和破碎岩石时，才能让其脱落。若金刚石脱落过早，降低了金刚石的利用率，造成浪费；若金刚石脱落过迟，钻头又会出现钻速低或不进尺，达不到设计弱包镶的目的。弱包镶的材料，过去仅限于金刚石，实践证明，除金刚石以外还有其它脆硬材料，如微型玻璃球、碳化硅颗粒以及其它人造 硬质材料等。现行的弱包镶防打滑钻头大多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 28，平均时效为 2.8/，取得了好的钻进效果。采用电镀方法制造防打滑钻头，目前研究得很少，因为常规的电镀金刚石钻头主要适用于中硬-硬、较完整、中等岩层的钻进。对于坚硬致密弱研磨性岩层，电镀钻头的机械钻速同样很低，严重地影响了钻探工程的进程。经过几年的分析，初步试验，对电镀法制造防打滑钻头的主要指导思想是：减小钻头切削岩石的接触面积，提高钻头的比压，达到提高钻进效果的目的。这样，不采用软胎体，而采用较硬的胎体，可以收到一定的效果，但是仍然不 能满足要求。对于 Ni-Co 胎体，镀层中 Co 的含量要低，以防止胎体硬度过大，金刚石无法 出刃。而电镀弱包镶防打滑钻头，目前尚未见详细报道，只有一篇文献2涉及过用电镀方 法制造的想法。我们课题组正就电镀弱包镶金刚石钻头进行研究试验，已经取得了明显进展。4.2 二合一型金刚石钻头二合一型金刚石钻头是指在工作层中，由采用金属结合剂包镶金刚石的工作层和采用其它结合剂包镶人造硬质颗粒的视工作层两部分组成。视工作层即看作工作层而不直接起破碎岩石作用的部分。视工作层多以柱状、有规律地分布在金刚石工作层中，它的硬度与耐磨性均比金刚石工作层低，因而钻进中很容易被磨损，消耗钻压很小。视工作层中的人造硬质颗粒较容易从胎体中脱落，它主要起磨损包镶金刚石胎体的作用。视工作层的数量、规格和性能可以依金刚石工作层的性能和岩石的性质而任意调整，因此，可以达到提高钻头压力和提高钻头自锐的能力，在坚硬致密岩层中钻进可以获得高的钻进指标。中国地质大学超硬材料 应用技术研究所正着手开发这项科研成果。5、坚硬致密岩层钻进工艺现状采用常规钻进方法钻进坚硬致密岩层时，由于岩石坚硬致密，必须有大比压才能切入并将其破碎；同时这类岩石含石英量高，不同于完全脆性岩石，其破碎发育需要时间过程，因此钻头不能采用太高的转速；钻进这类岩石的时效低，岩粉量小，无须采用大泵量。实践证明，常规钻进方法中尽管采用合理的钻进规程，仍然没有从根本上解决有效钻进坚硬致密岩 层的问题。冲击回转钻进法是目前克服金刚石钻头打滑的一种比较行之有效的办法。因为在静压回 转的基础上，高频液动冲击器再给钻头施加一定能量的冲击功，使岩石的塑脆性发生一定程度的转变，能有效地破碎岩石；同时