第三章金刚石钻进介绍.ppt

岩心钻探技术 主讲 蒲华 第三章金刚石钻进第一节概述一 金刚石钻进的发展1862年出现金刚石钻进 至今已有一百多年 在此期间 从钻头制造 钻探设备 钻进工艺等方面都有较大的发展 二 金刚石钻进的优越性钻进效率高 钻孔质量好 装备轻 劳动强度低 孔内事故少 钻探成本低 应用范围广 云南国土资源职业学院 三 金刚石钻进的孔底碎岩过程1 表镶金刚石钻头碎岩的基本过程破碎坚硬脆性岩石 以压裂压碎为主 剪切切削破碎为辅 破碎中硬塑性岩石 以剪切切削为主 压裂压碎破碎为辅 2 孕镶金刚石钻头碎岩的基本过程观点一 与砂轮磨削相似 即钻进时 金刚石压在岩石表面 使岩石表面受到挤压并变形 在回转力作用下推挤岩石表层 当推挤力超过岩石分子间结合力时 使岩石表层从整体上分离下来 观点二 与表镶钻头相同 区别仅在金刚石颗粒小 故切入深度小 云南国土资源职业学院 第二节钻探用金刚石一 金刚石的分类1 天然金刚石地下碳元素在火山筒内的高温高压下结晶而成 常用 包尔兹 和 刚果 两种 2 人造金刚石将石墨放在人为的高温高压下而生成 人造金刚石又分为单晶 聚晶和复合片三种 云南国土资源职业学院 二 金刚石的品级1 天然金刚石钻头级 作边刃和底刃 碎粒级 作侧刃和扩孔器 2 人造金刚石单晶 按强度分 15000 以上的用于孕镶钻头 聚晶 按磨耗比分 1 15000用于作表镶钻头 孕镶钻头和扩孔器 三 金刚石粒度金刚石的计量单位为克拉 度量常用一克拉多少粒表示 对于粗颗粒而言 或 目 表示 对于细颗粒而言 云南国土资源职业学院 表4 4天然金刚石品级分类表 云南国土资源职业学院 表4 5人造金刚石品级分类表 云南国土资源职业学院 表4 6人造金刚石聚晶品级分类表 云南国土资源职业学院 四 金刚石的性质1 金刚石的力学性质硬度 已知矿物中硬度最大 为莫氏10级 强度 具有极大的抗静压强度 约88000kg cm 耐磨性 极高 具有各向异性 云南国土资源职业学院 2 金刚石的物理性质热膨胀性 低温时线膨胀系数极小 有利于镶嵌 导热性 良好 对钻头的冷却有利 热稳定性 较差 对钻头的制造和使用均不利 3 金刚石的化学性质化学稳定性好 有利于金刚石回收 高的亲油疏水性 有利于钻具润滑 云南国土资源职业学院 第三节金刚石钻头和扩孔器一 钻头的类型和规格1 按金刚石包镶形式分表镶钻头 用于钻进中硬至坚硬比较完整的地层 孕镶钻头 用于钻进坚硬及较破碎的地层 复合片钻头 用于钻进中硬地层 2 按钻头用途分钻进用钻头 取心钻头 不取心钻头 绳索取心钻头 泥浆钻头 其他用途钻头 套管钻头 扩孔钻头 锥形钻头 云南国土资源职业学院 3 按所配岩心管分 单管钻头和双管钻头 4 按壁厚不同分 标准钻头 壁厚8 8 5毫米 常用 厚壁钻头 壁厚10 10 5毫米 用于绳索取心钻头 薄壁钻头 壁厚小于8毫米 用于钻进非常完整的地层或混凝土 5 按成因不同分 天然金刚石钻头和人造金刚石钻头 6 按制造方法不同分 冷压钻头 热压钻头 无压钻头 电镀钻头 云南国土资源职业学院 图1 4 12金刚石钻头 a 表镶金刚石钻头 b 孕镶金刚石钻头 c 复合片钻头 二 钻头的组成部分由金刚石 胎体和钻头体三部分组成 1 金刚石部分底刃 碎岩主力 要求较高 边刃 碎岩 保径 要求最高 侧刃 保径 金刚石质量较差 2 胎体功用 包镶金刚石 并与钻头体连接 成分 碳化钨做骨架 铜镍做粘接剂 3 钻头体材料 中碳钢 类型 单管 双管 云南国土资源职业学院 图1 4 13金刚石钻头的结构 a 表镶钻头 b 孕镶钻头 1 金刚石 2 胎体 3 钻头体 4 水口 图1 4 14表镶金刚石钻头刃部1 底刃金刚石 2 边刃金刚石 3 侧刃金刚石 4 胎体 5 钻头体 云南国土资源职业学院 图1 4 14孕镶金刚石钻头刃部1 金刚石 2 工作部分胎体 3 非工作部分胎体 4 钻头体 h 孕镶层高度 云南国土资源职业学院 三 金刚石钻头的结构分析结构要素包括 金刚石的 质量 含量 粒度 排列 胎体性能 水道数目和形状 底唇形式 1 金刚石质量表镶钻头比孕镶钻头的好 岩石越硬 研磨性越强 质量应越好 云南国土资源职业学院 2 金刚石的含量孕镶钻头比表镶钻头稍多 钻头直径越大 则金刚石量多 反之则少 岩石的研磨性越强 则金刚石量多 反之则少 岩石越坚硬 致密 则浓度越低 金刚石质量好 粒度细 则浓度低 云南国土资源职业学院 3 金刚石粒度与出刃软至中硬岩层采用大出刃 硬而中等研磨性岩层采用较小出刃 破碎 裂隙发育岩层则用最小出刃 岩层越硬 粒度越小 岩层越致密 粒度越小 孕镶钻头的出刃由胎体的性能来保证 云南国土资源职业学院 4 金刚石的分布与排列原则 对表镶钻头而言 塑性岩石采用较疏松的排列 有利于排粉 硬而完整的岩石 采用较密的排列 以增加克取点数 破碎 裂隙岩石采用密的排列 使冲击载荷分散 保证孔底截面全被破碎 底唇金刚石有部分重叠 有足够的密度 过稀则钻头寿命短 过密则易产生裂纹 应使每颗金刚石的克取工作量相等 外侧多于内侧 尽量定向镶嵌 以提高钻头的耐磨能力 云南国土资源职业学院 5 胎体的性能对胎体性能的要求胎体性能调节 通过改变骨架材料和粘接金属的配方比例 通过不同压制密度调节 胎体的作用 牢固包镶金刚石并与钻头体牢固连接 孕镶钻头还应具有自锐作用 云南国土资源职业学院 胎体和金刚石相应的磨耗状态a 胎体硬度适当b 胎体偏软c 胎体太硬 云南国土资源职业学院 6 水道数目和形状组成 水口和水槽作用 保证冲洗液流通 水道数和尺寸取决于下列因素 孕镶比表镶多 大直径比小直径多 软岩比硬岩多 泥浆比清水多 水口形状 直 螺旋 带水眼的水口 7 内外刃补强对孕镶钻头而言 主要是提高内外径的耐磨性 表镶钻头因为有内外侧刃 故不存在补强 云南国土资源职业学院 8 唇面形状矩形唇面 用于孕镶钻头 圆弧形唇面 用于钻进中硬和中等研磨性岩层 半圆形唇面 用于钻进坚硬和强研磨性岩层 阶梯形唇面 用于绳索取心钻头 钻进中硬岩层 锥形唇面 用于绳索取心钻头 防斜性好 底喷形唇面 用于破碎地层钻进 可提高采心率 齿形唇面 用于孕镶钻头 钻进硬而致密的打滑地层 云南国土资源职业学院 四 扩孔器1 功用修正孔径 导正钻头 贮存卡簧 单管扩孔器 2 扩孔器的类型和规格类型 与钻头基本相同 规格 一般比钻头外径大0 3 0 5毫米 3 扩孔器的组成部分由金刚石 胎体和扩孔器钢体三部分组成 云南国土资源职业学院 第四节金刚石钻头和扩孔器制造工艺一 金刚石钻头的制造方法1 冷压浸渍法此法的工艺特点是压制成型与烧结分开 先将金刚石与骨架金属于常温下在钢模中压制成型 退模后将成型的半成品与粘接金属一起置于加热炉中烧结 在高温下 低熔点的粘接金属熔化并浸渍入骨架金属的孔隙中 将胎体固结 此法主要加工表镶钻头 冷压法的优点 便于大量生产 加工成本低 冷压法的缺点 质量不稳定 烧结温度高 云南国土资源职业学院 2 热压烧结法此法的特点是形成钻头胎体的金属混合料和金刚石在石墨模具中 在加热过程中 当接近塑性状态时 受到压力的作用而成型 即加热和加压相结合 此法主要用于加工孕镶钻头 热压法的优点 质量较高 烧结温度低 时间短 热压法的缺点 成批生产的连续性差 石墨模具消耗大 云南国土资源职业学院 3 无压浸渍法此法的特点是将金刚石与骨架金属于常温下在石墨模中成型 然后加入粘接金属 置于加热炉中烧结 在高温下 低熔点的粘接金属熔化并浸渍入骨架金属的孔隙中 将胎体固结起来 在整个胎体成型和烧结过程中 不加压力 无压法的优点 钻头成型好 质量高 能加工形状复杂的钻头 设备和工艺简单 无压法的缺点 石墨模具消耗较大 云南国土资源职业学院 4 低温电镀法此法是利用金属电镀原理将粘接金属镀到铺有金刚石砂的钻头体上 电镀法的优点 温度低 加工设备简单 不消耗模具 钻头成本低 电镀法的缺点 钻头尺寸难控制 胎体性能难调节 电镀时间长 云南国土资源职业学院 二 金刚石扩孔器制造工艺金刚石扩孔器制造方法与钻头的制造方法一样有冷压法 热压法 无压法和电镀法四种 其所用的设备 原料 制造工序 基本与制造钻头时相似 只是所用的模具不同 云南国土资源职业学院 三 金刚石的回收1 回收率表镶钻头和扩孔器 50 65 孕镶钻头和扩孔器 15 25 2 回收方法酸蚀法 利用强酸的腐蚀作用 将胎体中的铜分离出去 使金刚石脱落 电解法 利用电解原理分离出胎体中的铜 使金刚石脱落 云南国土资源职业学院 第五节金刚石钻进规程金刚石钻进规程参数 钻压 转速 冲洗液量 影响金刚石钻进规程参数的因素 岩石的物理力学性质 钻头类型 钻孔直径 钻孔深度 所用设备和钻具的性能 工艺技术条件等 基本钻进规程 以高转速为主体 配合适当的压力和冲洗液量 云南国土资源职业学院 一 钻压1 钻压与钻速及金刚石磨损的关系在一定范围内 钻压增加 钻速增加 金刚石磨损增加 2 钻压的理论计算表镶金刚石钻头的钻压P Gp kg 式中G 钻头上的金刚石粒数 p 单位金刚石上允许的压力 Kg 粒 对细粒金刚石 p约1 1 5Kg 粒 对中粒 p约1 5 2Kg 粒 对粗粒金刚石 p约2 3Kg 粒 特优级金刚石 p约5Kg 粒 云南国土资源职业学院 钻压对钻速和金刚石磨损的影响 云南国土资源职业学院 孕镶金刚石钻头的钻压P Sp kg 式中 S 钻头实际的工作唇面面积 cm2 p 单位底唇面积允许的压力 Kg cm2 对中硬岩石推荐 p约40 50Kg cm2 对坚硬岩石或金刚石质量高者 p约60 70Kg cm2 云南国土资源职业学院 不同直径金刚石钻头所需压力 单位 公斤 云南国土资源职业学院 3 具体确定钻压时应考虑的因素岩石性质 软岩应减小钻压 硬岩应增加钻压 岩石破碎应减小钻压 钻头类型 表镶钻头钻压稍大于孕镶钻头钻压 金刚石的质量 数量和粒度 金刚石质量好 数量多 粒度大 钻压应大些 反之 钻压应小些 云南国土资源职业学院 克取岩石的面积 克取岩石面积大 钻压应大些 反之 钻压应小些 施加钻压的阶段性 初期钻压小于正常钻压 孔底钻压损失 钻杆柱弯曲 冲洗液的反作用力 冲洗液的浮力 云南国土资源职业学院 二 转速1 转速与钻速的关系转速增加 钻速增加 2 转速的计算孕镶钻头 周速1 5 3 0米 秒 表镶钻头 周速1 0 2 0米 秒 3 金刚石钻进转速划分高转速 700转 分钟以上 中转速 400 600转 分钟 低转速 200 300转 分钟 云南国土资源职业学院 4 选择合理的转速还应考虑以下因素钻头类型 表镶钻头要求的转速低于孕镶钻头 钻头直径 大直径钻头的转速低于小直径钻头 岩层的性质 在中硬完整的岩层中钻进 可采用高转速 如果岩层破碎 裂隙发育 软硬不均 孔壁不稳 不均 宜采用低转速 云南国土资源职业学院 金刚石的粒度 粗粒钻头的转速低于细粒钻头 钻孔的深度 浅孔 宜采用高转速 反之 应降低转速 钻孔的结构 钻孔结构简单 环空间隙小 应采用高转速 反之 应降低转速 其他因素 机械设备 钻杆柱强度 润滑条件等 云南国土资源职业学院 不同钻头适用转速 转 分钟 云南国土资源职业学院 三 冲洗液量1 冲洗液的功用冷却钻头 排除岩粉 润滑钻具 调节胎体正常磨耗 2 冲洗液量对钻进的影响泵量太大 钻压损失大 钻具振动加剧 冲蚀钻头胎体 冲刷孔壁 泵量太小 排粉不畅 产生重复破碎 增加金刚石消耗 易出现烧钻 云南国土资源职业学院 3 冲洗液量的计算由于金刚石钻进时钻孔环状间隙小 冲洗液的流动阻力很大 所以金刚石钻进基本是以不大的泵量和较高的泵压来工作的 其大小一般根据液流上返速度来确定金刚石钻进所需的泵量Q Q 6sv L min 式中 v 液流上返速度 不小于0 3 0 5m s s 钻孔的环空面积 cm2 6 是由单位换算所产生的系数 云南国土资源职业学院 4 如何根据泵压变化判断孔内情况泵压小幅波动 一般是孔底换层的征兆 泵压突然增大 发生了严重的岩心堵塞 泵压突然下降 一般是钻具折断或脱扣 防止金刚石钻头烧钻是生产中一项重要的工作 试验表明 当转速为800r min 钻头唇面压力为10Mpa时 钻头每转一圈 胎体温度升高1 73 所以钻进中若冲洗液停止循环1 2min 便可能造成烧钻的恶性事故 云南国土资源职业学院 第六节金刚石钻进技术一 钻具的组配钻具种类 有单管钻具 普通双管钻具 绳索取心钻具三种 钻具的级配 指所用钻杆外径与钻头外径的配合关系 钻杆与钻头外径差越小越好 扩孔器与钻头配合 扩孔器外径比钻头外径大0 3 0 5毫米 卡簧与钻头的配合 卡簧的自由内径比钻头内径小0 3毫米 卡簧座底端与短接和卡簧座的配合 卡簧座底端离钻头内台阶3 4毫米 云南国土资源职业学院 图1 4 10双层岩心管金刚石取心钻具组合1 岩心管接头 2 外管 3 内管 4 扩孔器 5 卡簧 6 卡簧座 7 钻头 图1 4 11金刚石钻具级配 云南国土资源职业学院 二 金刚石钻头的选择1 选用的一般原则 孕镶钻头 坚硬 致密 弱研磨性 优质金刚石 较低的金刚石浓度 均匀性差 完整度差 破碎地层 金刚石浓度高 胎体硬度大 表镶钻头 硬度较低 完整岩层 PDC钻头 中硬及中硬以下岩石 云南国土资源职业学院 2 钻头唇面形状岩石坚硬 致密 研磨性小者 应选择接触面积小的同心的或交错的尖齿形或梯齿形唇面 钻裂隙的 软硬互层 研磨性的岩层 应用内外径补强 耐磨性好的半圆唇面 当钻进倾角大 易斜的岩层 应选用阶梯形或锥形唇面 以便钻头起导正作用 云南国土资源职业学院 三 金刚石钻头的使用排队使用 先用外径大 内径小的 与钻具合理组配 满足前述三个方面的配合关系 选择最优钻进规程参数 根据岩性和工艺技术条件 使钻压 转速和冲洗液量三者互相配合 控制钻速 应控制在3米 小时以内 不盲目追求钻头进尺 以防钻头过度磨损或损伤 云南国土资源职业学院 四 钻头的磨损1 钻头磨损分类正常磨损和非正常磨损 2 分析钻头磨损的意义确定钻头选型是否合理 判断钻进技术参数是否合理 3 造成钻头非正常磨损的原因钻头质量差 钻头选型与所钻岩石性质不适应 操作不当 云南国土资源职业学院 4 孕镶钻头的磨损正常磨损的形式 内外径和高度磨损非常缓慢 底唇由平面变为圆弧形并磨成轻微的 蝌蚪 状 非正常磨损的形式及产生的原因 钻头内径磨成喇叭形或内台阶 岩心堵塞后仍继续钻进 长时间扫残留岩心 岩石硬 脆 碎 钻头内径保径差 外径磨成锥形或外台阶孔底不干净 在硬岩层中扩孔 长时间扫孔 扫探头石 扩孔器不起作用 钻头外径保径差 胎体底面磨出沟槽胎体底面金刚石分布不均匀或数量不足 孔底有硬块杂物 钻头冲洗冷却不良 唇面变光滑胎体太硬 与所钻岩石性质不适应 金刚石不能自磨出刃 钻进参数调整不当 胎体内外径 端部都磨损严重钻进时进尺过快 排粉不及时 冲洗液量过小 用软胎体钻头打研磨性地层 胎体内外径偏磨胎体与钢体不同心 钻头与钻具不同心 钻具稳定性差 胎体底面偏磨胎体底面与钻头中心线不垂直 钻压只落在钻头底面的某一部分 导致该部分过早的磨损 胎体出现裂缝胎体强度不够 金刚石分布不均匀 金刚石密集处往往胎体薄弱 烧钻后骤冷 操作不当发生碰撞 胎体产生掉块钻头受到撞击 钻进严重破碎 裂隙地层 扫残留岩心 孔内不干净 胎体强度不够 5 表镶钻头的磨损正常磨损的形式 金刚石刃尖逐渐磨钝 钻头胎体磨损均匀而轻微 钻头