彈塑性致密泥巖用新型尖齒PDC鉆頭的研制與應(yīng)用

阮海龍，沈立娜，李 春，歐陽志勇，吳海霞，陳云龍

(北京探礦工程研究所，北京100083)

0 引言

聚晶金剛石復(fù)合片(polycrystalline diamond compact，PDC)是采用金剛石微粉與硬質(zhì)合金襯底在超高壓高溫條件下燒結(jié)而成，既具有金剛石的高硬度、高耐磨性與導(dǎo)熱性，又具有硬質(zhì)合金的強(qiáng)度與抗沖擊韌性，是制造切削刀具、鉆井鉆頭及其他耐磨工具的理想材料。由于聚晶金剛石內(nèi)晶體間的取向不規(guī)則，不存在單晶金剛石所固有的節(jié)理面，所以PDC的耐磨性及強(qiáng)度高于天然金剛石且不易破碎。但由于多種材料的存在，其熱穩(wěn)定性較差，同時(shí)脆性較強(qiáng)，不能經(jīng)受沖擊載荷。隨著PDC鉆頭的技術(shù)進(jìn)步使得聚晶金剛石薄片與碳化鎢圓片接觸的幾何形狀有了改進(jìn)，也使PDC鉆頭的熱穩(wěn)定性極限由原來的700℃提高到1150℃。PDC鉆頭是一種適用于軟～中硬地層取心或全面鉆進(jìn)的鉆頭。然而在大多數(shù)彈塑性致密泥巖、粘土質(zhì)砂巖等地層，常規(guī)的PDC鉆頭普遍存在鉆進(jìn)效率低的現(xiàn)象［1］，有時(shí)甚至難以進(jìn)尺，“泥包”現(xiàn)象也經(jīng)常發(fā)生。針對(duì)這種彈塑性較高的致密泥巖、粘土質(zhì)砂巖地層，本文設(shè)計(jì)了一種新型尖齒PDC鉆頭。

1 彈塑性致密泥巖巖性分析

為了有針對(duì)性的研究彈塑性致密泥巖、粘土質(zhì)砂巖，將其中典型巖樣進(jìn)行了巖性分析，正交偏光圖如圖1所示。

圖1 典型彈塑性泥巖、粘土質(zhì)砂巖顯微照片(正交偏光)

巖石為含灰(方解石)粉砂質(zhì)粘土巖，礦物組成主要是粘土礦物、石英、長(zhǎng)石、云母、方解石、赤鐵礦、褐鐵礦的氧化物和細(xì)巖屑。鐵質(zhì)氧化物微粒呈細(xì)分散狀與泥晶方解石、粘土礦物組成混合物集合體，石英、長(zhǎng)石粉砂呈碎屑狀，絹云母呈細(xì)鱗片狀分散在粘土巖內(nèi)構(gòu)成紫紅色含灰粉砂質(zhì)泥巖。具體礦物成分組成見表1。

表1 巖石礦物成分鑒定分析結(jié)果 %

彈塑性致密泥巖是指破壞前呈現(xiàn)明顯彈塑性變形的一類巖石。在通常條件下，只有少部分巖石屬于該類巖石(例如，鹽巖、煤層巖等)。彈塑性大小與組成礦物顆粒間界的相對(duì)滑移以及所含膠結(jié)物的類型和性質(zhì)有關(guān)。由于致密泥巖由微小礦物組成，粒徑小于1/256 mm，導(dǎo)致細(xì)粒巖石顆粒間界面積大，所以它的塑性比粗粒的同類巖石的塑性要大得多。

2 彈塑性致密泥巖鉆進(jìn)難點(diǎn)及原因分析

在該地層實(shí)施鉆進(jìn)時(shí)，主要存在以下問題。

(1)鉆速低。彈塑性大的泥巖抵抗切削工具壓入能力強(qiáng)，刻取巖石時(shí)易發(fā)生切削工具在巖石表面打滑，造成碎巖困難。

(2)鉆孔縮徑。巖石中粘土礦物成分含量高，水敏性強(qiáng)，易發(fā)生糊鉆和縮徑現(xiàn)象，這些因素造成鉆進(jìn)時(shí)進(jìn)尺慢、效率低［2］。

結(jié)合地層特點(diǎn)分析鉆進(jìn)施工難度的主要原因?yàn)?由于該地層存在大量的彈塑性致密粘土質(zhì)砂巖、泥巖，PDC切削齒對(duì)這類彈塑性致密地層的切削過程是一個(gè)剪切滑移的過程，在鉆具扭轉(zhuǎn)力作用下，切削齒前方的巖石不斷產(chǎn)生塑性流動(dòng)，由于普通圓形切削齒“吃入”地層深度不夠，使得其在彈塑性致密地層表面重復(fù)剪切滑移，而難以實(shí)現(xiàn)純粹的碎巖鉆進(jìn)，因此表現(xiàn)為進(jìn)尺困難。在現(xiàn)場(chǎng)，這種致密泥巖地層被形象地稱為“橡皮層”，看上去硬度不高，但可鉆性特別差，一般的硬質(zhì)合金鉆頭和常規(guī)的復(fù)合片鉆頭對(duì)此無能為力，故有必要研究適用于該種地層的新型金剛石鉆頭。

3 新型尖齒PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3．1 切削齒形狀設(shè)計(jì)

PDC切削齒破巖過程中，切削面的幾何性質(zhì)，尤其是切削面積和接觸弧長(zhǎng)直接影響到PDC切削齒的作用力［3，4］。切削具壓入致密泥巖產(chǎn)生的變形往往被泥巖的彈性變形所恢復(fù)，應(yīng)力也會(huì)通過塑性變形得到釋放。如此重復(fù)剪切滑移，難以實(shí)現(xiàn)純鉆進(jìn)。因此，需要盡可能在切削壓入過程中，越過彈塑性變形階段直接使巖石發(fā)生破壞。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，必須對(duì)PDC切削齒與巖石接觸部位的幾何形狀進(jìn)行改進(jìn)。圖2為PDC切削齒示意圖，以1304PDC為例，假設(shè)切削深度為1 mm，圓形PDC和尖齒Ⅰ型PDC的切削面積和接觸弧長(zhǎng)計(jì)算見表2。

圖2 PDC切削齒示意圖

表2 圓形切削齒和改進(jìn)的尖齒Ⅰ型的切削面積和接觸弧長(zhǎng)理論計(jì)算值

表2結(jié)果顯示，與圓形 PDC相比，尖齒Ⅰ型PDC的切削面積和接觸弧長(zhǎng)均大幅降低。這就意味著，當(dāng)在同樣的鉆壓、轉(zhuǎn)速及相同的鉆頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)條件下，尖齒Ⅰ型鉆頭對(duì)巖石的壓縮應(yīng)力可提高數(shù)倍，極可能超過巖石的抗壓抗剪強(qiáng)度而實(shí)現(xiàn)一次性切削破碎，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有力的碎巖鉆進(jìn)。然而尖齒Ⅰ型PDC的尖端部位容易造成應(yīng)力集中，考慮到PDC復(fù)合片抗沖擊韌性較差，將其改進(jìn)為尖齒Ⅱ型，如圖3(a)所示，于尖齒上端留有一定寬度的弧度，這樣既避免了應(yīng)力集中可能導(dǎo)致的切削齒提前發(fā)生破壞，也保證了與巖石接觸部位的幾何形狀優(yōu)勢(shì)。此外，為合理實(shí)現(xiàn)內(nèi)外保徑，在鉆頭保徑處的尖齒形狀為一側(cè)平直的歪尖角結(jié)構(gòu)，如圖3(b)，平直側(cè)可作為保徑端鑲嵌于鉆頭體，這樣在一定程度上提高了保徑部位的工作面積，加強(qiáng)了內(nèi)外保徑。

圖3 尖齒Ⅱ型PDC形狀

3．2 切削齒的排列方式

鉆頭上切削單元數(shù)目越多，切削點(diǎn)就多，單位時(shí)間完成的切削量就大，鉆速也越高，鉆頭壽命較長(zhǎng)。但是，由于軸向載荷有限，單個(gè)切削具上的載荷不足，只能形成表面破碎;切削具數(shù)目太多，使剪切體變小，孔底冷卻效果變差。切削具數(shù)目取決于巖性、鉆頭直徑和切削具形狀［5］。根據(jù)所鉆遇地層的硬度等級(jí)及巖性特點(diǎn)及井底全覆蓋原則，在充分發(fā)揮各個(gè)切削齒切削作用的同時(shí)降低各齒之間的重復(fù)做功，最終設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 尖齒PDC平面布置結(jié)構(gòu)

3．3 復(fù)合片的包鑲

按復(fù)合片鑲嵌結(jié)構(gòu)分為半出刃型和全出刃型。半出刃型鉆頭適用于鉆進(jìn)中硬地層，包鑲牢靠，不易掉片，但進(jìn)尺較慢。全出刃型適用較松軟地層，排粉好，進(jìn)尺快。對(duì)于地層硬度5級(jí)左右的彈塑性致密泥巖，在保證包鑲牢固以及較好的排粉效果的基礎(chǔ)上，為了達(dá)到較高的機(jī)械鉆速，采用H=3/(4d)(其中d為復(fù)合片直徑)，如圖5所示。

由于復(fù)合片的碎巖方式主要是靠壓碎剪切作用來破碎巖石，所以復(fù)合片在鉆頭體上的鑲焊角度應(yīng)采用負(fù)斜鑲，即切削齒要有一定角度的后傾角。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，切削角值可根據(jù)切削巖石的硬度來選擇其大小，巖石較硬，后傾角大些，反之要小些。此外，后傾角大，有利于保護(hù)切削刃，反之有利于提高鉆速。一般中硬地層，取值10°～15°之間。

圖5 尖齒PDC包鑲形式

3．4 水力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

復(fù)合片鉆頭的水口和水槽要合理設(shè)計(jì)，以達(dá)到更好的沖洗巖屑和冷卻復(fù)合片的目的。一般每組切削具要配置一個(gè)水口，水口的面積要大于鉆頭與巖心之間或者鉆頭與井壁之間環(huán)狀間隙的面積。在鉆頭的內(nèi)外壁上加工水槽，目的是補(bǔ)充增加鉆頭內(nèi)外環(huán)狀間隙過水面積的不足。為了避免鉆進(jìn)時(shí)巖粉排出不及時(shí)，滯留在孔底并附著在PDC附近形成“泥包”，堵塞水口，影響后期的鉆進(jìn)效率，設(shè)計(jì)鉆頭的水路截面積要大，保證孔底清潔和冷卻鉆頭［6，7］。

最終新型尖齒PDC鉆頭成品實(shí)物見圖6。

圖6 新型尖齒PDC鉆頭成品實(shí)物

4 現(xiàn)場(chǎng)使用效果

所設(shè)計(jì)和研制的新型尖齒PDC鉆頭，在甘肅瓦斜鄉(xiāng)河水溪煤礦彈塑性致密泥巖、粘土質(zhì)砂巖井段進(jìn)行了鉆進(jìn)試驗(yàn)。巖心實(shí)物如圖7所示，鉆頭使用情況見表3。

施工最初采用常規(guī)圓齒復(fù)合片鉆頭，鉆進(jìn)時(shí)效約0.5 m，難以滿足進(jìn)度要求。使用新型尖齒PDC鉆頭后，平均機(jī)械鉆速可達(dá)3.8 m/h，鉆頭平均壽命約300 m，最高壽命達(dá)400 m。由此可見，該種尖齒PDC鉆頭在彈塑性致密泥巖地層的應(yīng)用大大提高了鉆頭的工作壽命及鉆進(jìn)效率，降低了鉆探成本，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，現(xiàn)該類型鉆頭正在煤田致密泥巖、粘土質(zhì)砂巖中廣泛應(yīng)用。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)巖心實(shí)物

表3 新型鉆頭應(yīng)用效果

5 結(jié)語

(1)新型尖齒PDC鉆頭針對(duì)彈塑性致密泥巖的特性，從切削齒、水力結(jié)構(gòu)等多方面進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

(2)新型尖齒PDC鉆頭大幅提高鉆進(jìn)效率，是鉆進(jìn)彈塑性致密泥巖、粘土質(zhì)砂巖地層的利器。

(3)新型尖齒PDC鉆頭制作工藝簡(jiǎn)單可行，適于推廣應(yīng)用。

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