钻进打滑层钻头设计与使用拖链

钻进“打滑层”钻头设计与使用

钻进“打滑层”钻头设计与使用 2011年12月10日 来源： 一、“打滑层”的定义 孕镶人造金刚石钻头在钻进各类不同岩层中，经常出现“打滑”现象。所谓“打滑”就是在钻进中机械钻速低，甚至出现不进尺现象。能产生这种现象的岩层很多，如坚硬的石英层、花岗岩、燧石岩、灰岩、大理岩等。能否说产生这种现象的岩层都是“打滑层”呢？当然不是。发生“打滑”现象的原因是多种多样的。例如：某矿区岩石为灰岩、大理岩等，在该区施工的勘探队只能使用电铸钻头钻进，换用热压烧结的孕镶人造金刚石钻头就不进尺，金刚石也不出露，究其原因是因井内漏失不能使用乳化液，使钻机转速不上去，钻头实际回转线速度只有0.5—0.8米/秒，造成胎体耐磨的热压烧结钻头唇面金刚石不出刃而不进尺，类似这类情况的岩层不应被叫做“打滑层”。 所谓“打滑层”应是排除各种操作因素，使用正常孕镶钻头，正常参数钻进而机械钻速很低的岩层。这类岩层的共同特点是：组成岩石的矿物质较硬，矿物颗粒细、结构致密，象石英岩、坚硬花岗岩、燧石岩等。其主要岩性指标是：压入硬度4500MPa以上，单轴抗压强度大于150MPa，研磨性低于15mg。 二、“打滑层”钻头的设计原则 “打滑层”的特点是岩石特别坚硬，结构致密，强度高，研磨性弱。根据这些特点合理设计钻头参数才能取得好的钻进效果。其基本原则是： 1、选用高品级人造金刚石。 高品级人造金刚石具有晶形好，单粒抗压强度高，热稳定性好等特点，钻进坚硬岩石具有特别明显的优点，是低品级金刚石所无法比拟的。 2、选用中粒度人造金刚石。 就金刚石生长的特点和当前的合成技术水平来说，随着单晶粒度的增大，晶体内包裹体含量增加、因晶格畸变导致单晶不规则生长的趋势增加，这就意味着全粒度范围中以50/60、60/70、70/80、80/100等中等偏细粒度金刚石单晶晶形最完整、杂质含量最低，也就是说，在相同品级的单晶中，这一粒度具有比粗粒度(35/35、40/45、45/50)更优良的在单位面积上的抗压强度（比压）和抗冲击强度指标，这可以从同为MBD12品级的45/50与50/60两个粒度的抗压强度（Kgf）/网孔面积（um）比值的差异得到证明： 45/50粒度的抗压强度（Kgf）/网孔面积（um）比值为16/390=0.041 50/60粒度的抗压强度（Kgf）/网孔面积（um）比值为14/275=0.051 前者远小于后者。 在同等条件下的碎岩工作中，具有更优良比压的中等偏细粒度金刚石单晶具有更好的锋利度和耐用度，而粗粒度金刚石由于单位面积上的强度指标低，造成金刚石棱角易于被磨钝且又不能及时脱粒，新切削刃不能及时出露，从而发生“打滑”现象。 当然，过细的金刚石粒度同样会因出刃不足造成钻头打滑，什么样的粒度可以满足正常钻进的要求，可以通过模拟钻头钻进工艺参数间的关系予以评估和粗略计算。 钻头的钻进行为可以用下列方式描述：钻头钻进中其唇面上的某一金刚石切刃是以螺旋线的形式在工作，即同时在两个方向上产生分位移和分力：其一是沿钻孔轴向 Y，其二是与轴向垂直的切向 X，二者的合位移和合力 Z 表现了此切刃实际的工作状态。此状态可以按几何模型展开如勾、股、弦关系，并存在如下关系式： X2+Y2=Z2以此关系式代入相应数据进行推导，可以评估和粗略计算钻头某些设计参数的合理与否，如选用金刚石粒度、浓度、强度等，下面以确定粒度为例进行推导。 假设设计一φ75金刚石取芯钻头，按正常的钻进工艺为：钻头转速300-500r/min、进尺速度3-5 m/h、钻压150Kgf/cm2，以最大外径处的某一金刚石切刃为对象计算其单位时间内在X、Y、Z三个方向上的位移S，设时间t=1min、钻头转速v1=300r/min、进尺速度v2=4000mm/h，则X、Y、Z三个方向上的位移S分别为： SX=75×π×300=70685mm SY=4000÷60=66.667mm SZ=√706852＋66.6672=70685.8mm 金刚石切刃对岩石的加工是磨削、切削、耕犁、压碎等多种方式综合作用的结果，并且实际是一种群刃工作状态，准确的计算其一次切深工作参数是困难的, 因此这里仅以理想化的状态，即单刃、切削状态来量化相应数据以求得结论。根据上述数据，求得钻头每转进尺深度为： S=SY/V1=66.667/500=0.133mm 可以认为, 此时单金刚石切刃一次切入岩石深度最大为0.133mm。 经验认为，金刚石单晶的在胎体中的包镶深度达到60%时，就能保证不异常脱落，出刃高度的50%作为切削中的容屑高度是适宜的，因此金刚石切刃的一次切深设计可以为该金刚石粒径的20%。按此思路，代入上述一次切入岩石深度的数据，则此金刚石单晶颗粒直径为： D=0.133×4=0.532mm 此数据相当于45/50粒度 3、选用混粒度孕镶。 为提高钻头广谱性，采取不同粒度混镶是一个有效途径。这样对“打滑层”钻进和非打滑层钻进都是可以的，消除了因岩层变换频繁上钻换钻头的现象。 4、选用较低浓度的金刚石含量。 由于浓度低金刚石颗粒相对减少，分布在唇面上每粒金刚石的钻压就会增加，有利于金刚石切入岩石，从而提高机械钻速。 5、选用金刚石合理分布方式。 采取金刚石合理分布方式达到钻头唇面均衡磨损，可以增加钻头使用寿命。 6、选用中等硬度胎体。 以往由于金刚石品级不高，钻进往往采用软胎体以便于金刚石的出露，这无疑是正确的，但由于人造金刚石品级的不断提高，在采用高品级金刚石继续采用软胎体，势必造成金刚石的过早脱粒，既不利于进尺，有造成浪费，因而，根据胎体硬度与使用金刚石品级相匹配原则，应选用中等硬度胎体匹配高品级金刚石钻进打滑岩层。 7、选用自由面较多的唇面形状。 钻进岩层完整的打滑层时，较多自由面的唇面形状如梯齿型、锯齿型、尖齿型等将有利于岩石破碎，此时金刚石碎岩方式将由简单的耕犁、压入、压碎、刮削等表面破碎形式转变为更高效率的崩裂等体积破碎形式，有利于提高钻速。同时，考虑到钻速的恒定问题，要求钻头唇面形状随时间推移变化尽可能小，梯齿型唇面形状是较为理想的选择。 8、采用金刚石单晶保径。 由于打滑层岩石特别坚硬，使用针状合金或聚晶保径往往会严重影响进尺，而金刚石单晶对于坚硬的井壁有刮削作用，有利于提高钻速。 9、选用扇形水口。 扇形水口对于绳索取心钻头尤为重要，扇形水口和直水口对比，可以使钻头内外唇面均衡磨损。水口数量在满足排粉、冷却的条件下，水口数量不宜过多。 10、钻头进行予出刃处理。 予处理对于钻进“打滑层”特别重要，使钻头下井不经“初磨”就可以直接进尺，减少了初磨时间，提高了钻速。 三、“打滑层”钻进操作应注意的几个问题 1、 由于“打滑层”岩性特别坚硬，在钻进中钻压是关键的参数，没有足够的比压，金刚石的尖刃就不能压入岩石，在高转速下，金刚石切刃很快被抛光而失去钻进能力。 钻压P=F·p 其中：F为环状唇面面积cm2， p为单位压力值N/cm2。打滑层要求钻压比钻进其它岩石要大，一般采用882.6~1078.7N/cm2左右。 2、 “打滑层”钻头转数不宜过快。过快的转速将影响对金刚石钻头唇面切削刃的冷却，而在“打滑层”钻进中金刚石出刃普遍较低，这种影响将更明显，容易导致切削刃的提前磨损、磨纯出现出刃抛光，发生人为的打滑现象，一般线速度控制在1.5~2m/s之间。 3、 泵量要小。钻进“打滑层”由于钻进速度较低，井底产生的岩粉也相对少。泵量偏大将使井底的岩粉数量进一步减少，对于金刚石出露很不利，易发生打滑现象。而且泵量过大引起泵压较高，能抵消一部分钻压，钻压的减轻也会发生打滑现象。 计算泵量的经验公式：Q=K·D 式中：Q - 泵量L/min D - 钻头外径cm、 K - 系数（一般选择4~6） 4、 由于“打滑层”岩石特别坚硬，一般井壁间隙较小，因而在选择扩孔器时要注意钻头外径与扩孔器外径的尺寸配合，扩孔器外径一般比钻头外径大0.2~0.3mm为宜,不应超过0.4mm,否则就会影响进尺。 5、 钻进“打滑层”时，扩孔器种类的选择，应选用金刚石单晶扩孔器（最好是电镀的），不应选用聚晶扩孔器，其原因同钻头保径材料一样。 6、 在钻进“打滑层”中不能使用弯曲的钻杆钻具，钻头的同轴度要符合设计要求，保证钻具回转的稳定性，以防钻头金刚石异常脱粒现象的发生。其具体指标是：钻杆每米弯曲不许超过1mm，钻具每米弯曲不许超过0.75mm,钻头同轴度偏差不能大于0.2mm。 7、 没有进行予出刃的钻头下井之前，应向井内投入少量的石英砂（粒度0.5~1mm）钻头下井后采用小泵量,轻钻压,慢转数钻进5~10分钟后换用正常参数钻进。 8、 在钻进中，出现“打滑”现象时，普通双管钻进时应立即上钻，对钻头进行出刃处理。绳索取心钻进时，可减少泵量增加孔底岩粉量，促使金刚石重新出刃后恢复正常参数钻进。这种操作方法，要求操作者必须是有经验的，否则易造成烧钻。 四、综述 实现“打滑层”岩层的正常钻进应从钻头的设计和钻头的使用两个方面进行摸索和实践，本文仅给出了一些解决问题的思路和方向，供业内同行借鉴和参考，并与同仁探讨。

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