【金刚石钻进工艺分析3200字】

金刚石钻进工艺分析金刚石钻进技术是指用金刚石制成的钻头作为磨料，以旋转方式破碎孔底岩石，取岩芯筒取岩芯的一种钻进方法。金刚石钻进工艺包括两个方面:金刚石钻头的合理选择和金刚石钻进调节参数的确定。1）合理地选择金刚石钻头金刚石钻头是目前最锋利的岩石钻井工具。理论上应该能够顺利钻进各种地层，但在实践中往往会出现一些异常现象:例如在某些地层中，金刚石钻头的消耗量很大，钻头进尺很小;在其他地层中，钻头的钻速非常低，甚至钻头“卡瓦”没有钻透。有时钻头在一个矿区的钻进效率很高，但在另一个矿区的钻进效率很低。这些现象总结并解释了一个问题。金刚石钻井选用的钻头必须与岩性相适应，是提高金刚石钻井技术经济指标的关键环节之一。特别是孕镶金刚石钻头的结构参数是复杂的,所以钻石级,矩阵的性能(确保钻头自锐),嘴唇形状,内部和外部直径钢筋和航道设计时应综合考虑选择根据岩层钻孔的属性。2）确定金刚石钻进规程参数评价金刚石钻井规程的主要依据是机械钻速、总钻头进尺和单位进尺金刚石消耗量。①钻压WOB、钻速与金刚石消耗量的关系曲线如图1-7所示，可分为三个区域:ⅰ区为表面研磨破碎区，钻速极低；ⅱ区为疲劳断裂区，岩石只有通过反复裂纹扩展才能破碎；ⅲ区是一个体积破碎区，钻压越大，钻速越快，但单位进尺金刚石消耗量也迅速增加。图中显示，钻头重量过大会使金刚石消耗量急剧增加，导致钻速下降，因此建议在图中最佳区域进行钻头重量测量。图1-7钻压对钻速和金刚石耗量的影响a.金刚石钻头p钻头上的重量。WOB是根据岩石硬度和金刚石抗压强度确定的:WOBP应使每颗工作金刚石与岩石之间的接触应力大于岩石的抗压硬度，小于金刚石的强度。后者应作为上述公式中确定WOB的基本原则。因此，WOB的钻石钻头如下：P=mp其中m为钻头上加工的金刚石数(一般为总金刚石数的2/33/4);P为单个金刚石的许用压力(与粒度和等级有关)(N/金刚石);F为金刚石与岩石的接触面积(mm2)。b.浸渍金刚石钻头w上的钻压。浸渍钻头上的金刚石颗粒较多，切削刃量较小，可视为胴体唇部与整个岩石断面之间的接触。钻压对金刚石抗压强度的影响降低为次要因素，钻压主要根据岩石的性质来确定：W=Fq其中:f为钻头实际工作唇面积(mm2)；q是每单位下唇面积的推荐压力。中硬岩被视为4〜5N/mm2，硬岩或钻石被视为6〜7N/mm2.。c.在选择和应用WOB时，还应注意:岩石性质，即软岩层或破碎非均质岩层应选择下WOB；钻石，即当钻石质量好、数量大、粒度大时，应选择上WOB，否则应选择下WOB；当钻头类型的直径、壁厚和岩石接触面积较大时，应选择上WOB。注意新钻头和井底之间的磨合。在下钻阶段，应采用低钻头重量和低转速，使钻头唇口形状逐渐与井底和岩心根部重合；井底钻头上的实际重量、钻井弯曲、泵压脉动和岩性不均匀性导致钻具振动，因此井底实际瞬时动载荷可能是地面仪器指示的钻头重量的0.3倍。因此，对于深孔、斜孔和非均质岩层，应减小钻头重量。②转速根据金刚石钻进的机理，转速是影响金刚石钻头钻速的重要因素。在一定条件下，转速越快，穿透率越高。转速和金刚石磨损之间的关系是复杂的。在其他条件不变的情况下，钻头转速存在一个临界值，即一定转速下金刚石磨损最小。a.金刚石钻头的线速度。表面金刚石钻头使用的金刚石粒度较大，切削刃较大，允许切削量较大，因此转速应低于浸渍钻头。推荐线速度为12m/S..b.浸渍金刚石钻头的线速度。孕镶金刚石钻头的金刚石粒度很小，切削刃的输出很小，所以钻进效率主要靠高转速获得。推荐线速度为1.53米/秒。选择合理的转速时，还应考虑以下几点:(1)岩石性质，即当岩层破碎，软硬不均，孔壁不稳定时，应选择下限转速；钻孔，即钻孔结构简单、环隙小、孔深不大时，应尽量选择高转速，反之亦然；在实际工作中，由于钻机的能力和钻柱的质量，设备和钻具往往选择高转速。③冲洗液泵量除了排粉、冷却和护壁外，冲洗液还将起到润滑钻具和帮助浸渍钻头自锐的作用。通常，金刚石钻井液冲洗液的泵排量是根据液体向上流动的速度来确定的：Q=6vF其中:v为环空向上的流速，金刚石钻进要求v≥0.30.5m/s；f是钻孔的环形面积(cm2)。由于用镶面孕镶金刚石钻头钻进时，钻孔的环隙很小，冲洗液的流动阻力很大，所以金刚石钻进基本上是在泵排量小、泵压高的情况下进行的。泵排量过大不仅增加了工作泵压，容易腐蚀孔壁和岩心，还会过度抵消WOB，造成钻具振动。另外，泵压是反映井底工况的敏感参数之一，必须引起高度重视。例如钻进过程中，当钻速突然降低，泵压急剧升高时，可能是岩心堵塞或“钻井烧伤”的征兆；当泵压逐渐下降时，可能是钻杆出现裂纹并逐渐扩大。同时还应综合考虑下述内容。a.岩层的性质。钻进坚硬致密岩层时，单位时间产生的岩粉量较小，选择下限泵量；当钻进高磨蚀性岩层时，摩擦能力很高，这需要大量的泵冷却。但要合理选择，防止基体在高速液流中被岩粉颗粒侵蚀，导致金刚石颗粒过早脱落。b.钻头类型。浸渍钻头切削刃小，唇口间隙小，主要靠多个喷嘴循环，经常高速钻进。因此，应使用较大的泵来防止“烧钻”。表面安装的钻头具有大的输出边缘和良好的粉末排放和冷却条件，因此可以选择较小的泵容量。c.防止“燃烧钻”。防止金刚石钻头(尤其是浸渍金刚石钻头)烧损是生产中的一项重要工作。试验表明，冷却钻头所需的泵量不大，只有泵量能达到0。20.3L/min/cm钻头直径，可满足基质快速散热的需要。当转速为800r/min，钻头唇压为1OMPa时，每旋转一次胎体温度升高1.73℃。因此，如果在钻井过程中冲洗液停止循环12分钟，可能会造成“烧钻”的恶性事故。。3）金刚石钻进的临界规程除了传统的定性结论外，苏联学者通过分析钻井过程中的热物理过程，定量研究了钻井参数与基体温度、破岩功耗、钻速和基体磨损之间的关系，提出了正常和临界金刚石钻井程序的观点。正常程序下，钻头轮胎温度上升正常，功耗稳定，钻头磨损轻微；但在临界程序下，钻头轮胎的温升会急剧上升，功耗会急剧增加，钻头磨损严重，甚至会出现“烧钻”。①胎体温度与钻压P和转速n的关系用人造金刚石(粒度200400微米)孕镶钻头钻进花岗岩时，测得的基体温度与磷、氮的关系见表1-5。当WOB压力和转速达到一定值时，胴体温度从100±200℃急剧上升到600±700℃。此时，钻井程序已从正常程序变为关键程序。对于混凝土岩石，pn的临界值基本上是一个常数。表1-5中的粗线画出了正常程序和关键程序之间的界限。屠体温度与功耗和数值之间的关系如图1-8所示。表1-5钻头基体温度(℃)与轴向压力P和转速N的关系图1-8胎体温度和功耗与P•n值的关系示意图②功耗、机械钻速与钻进规程的关系钻井过程中的功率消耗和机械钻速也与关键规程直接相关。这一规律与胴体温度的上升趋势完全一致。即随着胎儿体温的升高进入临界状态，在相同PN临界值下，功耗和穿透率急剧增加。③胎体温度与冲洗液的关系试验表明，当钻井过程进入临界状态时，冲洗液的冷却效果有限，仅靠增加泵量是不可能防止温升和功率消耗的。从表1-6的数据可以看出，当泵量增加一倍时，轮胎体温和功耗都有所降低，但钻井过程无法从临界状态转化为正常程序。。表1-6冲洗液泵量对胎体温度和功率消耗的影响指标冲洗液泵量（L/min）152030胎体温度（℃）725640550钻进功率消耗（kW）5.675.225.13④钻头磨损与钻进规程的关系图1-9是钻头基体相对磨损与钻进规程(pn)的关系曲线。当正常程序转变为关键程序时，钻头磨损会突然急剧增加。曲线ⅱ的磨损比曲线ⅰ高3倍，这可能是由于生产条件下孔内动载荷引起的金刚石强度和基体硬度的降低。图1-9钻头磨耗与钻压及线速度乘积的关系示意图Ⅰ—实验室条件下；Ⅱ—生产条件下综上所述，可以得出两点结论。①对于金刚石钻进来说，每块岩石都有一个临界规律，它的PN值基本上是一个常数；WOBP和转速N两个参数之间有明显的相互作