無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭的研究開(kāi)發(fā)

洪春玲，張烈華 （江漢石油鉆頭股份有限公司；中石化石油機(jī)械裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430223）

無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭的研究開(kāi)發(fā)

洪春玲，張烈華 （江漢石油鉆頭股份有限公司；中石化石油機(jī)械裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430223）

通過(guò)對(duì)國(guó)外無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭的廣泛調(diào)研，研究開(kāi)發(fā)了適合無(wú)刀片結(jié)構(gòu)的金剛石鉆頭胎體材料，設(shè)計(jì)并試制了無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭。試制的無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭，先后通過(guò)了室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)和鉆井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，均取得了良好的鉆進(jìn)效果。無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭的成功開(kāi)發(fā)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)胎體金剛石鉆頭空白，為開(kāi)發(fā)國(guó)際一流胎體金剛石鉆頭打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

無(wú)刀片；胎體金剛石鉆頭；臺(tái)架試驗(yàn)

胎體金剛石鉆頭是石油勘探開(kāi)發(fā)的重要鉆井工具之一，胎體金剛石鉆頭的性能，很大程度上決定了鉆井過(guò)程的速度與經(jīng)濟(jì)效益［1］。隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，對(duì)金剛石鉆頭的性能要求越來(lái)越高，金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜。為了適應(yīng)金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)變化的需要，國(guó)外的胎體金剛石鉆頭已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)刀片結(jié)構(gòu)，而國(guó)內(nèi)胎體金剛石鉆頭全部是有刀片結(jié)構(gòu)。有刀片結(jié)構(gòu)，限制了胎體金剛石鉆頭的刀翼結(jié)構(gòu)，特別是在胎體和刀片的界面結(jié)合處容易產(chǎn)生結(jié)合缺陷，直接影響刀翼的強(qiáng)度，增加了發(fā)生斷刀翼惡劣事故的危險(xiǎn)性。因此，開(kāi)發(fā)無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭是國(guó)內(nèi)鉆頭研發(fā)技術(shù)的重點(diǎn)。

1 國(guó)外胎體金剛石鉆頭調(diào)研

筆者共收集了3只國(guó)外生產(chǎn)的8 1/2in胎體金剛石鉆頭，對(duì)其進(jìn)行了全面的解剖分析，查看了其鋼芯結(jié)構(gòu)，檢測(cè)了其胎體的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性。3只鉆頭均為無(wú)刀片結(jié)構(gòu)，其刀翼胎體的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，國(guó)外廠家一和國(guó)外廠家三的鉆頭刀翼部位胎體的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性基本相當(dāng)，遠(yuǎn)高于國(guó)外廠家二鉆頭的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性。

國(guó)內(nèi)胎體金剛石鉆頭胎體的抗彎強(qiáng)度約在600～650N／mm2，沖擊韌性在2.30J／cm2以下，因?yàn)榭箯潖?qiáng)度較低，因此采用有刀片結(jié)構(gòu)來(lái)增加刀翼的強(qiáng)度。

國(guó)內(nèi)胎體材料燒結(jié)后的抗彎強(qiáng)度遠(yuǎn)低于國(guó)外胎體金剛石鉆頭胎體的抗彎強(qiáng)度，而胎體材料的抗彎強(qiáng)度是評(píng)價(jià)金剛石鉆頭強(qiáng)度的最重要技術(shù)指標(biāo)。要開(kāi)發(fā)無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭，提高胎體的力學(xué)性能是基本前提。因此，為了滿足無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭的強(qiáng)度需求，必須首先開(kāi)發(fā)強(qiáng)度更高的胎體材料。

表1 刀翼部位胎體力學(xué)性能對(duì)比

2 適合無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭的胎體材料研究

設(shè)計(jì)了6種不同的胎體粉，燒結(jié)成胎體后取樣進(jìn)行了力學(xué)性能的檢測(cè)分析，考慮胎體與鋼芯的界面結(jié)合情況，優(yōu)選出了一種高強(qiáng)度、高韌性的胎體粉材料。

2.1 胎體材料力學(xué)性能檢測(cè)方法

對(duì)燒結(jié)后的胎體力學(xué)性能檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn)主要包括抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性。

1）抗彎強(qiáng)度 胎體的抗彎強(qiáng)度檢測(cè)主要是遵照ASTM B406中的技術(shù)要求，采用的試樣尺寸、三點(diǎn)彎曲的跨距、加載方式與加載速度等的要求都沿用ASTM B406中硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度檢測(cè)要求。試樣截面為 （6.25±0.25）mm× （5.25±0.25）mm，試樣長(zhǎng)度不得小于20mm，彎曲的跨距是14.50mm，加載速度不大于1.5kN／s。抗彎強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式中：S為抗彎強(qiáng)度，MPa；P為試樣斷裂前所加的最大載荷，N；L為彎曲跨距，mm；B為試樣寬度，mm；H為試樣高度，mm?？箯潖?qiáng)度每次取樣5個(gè)，按標(biāo)準(zhǔn)要求取平均值。

2）沖擊韌性 胎體的韌性也是一個(gè)重要的性能指標(biāo)，主要檢測(cè)一次沖擊韌性，但由于沒(méi)有公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)的方法，因此參考GB／T1817中的有關(guān)要求進(jìn)行檢測(cè)。取試樣截面5.0mm×5.0mm，試樣長(zhǎng)度不得小于50mm，沖擊的跨距30.0mm。由于胎體的沖擊韌性值較低，通常情況下采用5J或7.5J的沖擊錘，以單位橫載面積上所消耗的沖擊能量表示一次沖擊韌性。沖擊韌性每次取樣5個(gè)，按標(biāo)準(zhǔn)要求取平均值。

表2 不同胎體材料力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果匯總

2.2 胎體材料力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果分析

對(duì)6種胎體的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

胎體粉4燒結(jié)后胎體平均抗彎強(qiáng)度最高，達(dá)到1042N／mm2，與3個(gè)國(guó)外廠家的鉆頭刀翼部位胎體的抗彎強(qiáng)度相比，分別高15.5%、10.1%、36.4%；其沖擊韌性達(dá)到3.19J／cm2，遠(yuǎn)高于國(guó)外廠家一和國(guó)外廠家二的鉆頭胎體的沖擊韌性，與國(guó)外廠家三的鉆頭胎體沖擊韌性3.23J／cm2十分接近。

2.3 界面結(jié)合微觀組織

針對(duì)胎體粉4重點(diǎn)檢查了胎體與鋼芯的界

面結(jié)合情況。典型的胎體和鋼芯結(jié)合部位的微觀組織見(jiàn)圖1。金相檢測(cè)證實(shí)胎體與鋼芯的界面結(jié)合情況良好，未發(fā)現(xiàn)夾雜、未熔合等顯微缺陷。

胎體粉4燒結(jié)后胎體的力學(xué)性能達(dá)到了較高的水平，優(yōu)先選取胎體粉4作為無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭的胎體材料，可以滿足無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭的生產(chǎn)需要。

圖1 胎體粉4燒結(jié)后胎體與鋼芯結(jié)合界面顯微組織

3 無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

由于胎體材料性能的改進(jìn)，使無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭的設(shè)計(jì)制造成為可能。無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要特點(diǎn)：①可以在胎體鉆頭上實(shí)現(xiàn)螺旋刀翼，極大地加強(qiáng)鉆頭旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，同時(shí)增加復(fù)合片的布齒數(shù)，延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命［2］；②刀翼寬度減薄，排屑槽寬度變大，排屑槽深度加深，巖屑排出更加順暢，有利于提高鉆頭機(jī)械鉆速［3］；③鋼芯不再需要設(shè)計(jì)刀片槽，因?yàn)槿∠说镀?，鋼芯高度可以適當(dāng)增加，鉆頭體整體強(qiáng)度增強(qiáng)，使用更加安全［4］。

4 無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭試制與室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)

應(yīng)用以上胎體粉4及相應(yīng)的燒結(jié)工藝，設(shè)計(jì)并試制了一只型號(hào)為81/2KM1652GAR的無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭，進(jìn)行了室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)鉆頭的承載能力進(jìn)行模擬評(píng)價(jià)。

8 1/2胎體金剛石鉆頭在鉆井現(xiàn)場(chǎng)正常鉆進(jìn)時(shí)承受的鉆壓不超過(guò)120kN，承受的扭矩約為2000～4000N·m，模擬評(píng)價(jià)的目標(biāo)是檢測(cè)無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭能否承受相應(yīng)的鉆壓和4000N·m以上的扭矩。

實(shí)際采用250kN高鉆壓、50r／min轉(zhuǎn)速的臺(tái)架鉆進(jìn)參數(shù)鉆進(jìn)花崗巖，試驗(yàn)過(guò)程中鉆頭承受的扭矩保持在5700～7000N·m范圍。鉆頭臺(tái)架試驗(yàn)后的照片見(jiàn)圖2。

臺(tái)架試驗(yàn)連續(xù)鉆進(jìn)6塊高度1m的花崗巖，之后經(jīng)染色探傷檢查確認(rèn)鉆頭胎體完好，沒(méi)有任何裂紋或其他缺陷。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，試制的無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭能承受鉆井現(xiàn)場(chǎng)的鉆壓和扭矩，可以下井試驗(yàn)。

圖2 臺(tái)架試驗(yàn)鉆完6塊花崗巖后的鉆頭外觀

5 無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭鉆井現(xiàn)場(chǎng)使用評(píng)價(jià)

1）江漢油田周22-5井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，完井起鉆后，KM1652GAR無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭參見(jiàn)圖3。檢查鉆頭發(fā)現(xiàn)鉆頭胎體完好無(wú)損、復(fù)合片切削齒磨損很少，鉆頭新度在95%以上。井隊(duì)對(duì)該鉆頭使用情況非常滿意，將鉆頭留在井隊(duì)繼續(xù)使用。

2）江漢油田拖9斜-6井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 下入井深2530m，起出井深3245m，總進(jìn)尺715m，純鉆時(shí)114h。KM1652GAR無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭在潛江組、荊沙組、新溝嘴組上段和新溝嘴組下段的分段鉆井參數(shù)見(jiàn)表4，可以看出，該鉆頭在2560～2874m的井段內(nèi)，鉆頭正常鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速比較理想；在2874～3086m的井段內(nèi)，由于井身控制的原因，鉆壓加的比較低，對(duì)機(jī)械鉆速有一些影響；在3086～3245m的井段內(nèi)，所鉆地層為新溝嘴組下段，地層可鉆性很差，鉆壓加的比較高，但機(jī)械鉆速卻明顯降低。

圖3 周22-5井完井起鉆后鉆頭外觀

表3 無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 KM1652GAR無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭現(xiàn)場(chǎng)使用鉆井參數(shù)

從潛江組一直打到新溝嘴組下段，取在荊沙組和新溝嘴組上段地層鉆進(jìn)數(shù)據(jù)，與鄰井同地層的其他胎體PDC鉆頭使用數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)表5，可以看出，無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭在機(jī)械鉆速上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，平均提高約60%。

表5 拖字地區(qū)胎體金剛石鉆頭荊沙組及新上段地層使用資料對(duì)比

6 結(jié)論

1）研究開(kāi)發(fā)的新型胎體材料的抗彎強(qiáng)度與沖擊韌性達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，新型胎體材料的力學(xué)性能完全能滿足無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭的需要。

2）胎體金剛石鉆頭采用無(wú)刀片結(jié)構(gòu)后，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有更大的靈活性和穩(wěn)定性，無(wú)刀片胎體結(jié)構(gòu)能顯著提高胎體金剛石鉆頭的使用性能與使用壽命。

3）無(wú)刀片胎體金剛石鉆頭填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)胎體金剛石鉆頭的空白，結(jié)束了國(guó)內(nèi)胎體金剛石鉆頭只能采用刀片結(jié)構(gòu)的歷史。

［1］潘信眾.PDC鉆頭胎體性能研究 ［J］.內(nèi)江科技，2008，29（11）：112.

［2］張紹和，魯凡 .金剛石鉆頭參數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)律 ［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，35（2）：195～200.

［3］陳國(guó)慶.PDC鉆頭的發(fā)展趨勢(shì) ［J］.石油機(jī)械，2003，31（增刊）：103～106.

［4］楊明合.PDC鉆頭技術(shù)新進(jìn)展 ［J］.中國(guó)西部科技，2010，9（16）：10～11.

［編輯］ 帥群

Research and Developm ent for M atrix Body Bit w ithout Cutter

HONG Chunling，ZHANG Liehua (First Author's Address:Kingdream Public Limited Company;SINOPEC Key Laboratory of Petroleum Machinery Equipment，Wuhan 430223，Hubei，China)

Based on extensive researches ofmatrix body bitwithout cutters externally，matrix body materials were researched and developed，which were suitable for diamond bitwithout cutters，thereforematrix-body diamond bitwithout cutterswas designed and trial-manufactured.The bitwas passed through stand test in laboratory and field test，excellent drilling effectwas achieved in field test.The bithas been developed successfully，which has filled the domestic blank ofmatrix body diamond bits，it provides solid foundation for developing the international first-classmatrix body diamond bit.

without cutters;matrix body diamond bit;stand test

TE921.1

A

1000-9752（2014）05-0153-04

2014-01-01

洪春玲 （1963-），女，1982年華中理工大學(xué)畢業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事機(jī)械制造研發(fā)與管理工作。