關(guān)于金剛石鉆進(jìn)工藝優(yōu)化幾個(gè)問題的研究

Чихоткин В．Ф．，高申友，蔣國盛，彭 莉，湯鳳林

(1．中國地質(zhì)大學(xué)，湖北 武漢430074;2．無錫鉆探工具廠，江蘇 無錫214174)

金剛石鉆進(jìn)，特別是孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)，與其它鉆進(jìn)方法不同，在鉆進(jìn)過程中，鉆頭－巖石副相互作用時(shí)，在鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)(鉆壓FH、鉆頭回轉(zhuǎn)速度n、給定性能的沖洗液量Q)的作用下，鉆頭金剛石破碎巖石，形成孔底，巖屑沉積在孔底，磨損鉆頭胎體，使金剛石露出，繼續(xù)破碎巖石。其它鉆進(jìn)方法時(shí)，這三個(gè)鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)都起著非常大的作用。但在金剛石鉆進(jìn)時(shí)，在所鉆巖石物理力學(xué)性質(zhì)f和鉆頭類型B已經(jīng)確定情況下，鉆壓和鉆頭回轉(zhuǎn)速度可以決定鉆進(jìn)速度和孔底巖屑的多少，但不能改變留在孔底巖屑的數(shù)量，而改變孔底巖屑數(shù)量在很大程度上取決于沖洗液的數(shù)量。沖洗液量過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致孔底沒有巖屑，全被沖走，不能磨損胎體，金剛石不能露出，結(jié)果是鉆頭拋光。沖洗液量過小時(shí)，不能排走孔底巖屑，滯留孔底巖屑過多，致使鉆頭產(chǎn)生非正常磨損，如拉槽、金剛石脫落等。只有沖洗液量合適時(shí)，才能保持孔底有適量的巖屑，既能保證巖屑有效磨損胎體，使金剛石露出，保持正常鉆進(jìn)，又不至于孔底巖屑過多而使鉆頭產(chǎn)生非正常磨損?？梢?，在這種情況下，沖洗液量大小是金剛石正常鉆進(jìn)中非常關(guān)鍵的規(guī)程參數(shù)。金剛石鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭－巖石副相互作用與所鉆巖石物理力學(xué)性質(zhì)f、所用鉆頭類型B、鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)(FH、n、Q)和正常鉆進(jìn)條件的關(guān)系見圖1。下面主要討論金剛石鉆進(jìn)優(yōu)化與沖洗液量關(guān)系的幾個(gè)問題。

圖1 “金剛石鉆頭－巖石副”相互作用示意圖

1 鉆孔結(jié)構(gòu)與鉆進(jìn)工藝優(yōu)化的關(guān)系

為了說明鉆孔結(jié)構(gòu)對鉆進(jìn)工藝優(yōu)化的影響，我們選擇了2個(gè)類似的鉆孔(見圖2)，鉆孔結(jié)構(gòu)參數(shù)除了孔口直徑不同外(鉆孔結(jié)構(gòu)1孔口直徑為146 mm，鉆孔結(jié)構(gòu)2孔口直徑為89 mm)，其余均相同:孔底直徑均為59 mm，深度均為100 m，鉆具為CCK－59繩索取心鉆具，所用鉆頭均為金剛石孕鑲鉆頭。

圖2 兩個(gè)開孔直徑不同的鉆孔結(jié)構(gòu)圖

冷卻鉆頭、排除巖屑和潤滑鉆具，使用工業(yè)用水。假設(shè)鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速和機(jī)械鉆速相同，則每個(gè)鉆孔需要的沖洗液量需要計(jì)算。

為了計(jì)算需要的沖洗液量，可以利用伊瓦切夫А．М．公式:

式中:ξ——考慮沖洗液流流動(dòng)速度在孔內(nèi)的均勻性系數(shù)，ξ=1.2 ～1.3;DCKB——鉆孔直徑，mm;d——鉆桿直徑，mm;V——沖洗液返流速度，m/s。

式(1)表明，此式?jīng)]有考慮“鉆頭－巖石副”相互作用的概念，沒有考慮金剛石鉆頭鉆進(jìn)和破碎孔底巖石的過程。

所以，在第一種情況下，在按第一種鉆孔結(jié)構(gòu)(孔口直徑為D=146 mm)進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，按計(jì)算公式得到的沖洗液量供給孔底時(shí)，孔底巖屑很快從鉆頭唇面下面排走，導(dǎo)致鉆頭拋光，機(jī)械鉆速完全停止。在第二種情況(孔口直徑為D=89 mm)下，完全相反。向孔底供給按公式算得的沖洗液量時(shí)，由于沖洗液量可能不足，孔底充滿巖屑。鉆頭唇面下面形成巖屑墊層，導(dǎo)致胎體嚴(yán)重磨損，金剛石露出超過極限值，支撐值降低，金剛石從胎體中脫落。同時(shí)，從胎體脫落下來的金剛石，落到工作唇面下面，導(dǎo)致鉆頭產(chǎn)生非正常磨損，例如形成拉槽等。

可見，鉆孔結(jié)構(gòu)對所需沖洗液量有很大影響，因而對鉆進(jìn)工藝優(yōu)化有很大意義，應(yīng)引起我們的注意。

2 沖洗液空化氣蝕對鉆進(jìn)工藝優(yōu)化的影響

沖洗液在鉆頭、鉆桿和環(huán)狀空間中流動(dòng)時(shí)，經(jīng)過的斷面經(jīng)常變化，經(jīng)過鉆頭水口時(shí)變化更為明顯。我們從水力學(xué)得知，流量一定時(shí)，斷面的變化，必將引起流速的變化。速度變化過程越快，則瞬時(shí)升降的壓強(qiáng)就越大，這種現(xiàn)象稱為水擊。我們可把沖洗液通過不同斷面鉆桿柱、外環(huán)空間和鉆頭水口看成是節(jié)流管道的情況。通過節(jié)流管道中斷面最小的部位，液體壓力最大，壓強(qiáng)最小，往往出現(xiàn)真空度。當(dāng)這種真空度增大到一定程度以后，液體中溶解的空氣首先要分離成氣泡，從液體中游離出來。壓強(qiáng)再降低，真空度增大，甚至液體本身也會(huì)汽化，形成空化氣蝕現(xiàn)象。

在鉆探過程中，沖洗液在水路系統(tǒng)和鉆頭中經(jīng)過形狀和尺寸不同的通道，通過復(fù)雜的路程。在通道斷面變窄情況下，出口壓力P2小于入口壓力P1，最小壓力PC位于液流斷面最小的C－C處，從C－C斷面到出口部分時(shí)，壓力增大，PC增到P2(如圖3所示)。

圖3 沖洗介質(zhì)在通道變窄情況下總壓力P0和靜壓力P變化示意

PC在通道斷面變化過程中減小時(shí)，壓力可以達(dá)到飽和蒸汽的壓力Pнп，此時(shí)在液流中會(huì)產(chǎn)生氣泡。氣泡直徑減小并在直徑大小趨近零時(shí)，氣泡破裂，產(chǎn)生巨大的壓力。這個(gè)壓力在沖洗液流中產(chǎn)生沖擊波，形成氣蝕。

為了避免出現(xiàn)這種被腐蝕的現(xiàn)象，必須確定液流產(chǎn)生氣蝕過程的臨界速度條件。沖洗液流的臨界流速為:

式中:Pнп——飽和蒸汽壓力;ρ——沖洗介質(zhì)的密度;χкр——臨界無量綱的氣蝕系數(shù)。

知道了水流臨界速度VKP，如果再知道水流的面積，就可以計(jì)算出產(chǎn)生空化氣蝕的沖洗液量來了。

為了研究空化氣蝕的存在和規(guī)律性，我們研制了實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過電力驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)巖樣回轉(zhuǎn)，鉆機(jī)對鉆頭施加軸載，定期改變沖洗規(guī)程(沖洗液量)，鉆頭對巖樣進(jìn)行破碎，完成巖樣的破碎過程。同時(shí)，對供給孔底鉆頭水口處沖洗液的電阻進(jìn)行測量。如果電阻增加，則說明沖洗液正在變成氣液混合物，發(fā)生水力動(dòng)力學(xué)作用，產(chǎn)生空化氣蝕作用。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用工業(yè)用水做沖洗液。在鉆頭水口附近置有電阻傳感器。因?yàn)樗疄榈碗娮鑼?dǎo)體，所以當(dāng)水中含有氣體時(shí)電阻增大，含的氣體越多，電阻越大。對示波器進(jìn)行了調(diào)整和校準(zhǔn)，使沖洗介質(zhì)的密度為1000 kg/m3時(shí)，其電阻為0個(gè)規(guī)定單位。鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，沖洗液供給量依次為 10、20、30、40、50、60、70和125 L/min。記錄流經(jīng)鉆頭水口處沖洗液的電阻(規(guī)定單位)。當(dāng)沖洗液的電阻與水的電阻不同(增大)時(shí)，證明沖洗液中有氣體存在，孔底發(fā)生了空化氣蝕現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)沖洗液量為0 L/min，密度為1000 kg/m3時(shí)，電阻R=0個(gè)規(guī)定單位。當(dāng)沖洗液量為30 L/min時(shí)，沖洗液流開始發(fā)生相變，液流開始飽含氣泡，液流連續(xù)性被破壞，密度降到730 kg/m3。沖洗液量為50 L/min時(shí)，密度為500 kg/m3。當(dāng)沖洗液量為70 L/min時(shí)，密度降到230 kg/m3，氣蝕現(xiàn)象連續(xù)產(chǎn)生，示波儀屏幕上的讀數(shù)激烈震蕩，并以波的脈沖形式展現(xiàn)出來(見圖4～7)。

圖4 靜態(tài)條件Q=0 L/min下，電阻R=0單位，沖洗液ρ=1000 kg/m3時(shí)的示波情況

圖5 Q=30 L/min條件下，電阻R=2.7單位，沖洗液ρ=730 kg/m3時(shí)的示波情況

圖6 Q=50 L/min條件下，電阻R=5.0單位，沖洗液ρ=500 kg/m3時(shí)的示波情況

圖7 Q=70 L/min條件下，電阻R=7.7單位，沖洗液ρ=230 kg/m3時(shí)的示波情況

實(shí)驗(yàn)表明，沖洗液在鉆進(jìn)過程中，特別是通過鉆頭水口時(shí)，電阻發(fā)生明顯變化，說明出現(xiàn)了沖洗液變成氣液混合物的情況，氣蝕氣泡破滅時(shí)，可以產(chǎn)生比大氣壓力大許多倍的巨大壓力。這種巨大壓力在沖洗液中產(chǎn)生沖擊波，使鉆頭受到嚴(yán)重磨損，水口處鉆頭磨損異常明顯，肉眼都可以看出來。

這種沖擊波是否對破碎孔底巖石有正面影響，需要進(jìn)一步研究。

看見，利用這個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以確定出產(chǎn)生水力動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的條件和規(guī)律性，研究出空化氣蝕作用對鉆頭非正常磨損和巖石破碎效果的影響、空化作用與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)(軸載、轉(zhuǎn)速、沖洗液量)的關(guān)系，可以為進(jìn)一步提高鉆探技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)奠定基礎(chǔ)。

3 鉆頭水路結(jié)構(gòu)對沖洗液空化氣蝕的影響

前已述及，沖洗液在鉆進(jìn)過程中流經(jīng)不同斷面和形狀的沖洗通道時(shí)，導(dǎo)致其流動(dòng)速度和壓力不斷變化，當(dāng)沖洗液流動(dòng)速度超過極限值和沖洗液量超過一定數(shù)值時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生空化氣蝕現(xiàn)象，對鉆頭產(chǎn)生嚴(yán)重磨損。

如何解決沖洗液空化氣蝕問題，我們對鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了針對性設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，取得了較好的效果。

根據(jù)進(jìn)行的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，設(shè)法在沖洗液通過鉆頭側(cè)部和底部通道時(shí)，使鉆頭中通過沖洗液流的速度相等的辦法來排除鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的空化氣蝕作用，就可以解決這個(gè)問題。

為此，我們設(shè)計(jì)出了一種新型鉆頭并進(jìn)行了試驗(yàn)。其實(shí)質(zhì)是:鉆頭外表面上沖洗液通道過水?dāng)嗝娴拿娣e和、鉆頭內(nèi)表面上沖洗液通道過水?dāng)嗝娴拿娣e和、和通過鉆頭底端唇面沖洗液通道過水?dāng)嗝娴拿娣e和相等，并且都等于鉆頭內(nèi)徑和鉆頭鋼體內(nèi)徑間形成的過水面積和鉆頭鋼體外表面和孔壁間形成的過水面積(見圖8)。

圖8 鉆頭各水路結(jié)構(gòu)過水面積間的關(guān)系

從圖8可見，鉆頭鋼體上置有扇形塊，扇形塊被水口分開。在與巖心管連接的鉆頭鋼體的內(nèi)、外表面上，有用通道水口連接起來的沖洗通道，其過水面積相等，即S－2=S－4=S－3。鋼體內(nèi)表面和巖心間的過水面積S－1，和鋼體外表面和孔壁間的過水面積S－5相等，即S－1=S－5，也等于S－2=S－4=S－3。

由于鉆頭設(shè)計(jì)的沖洗系統(tǒng)各個(gè)通道的過水面積均相等，沖洗液在流動(dòng)過程中不再有張開和收縮的情況發(fā)生，排除了由于沖洗液流動(dòng)時(shí)速度和壓力變化產(chǎn)生空化氣蝕現(xiàn)象，所以提高了鉆進(jìn)效率和鉆頭壽命，提高了鉆探工作的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)證明，采用這種結(jié)構(gòu)的鉆頭，可使鉆頭壽命提高20% ～25%，機(jī)械鉆速提高10% ～20%。

4 水路單位面積沖洗液量與機(jī)械鉆速的關(guān)系

前面已經(jīng)談到，孕鑲金剛石鉆進(jìn)時(shí)，孔底巖屑數(shù)量是否適量，非常重要。過去對巖屑規(guī)程研究重視不夠。事實(shí)證明，正確確定巖屑規(guī)程是正常鉆進(jìn)過程的保證，鉆進(jìn)正常與否主要取決于巖屑能否適時(shí)合理地排出并在孔底保留適量的巖屑。這是一個(gè)新的論點(diǎn)，是一個(gè)新的思路，是俄羅斯多年理論研究的結(jié)果，也是俄羅斯多年鉆探經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)概括。這一成果獲得了俄羅斯發(fā)明專利。

正常鉆進(jìn)條件下的巖屑規(guī)程，可用下式表示:

式中:Q——沖洗液用量，m3/s;S∑——鉆頭沖洗系統(tǒng)過水通道總面積，m2;VM——機(jī)械鉆速，m/s;(16～31)×102——金剛石鉆頭最優(yōu)鉆進(jìn)規(guī)程時(shí)進(jìn)行正常鉆進(jìn)的邊界條件范圍;(16×102)——邊界條件下限;(31×102)——邊界條件上限。

這個(gè)公式表明，機(jī)械鉆速與單位水口的面積的流速有非常直接的關(guān)系，所以為了保證正常鉆進(jìn)，必須把產(chǎn)生的巖屑適量地排出去。公式的邊界條件表明，在金剛石鉆進(jìn)條件下，在機(jī)械鉆速選定之后或保持機(jī)械鉆速不變的情況下，單位面積通道沖洗液流量與機(jī)械鉆速值之比低于下限16×102時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致井底巖屑過多而對鉆頭胎體產(chǎn)生嚴(yán)重磨損;單位面積通道沖洗液流量與機(jī)械鉆速之比高于上限31×102時(shí)就會(huì)導(dǎo)致井底巖屑迅速排走，與鉆頭胎體接觸的巖屑過少，金剛石不能及時(shí)出露，從而使金剛石拋光。一般情況下，處于下限16×102和上限31×102之間時(shí)，就可以使鉆進(jìn)處于正常鉆探過程之中，機(jī)械鉆速穩(wěn)定，因而可以增加回次時(shí)間，改善鉆頭工作條件，提高鉆探效率，提高鉆探的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。俄羅斯多年的鉆探實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，這個(gè)結(jié)論是正確的，取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。當(dāng)然，在鉆探工作中，還要根據(jù)實(shí)際情況，對上限和下限進(jìn)行合理選取與論證。

這個(gè)規(guī)律也為金剛石鉆頭水路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了新的理論依據(jù)，有很大的指導(dǎo)意義。

考慮鉆頭沖洗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)設(shè)定或希望得到的機(jī)械鉆速來實(shí)際應(yīng)用這個(gè)公式，可以計(jì)算出給定鉆進(jìn)條件所需的沖洗液量。同樣，考慮鉆頭沖洗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)給定的沖洗液量，可以計(jì)算出得到的機(jī)械鉆速。在這些情況下，由于有巖屑對鉆頭胎體的磨損作用，可以保證切削具(金剛石)順利切入被破碎的巖石，孔底金剛石露出變成一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)的過程，使金剛石鉆進(jìn)始終在正常鉆進(jìn)下進(jìn)行?？梢?，鉆頭沖洗系統(tǒng)才是沖洗液量和機(jī)械鉆速間合理比例的決定性條件。

5 結(jié)論

根據(jù)以上分析、研究、討論和實(shí)驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論。

(1)孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭金剛石破碎巖石，巖屑沉積孔底，磨損鉆頭胎體，使金剛石露出，繼續(xù)破碎巖石。鉆壓和鉆頭回轉(zhuǎn)速度可以決定鉆進(jìn)速度和孔底巖屑的多少，但不能改變留在孔底巖屑的數(shù)量，而改變孔底巖屑的數(shù)量在很大程度上取決于沖洗液的數(shù)量。只有沖洗液量合適時(shí)，才能保持孔底有適量的巖屑，既能保證巖屑有效磨損胎體，金剛石露出，保持正常鉆進(jìn)，又不至于孔底巖屑過多而使鉆頭產(chǎn)生非正常磨損?？梢?，在這種情況下，沖洗液量大小是決定金剛石正常鉆進(jìn)中非常關(guān)鍵的規(guī)程參數(shù)。正確確定巖屑規(guī)程，可以保證正常鉆進(jìn)。

(2)鉆孔結(jié)構(gòu)，特別是開孔直徑對沖洗液量的計(jì)算有很大影響，因?yàn)闆_洗液量是根據(jù)鉆開孔直徑平方和鉆桿直徑平方的差計(jì)算的。開孔直徑越大，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的所需流量偏大，使孔底保留合適巖屑以保證正常鉆進(jìn)受到很大影響，這一點(diǎn)不大引起人們的注意，應(yīng)該引起重視。

(3)在鉆探過程中，沖洗液走過非常復(fù)雜的路程，在沖洗水路系統(tǒng)中經(jīng)過形狀和尺寸不同的通道，引起流速和壓力的變化。計(jì)算和進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證明，在沖洗液一定流量和速度下，這種變化會(huì)引起空化氣蝕現(xiàn)象，對鉆頭產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，大大影響鉆探的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

(4)空化氣蝕現(xiàn)象是由于沖洗液在鉆進(jìn)過程中通過不同尺寸、形狀的通道，造成流速和壓力急劇變化而產(chǎn)生的。如果我們能夠設(shè)計(jì)出一種新型鉆頭，使其各個(gè)通道的面積都相等，消除流速和壓力的變化，就可以基本上消除空化氣蝕現(xiàn)象。使各個(gè)過水面積S－1、S－2、S－3、S－4、S－5都相等的鉆頭，可以解決沖洗液空化氣蝕問題，可使鉆頭壽命提高20% ～25%，機(jī)械鉆速提高10% ～20%。

(5)為了保證在金剛石鉆進(jìn)時(shí)，確定合理巖屑規(guī)程，保證鉆頭正常鉆進(jìn)，應(yīng)該把供給的沖洗液量和機(jī)械鉆速掛起鉤來。公式(3)給出了供給的沖洗液量和機(jī)械鉆速比的合理邊界條件范圍，低于下限邊界條件，就會(huì)出現(xiàn)鉆頭胎體非正常磨損，高于上限邊界條件就會(huì)產(chǎn)生金剛石鉆頭拋光，必須保證這個(gè)比值始終處于正常鉆進(jìn)的邊界條件范圍之內(nèi)。

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