尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭在油頁巖礦區(qū)的鉆進(jìn)實驗

張獻(xiàn)振,劉寶昌,2,3,盧 彬,趙生慶

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,吉林長春 130026;2.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點實驗室,吉林 長春 130025;3.吉林大學(xué)超硬材料國家重點實驗室,吉林長春 130012;4.吉林省地質(zhì)工程勘察院,吉林長春 130012;5.吉林省地礦勘察設(shè)計研究院,吉林長春 130061)

尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭在油頁巖礦區(qū)的鉆進(jìn)實驗

張獻(xiàn)振1,劉寶昌1,2,3,盧 彬4,趙生慶5

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,吉林長春 130026;2.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點實驗室,吉林 長春 130025;3.吉林大學(xué)超硬材料國家重點實驗室,吉林長春 130012;4.吉林省地質(zhì)工程勘察院,吉林長春 130012;5.吉林省地礦勘察設(shè)計研究院,吉林長春 130061)

松遼盆地青山口組和嫩江組含油頁巖系,夾有數(shù)十層白云巖透鏡體或條帶。在對該油頁巖系進(jìn)行鉆探時,由于經(jīng)常遇到硬度較大的白云巖層,使用普通的硬質(zhì)合金鉆頭不僅進(jìn)尺極其緩慢,而且鉆頭損壞嚴(yán)重,壽命短。為解決此鉆探難題,研制開發(fā)具有高耐磨性和穿透能力強的鉆頭勢在必行。為此,研發(fā)了尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭,并進(jìn)行了現(xiàn)場鉆進(jìn)實驗。結(jié)果表明,這種鉆頭在含白云巖層的油頁巖地層鉆進(jìn)時,不僅鉆進(jìn)速度高,而且具有高耐磨性、壽命長,其綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)硬質(zhì)合金鉆頭。

松遼盆地;油頁巖;白云巖層;鉆探;尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭

1 概述

松遼盆地深井子油頁巖礦區(qū)地層主要由砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、頁巖、油頁巖組成,成分大多以泥質(zhì)膠結(jié),屬于可鉆性較好的地層,其地層綜合柱狀圖如圖1所示[1]。2006年,殼牌石油公司使用美國長年公司的復(fù)合片鉆頭在此礦區(qū)鉆探,由于鉆頭結(jié)構(gòu)和水路系統(tǒng)不合理,在鉆進(jìn)時造成糊鉆、燒鉆、吸附性卡鉆等事故,嚴(yán)重影響鉆進(jìn)效率[2]。2010年吉林省地礦建設(shè)集團(tuán)有限公司在深井子礦區(qū)ZK4197孔鉆井過程中使用常規(guī)硬質(zhì)合金鉆頭,但由于嫩江組部分地層泥巖結(jié)構(gòu)非常致密,且夾有較硬的白云巖巖脈(如圖2),常規(guī)硬質(zhì)合金鉆頭在孔底出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,并很快被磨鈍。使用金剛石鉆頭時,由于金剛石不易出刃,造成不進(jìn)尺或進(jìn)尺極其緩慢。因此選擇一種適應(yīng)該礦區(qū)地層的新型鉆頭顯得極其重要。

2 鉆頭選擇

深井子礦區(qū)ZK4197孔上部砂層遇水易水化,孔壁極易發(fā)生縮頸和塌陷現(xiàn)象,當(dāng)遇到白云巖層(“打滑”地層)時使用硬質(zhì)合金鉆頭不進(jìn)尺,施工人員便加壓鉆進(jìn),最終使鉆桿成為繩狀搖擺,鉆桿接手?jǐn)嗔?進(jìn)而容易造成鉆桿斷裂,給施工帶來嚴(yán)重?fù)p失。

金剛石復(fù)合片鉆頭(Polycrystalline Diamond Compact Bit),簡稱PDC鉆頭。它由鉆頭體和切削齒兩部分組成。其鑲焊形式類似于硬質(zhì)合金鉆頭,其碎巖原理以及鉆進(jìn)規(guī)程也類似于硬質(zhì)合金鉆進(jìn),對巖石主要以切削碎巖方式為主。這種鉆頭無活動零件,具有高效切削作用,鉆頭壽命長,機(jī)械鉆速和耐磨性較其它類型鉆頭高,但抗沖擊性能較差[3]。常規(guī)PDC鉆頭一般采用圓片狀金剛石復(fù)合片作為切削具?？紤]到本礦區(qū)的地層特點,依據(jù)巖石破碎學(xué)中楔形壓頭碎巖比功較小的理論[4],為提高鉆進(jìn)效率,同時解決某些孔段鉆頭不易進(jìn)尺的難題,本文選擇了內(nèi)徑58 mm、外徑91 mm的尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭,以減少鉆頭切削刃與孔底的接觸面積。在鉆進(jìn)過程中,由于鉆頭底唇面與地層接觸面積小,受力集中,齒下巖石在較大的接觸應(yīng)力作用下產(chǎn)生破裂裂紋,因此尖齒比較容易吃入地層[5]。使用該類型鉆頭在吉林省地礦建設(shè)集團(tuán)有限公司施工現(xiàn)場減壓低速的情況下進(jìn)行了鉆進(jìn)實驗。

現(xiàn)場使用的硬質(zhì)合金鉆頭和實驗用尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭見圖3～5。

圖3 硬質(zhì)合金鉆頭

圖4 尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭

圖5 尖齒狀金剛石復(fù)合片切削齒形狀

3 尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭設(shè)計和制造

3.1 鉆頭設(shè)計

金剛石復(fù)合片鉆頭的基體分為鋼體式和胎體式,本文采用鋼體式。金剛石復(fù)合片的直徑為13 mm,厚度為8 mm(其中金剛石聚晶層厚1 mm,硬質(zhì)合金基片厚7 mm)。復(fù)合片的切割主要有近紅外Nd:YA G激光切割方法與電火花線切割方法。由于電火花線切割會造成金剛石層與硬質(zhì)合金層界面處存在金屬鈷過量去除現(xiàn)象,出現(xiàn)較多明顯的凹槽[6],故本文采用了脈寬較窄的近紅外Nd:YAG激光切割方法,使得復(fù)合片切割速度和切割質(zhì)量均有很大程度的提高。圖6為尖齒狀復(fù)合片鉆頭示意圖,鉆頭由8塊復(fù)合片尖齒焊接在鉆頭鋼體上,每2塊焊接在一起,相對稱的4塊尖齒數(shù)相同,分別采用了單塊三齒和單塊四齒的復(fù)合片,這樣在鉆進(jìn)巖層的過程中對巖層的切削有互補作用。鉆頭有4個拋物線狀水口,這樣更利于泥漿液對鉆頭底唇面的冷卻。

圖6 尖齒狀復(fù)合片鉆頭示意圖

3.2 鉆頭制造

考慮到復(fù)合片金剛石層的熱穩(wěn)定極限溫度只有700℃,超過極限溫度,復(fù)合片金剛石層的抗磨能力下降,影響鉆頭的使用壽命,對鉆頭鋼體和復(fù)合片的焊接采用高頻感應(yīng)加熱釬焊與氧-乙炔火焰釬焊相結(jié)合的釬焊方法。即焊前進(jìn)行切削齒穴粗化處理、切削齒氧化處理等工作,先采用高頻感應(yīng)進(jìn)行局部焊接,然后采用氧-乙炔火焰釬焊的方法,然后放入400～500℃的電阻爐中進(jìn)行隨爐降溫冷卻,最后取出成品鉆頭。

4 實鉆試驗

4.1 鉆探設(shè)備及鉆具結(jié)構(gòu)

結(jié)合現(xiàn)場實際情況,選擇了XY-6B型鉆機(jī),BW-250型泥漿泵,A Y-12型鉆塔,塔高1315 m。

鉆具結(jié)構(gòu)組合:“91 mm鉆頭+“73 mm巖心管+“68 mm鉆鋌8根+“60 mm鉆桿+扁六方鉆桿[5]。

4.2 鉆進(jìn)參數(shù)

由于實驗現(xiàn)場油頁巖地層含有白云巖硬夾層,尖齒狀金剛石復(fù)合片在高速鉆進(jìn)中容易崩齒,因此需要較低的鉆壓和轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)場鉆進(jìn)實驗時實際采用的鉆壓是5 kN,轉(zhuǎn)速為200～260 r/min,沖洗液泵量為90 L/min[7]。

4.3 試驗情況及效果

為說明尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭的鉆進(jìn)效果,將其與在同礦區(qū)使用的硬質(zhì)合金鉆頭的鉆進(jìn)情況進(jìn)行了對比。

在相同地層,鉆壓5 kN、鉆速200～260 r/min、泵壓6 MPa的情況下,硬質(zhì)合金鉆頭在深井子礦區(qū)ZK5789孔的進(jìn)尺情況如表1所示。

表1 硬質(zhì)合金鉆頭進(jìn)尺情況

尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭在深井子礦區(qū)ZK4197孔的進(jìn)尺情況如表2所示。

表2 尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭進(jìn)尺情況

此次實驗一共使用了6只復(fù)合片鉆頭,每個鉆孔實驗2只,對3個鉆孔進(jìn)行了鉆進(jìn)實驗,硬質(zhì)合金鉆頭和尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭的綜合鉆進(jìn)效果對比如表3所示。

表3 鉆頭總進(jìn)尺和總花費時間及平均機(jī)械鉆速對比表

5 試驗效果分析

5.1 鉆探技術(shù)效果分析

從表1～3可以看出,與硬質(zhì)合金鉆頭相比,尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)效率高,回次鉆進(jìn)時間縮短,平均機(jī)械鉆速也提高很多。在打滑地層用此鉆頭無論是鉆進(jìn)花費時間還是機(jī)械鉆速都要優(yōu)于硬質(zhì)合金鉆頭,平均機(jī)械鉆速2182 m/h,是硬質(zhì)合金鉆頭平均機(jī)械鉆速(114 m/h)的2倍多。鉆頭壽命最高可達(dá)227165 m,遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金鉆頭(硬質(zhì)合金鉆頭在該礦區(qū)的壽命一般不超過20 m)。

5.2 經(jīng)濟(jì)性分析

(1)尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭現(xiàn)場使用報廢前不用換鉆頭,而使用硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)時,每鉆進(jìn)一個回次就要換一次鉆頭。在白云巖層每只硬質(zhì)合金鉆頭的壽命大約20 m,鉆孔深度按照600 m計算,大約要使用硬質(zhì)合金鉆頭30只,每只硬質(zhì)合金鉆頭的價格在80元左右,使用鉆頭總費用約2400元。

(2)根據(jù)圖1可以看出,白云巖地層在150～300 m之間較多,其它地層泥巖砂巖居多,用尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭易鉆進(jìn),鉆頭磨損少,經(jīng)過現(xiàn)場鉆進(jìn)用2只鉆頭就可以完成600 m整個鉆孔的鉆進(jìn)工作。每只尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭的價格為2900元,鉆頭總費用5800元。鉆頭的費用將提高5800-2400=3400元。

(3)按照ZK4197孔有100 m難鉆進(jìn)“打滑”地層計算,硬質(zhì)合金鉆頭用時100/114=71 h,尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭平均鉆速為(311+311+215+216+2169+2193)/6=2182 m/h,用時 100/2182=35 h,節(jié)省 71-35=36 h。

(4)現(xiàn)場人員費用是70元/天,一班4個人,一個班工作8 h,3個班連續(xù)接替鉆進(jìn),僅人員費用每天可以節(jié)省70元/人×4人/班×3班/天×36/24=1260元?，F(xiàn)場每24 h消耗燃料費用約1400元,節(jié)省36 h意味著節(jié)省燃料費用約2100元左右。費用上可以近似抵消,時間上減少了36 h,即縮短了36 h的工期,提高了施工現(xiàn)場整體的效率。預(yù)計若額外的36 h繼續(xù)鉆進(jìn),可比硬質(zhì)合金鉆進(jìn)提高產(chǎn)值約300元/m×(2182-114)m/h×36 h=15336元。

由以上分析可以得知,采用尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭,一個鉆孔可以節(jié)省大于36 h的時間,提高了施工效率,如換算成產(chǎn)值,預(yù)計可提高15336元的產(chǎn)值,這對施工單位來說是非常劃算的。6 結(jié)論

(1)在松遼盆地深井子油頁巖礦區(qū)白云巖層的鉆采施工中,常規(guī)硬質(zhì)合金鉆頭出現(xiàn)打滑進(jìn)尺極其緩慢、壽命短現(xiàn)象,使用尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)速度快,而且具有高耐磨性、壽命長的特點,這些都優(yōu)于常規(guī)硬質(zhì)合金鉆頭。

(2)使用尖齒狀金剛石復(fù)合片鉆頭為現(xiàn)場鉆采提高了效率,縮短了工期,降低了施工成本,整體的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)硬質(zhì)合金鉆頭。

(3)油頁巖礦區(qū)由于地層條件,長期使用常規(guī)硬質(zhì)合金鉆頭。此次使用金剛石復(fù)合片鉆頭大大加快了油頁巖礦區(qū)白云巖層的鉆采速度,并開辟了新的思路。今后的應(yīng)用前景非常可觀。

[1] 劉招君,楊虎林,董清水,等.中國油頁巖[M].北京:石油工業(yè)出版社,2009.

[2] 遲玉亮.奇偶齒魚脊式聚晶鉆頭的設(shè)計及在油頁巖地層的鉆進(jìn)效果[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2007,34(3).

[3] 張藝瀚,王希勇.PDC鉆頭在沙南油田沙丘3井區(qū)的推廣應(yīng)用[J].西部探礦工程,2005,(2).

[4] 張祖培,劉寶昌.碎巖工程學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,2004.

[5] 鄒德永.新型 PDC鉆頭切削齒的發(fā)展[J].石油鉆探技術(shù),2003,(6).

[6] 吳煜,張高峰.聚晶金剛石的Nd:YAG激光切割與電火花線切割損傷分析[J].中國機(jī)械工程,2010,(5).

[7] 趙生慶,盧彬,李錄波,李強.松原油頁巖地層硬質(zhì)合金裸孔鉆進(jìn)技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009,36(10).

Drilling Experiments of Teeth2shaped PDC Bit in Shenjingzi Oil Shale Mining Area of Song Liao Basin

Z HA N G Xian-zhen1,L IU Bao-chang1,2,3,LU Bin4,Z HAO Sheng-qing4(1.College of Construction Engineering,Jilin Universi2 ty,Changchun Jilin 130026,China;2.Key Laboratory of Bionic Engineering,Jilin University,Ministry of Educa-tion,Changchun Jilin 130025,China;3.National Key Laboratory of Superhard Materials,Jilin University,Chang-chun Jilin 130012,China;4.Jilin Investigation and Design Institute of Geology and Minerals,Changchun Jilin 130061,China;5.Geo2engineering Investigation Institute of Jilin Province,Changchun Jilin 130012,China)

There are often dozens of layers of dolomite body or bands embedded in oil shale formation in Qingshankou and Nenjiang group at Song Liao basin.While drilling in above mentioned oil shale formations,dolomite interlayers with relatively high hardness were often encountered.If ordinary tungsten carbide cutter drilling bit was used,not only the footage was too slow in drilling process,but also the bit was seriously damaged.To solve above drilling problems,the development of new drilling bit with high wear resistance and high penetration ability was eagerly nee-ded.In this paper,a new type of teeth-shaped PDC bit was designed and manufactured.Field drilling experiments using these teeth-shaped PDC bits were conducted and their drilling performances were compared with those of tung-sten carbide bits.The results indicated that the new teeth2shaped PDC bit demonstrated high rate of penetration,high wear resistance and long service life while drilling in oil shale formation containing dolomite interlayer.The technical and economical index of teeth-shaped PDC drill bit was better than that of conventional tungsten carbide cutter bits.

Song Liao basin;oil shale;dolomite interlayer;drilling;teeth-shaped PDC bit

P634.4+1

A

1672-7428(2011)08-0064-04

2011-03- 13;

2011-05-09

中國博士后科學(xué)基金項目“土壤洞穴動物趾形仿生鉆頭研究”(20080430158);國家自然科學(xué)青年基金項目“硬巖鉆進(jìn)用仿生結(jié)構(gòu)金剛石復(fù)合片及鉆頭研究”(200902487)、“仿生非光滑表面PDC復(fù)合齒切削巖石防粘機(jī)理研究”(51004052)

張獻(xiàn)振(1987-),男(漢族),山東臨清人,吉林大學(xué)在讀碩士研究生,地質(zhì)工程專業(yè),主要從事鉆探用超硬材料與鉆頭的研究,吉林省長春市東民主大街吉林大學(xué)前衛(wèi)北區(qū)三舍526,zxz1087@163.com;劉寶昌(1975-),男(漢族),吉林梨樹人,吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院及超硬材料國家重點實驗室副教授、工程仿生教育部重點實驗室博士后、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室訪問學(xué)者,地質(zhì)工程專業(yè),主要從事鉆探新技術(shù)、超硬復(fù)合材料及鉆頭、仿生技術(shù)在鉆探中的應(yīng)用等研究工作。