硬巖超高胎體偏心齒鉆頭的研制及應(yīng)用

阮海龍，沈立娜*，胡遠(yuǎn)彪，賈美玲，吳海霞，李 春

（1.北京探礦工程研究所，北京100083；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京100083）

0 引言

隨著鉆探技術(shù)的進(jìn)步和人類(lèi)對(duì)礦產(chǎn)資源的渴求，地球深部礦產(chǎn)資源勘探已成為全球找礦的重要方向。在小口徑地質(zhì)勘探領(lǐng)域，繩索取心鉆進(jìn)得到了廣泛應(yīng)用，由于這種方法不需要將鉆桿提升到孔外，所以極大地減少了起下鉆具的時(shí)間，在深部鉆探領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)更加明顯，而鉆頭壽命和機(jī)械鉆速是影響繩索取心鉆進(jìn)效率的重要因素［1-5］。深部地層堅(jiān)硬復(fù)雜，鉆頭極易磨損或難以進(jìn)尺，為了提高鉆頭的機(jī)械鉆速，很多學(xué)者對(duì)金剛石鉆頭胎體進(jìn)行了研究，如王佳亮等［6］將SiC、棕剛玉和合金鋼丸作為胎體耐磨性弱化顆粒添加至胎體中并研究了胎體磨損機(jī)制；郭慶清等［7］研究了不同胎體弱化顆粒材質(zhì)對(duì)鉆頭胎體結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和摩擦磨損行為的影響；龐豐等［8］研究了造孔劑對(duì)金剛石鉆頭胎體性能的影響等。這些針對(duì)堅(jiān)硬致密地層的胎體改進(jìn)機(jī)制，在一定程度上犧牲了胎體的耐磨性或強(qiáng)度［9-11］，從而影響了鉆頭的使用壽命，劉寶昌等［12］研究了CVD 金剛石條對(duì)孕鑲金剛石鉆頭的強(qiáng)化作用，可提高堅(jiān)硬地層的鉆進(jìn)效率和壽命，可結(jié)合地層情況借鑒參考。除改善胎體配方外，趙濤［13］從鉆頭的切削結(jié)構(gòu)入手，采用齒輪鉆頭結(jié)構(gòu)增加單齒工作比壓來(lái)提高機(jī)械鉆速，然而這種鉆頭結(jié)構(gòu)受胎高和強(qiáng)度的限制，條狀齒工作層很快磨平而導(dǎo)致鉆頭無(wú)法繼續(xù)發(fā)揮高效鉆進(jìn)作用。因此，本文針對(duì)深部堅(jiān)硬地層鉆頭壽命短、進(jìn)尺效率低等問(wèn)題，開(kāi)展了超高胎體偏心齒金剛石鉆頭的研制。

1 鉆頭的研制

1.1 胎體配方

在金剛石品級(jí)不高的情況下，對(duì)于堅(jiān)硬地層尤其是堅(jiān)硬致密“打滑”地層，孕鑲鉆頭通常選用較軟的胎體。然而，隨著我國(guó)人造金剛石品級(jí)以及金剛石包鑲技術(shù)的不斷提高，選用相對(duì)較硬的胎體（HRC20～40）可提高深部硬巖金剛石鉆頭的壽命。為此，選用混入0.8%稀土的Fe 基預(yù)合金粉末，粒度為2～10 μm，胎體硬度HRC23～25，抗彎強(qiáng)度1123 MPa，抗沖擊韌性約6 J/cm2［14-15］。

1.2 金剛石的優(yōu)選

選用高品級(jí)中等偏細(xì)粒度人造金剛石單晶，即40/45、50/60、60/70 混合。因?yàn)殡S著單晶粒度的增大，晶體包裹體含量增大，晶格畸變導(dǎo)致單晶不規(guī)則生長(zhǎng)的趨勢(shì)增加；偏細(xì)粒度金剛石單晶晶形更加完整、雜質(zhì)含量更低，在相同品級(jí)的單晶中，偏細(xì)粒度金剛石單晶具有更優(yōu)良的性能指標(biāo)［10］。有數(shù)據(jù)顯示，對(duì)于堅(jiān)硬巖石，較小粒度金剛石更有利于鉆進(jìn)［16-17］。然而為了避免過(guò)細(xì)粒度造成出刃不足，將中等粒度與偏細(xì)粒度金剛石單晶進(jìn)行混合配料。為了獲得較高的單粒金剛石鉆壓，根據(jù)地層硬度和研磨性，金剛石濃度可在70%～90%進(jìn)行調(diào)整。為了提高鉆頭壽命，可根據(jù)地層情況在鉆頭切削齒唇面適當(dāng)添加表鑲金剛石顆粒。

1.3 超高胎體偏心齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3.1 偏心齒設(shè)計(jì)

為了提高金剛石鉆頭單齒工作壓力，引入偏心條狀齒結(jié)構(gòu)，對(duì)于小直徑地質(zhì)取心鉆頭，直接將鉆頭設(shè)計(jì)為偏心條狀，如圖1（a）所示。當(dāng)鉆頭內(nèi)外尺寸相差較大時(shí)，可設(shè)計(jì)偏心類(lèi)條狀扇形切削齒，以滿(mǎn)足內(nèi)外徑同步磨損需求，如圖1（b）所示。條狀或偏心類(lèi)條狀扇形齒設(shè)計(jì)可以提高單齒工作壓力，從而有利于堅(jiān)硬地層快速切削鉆進(jìn)，此外，偏心齒設(shè)計(jì)改善了鉆頭切削齒的工作受力狀態(tài)，不但提高了鉆頭的工作強(qiáng)度，而且使得排漿更加通暢。

圖1 偏心齒平面布置示意Fig.1 Plan layout of the eccentric cutters

1.3.2 扭面后支撐設(shè)計(jì)

為了提高鉆頭胎體的工作高度，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了金剛石胎塊扭面過(guò)渡后支撐結(jié)構(gòu)，通過(guò)無(wú)壓燒結(jié)類(lèi)似風(fēng)機(jī)葉輪狀后支撐結(jié)構(gòu)（如圖2 所示），一方面有利于鉆頭排漿，另一方面保證鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和耐沖擊性能。圖3 為?215 mm/?75 mm取心鉆頭在200 r/min 旋轉(zhuǎn)速度、靜壓力條件下所模擬的水力流場(chǎng)。由圖中可見(jiàn)，在鉆頭旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，液流以0.68699 L/s 的體積流量自行排出?？梢?jiàn)，偏心布齒配合扭面后支撐設(shè)計(jì)起到了一定的“自排屑”效果。該后支撐結(jié)構(gòu)的高度略低于胎體工作層，從而合理有效地為金剛石主切削胎塊提供支撐強(qiáng)度，提高了鉆頭的使用壽命。鉆頭主切削胎塊高度根據(jù)鉆頭規(guī)格和地層情況設(shè)計(jì)，考慮到胎體結(jié)合強(qiáng)度，工作層最高設(shè)計(jì)為30 mm。此外，在后支撐體內(nèi)部孕鑲一定濃度的金剛石，內(nèi)外徑兩側(cè)貼有保徑金剛石聚晶，以此輔助切削，加強(qiáng)內(nèi)外保徑。

1.4 鉆頭的加工制造

金剛石的制造方法主要包括熱壓燒結(jié)、無(wú)壓燒結(jié)和二次鑲焊技術(shù)。熱壓法具有胎體性能可調(diào)、燒結(jié)時(shí)間短、溫度低從而利于保護(hù)金剛石的特點(diǎn)，但由于燒結(jié)過(guò)程的壓力因素，對(duì)于胎體形狀復(fù)雜、厚度和高度相差懸殊的鉆頭，可能出現(xiàn)胎體密度不均，乃至難以制造。無(wú)壓法借助于適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)使骨架粉末達(dá)到預(yù)定密度，因此利于制造形狀復(fù)雜、尺寸相差懸殊的鉆頭。由于制造過(guò)程中無(wú)需加壓，底刃和保徑金剛石、聚晶等都不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)位，因而鉆頭尺寸精確，外形美觀。但燒結(jié)溫度一般比熱壓高得多，對(duì)金剛石熱損傷和熔融金屬對(duì)金剛石的腐蝕較為嚴(yán)重［5］。二次鑲焊技術(shù)是將胎體切削齒單獨(dú)燒制，再焊接到鉆頭基體上。由于燒結(jié)溫度更低（可至780 ℃），能夠有效降低金剛石熱損傷。近些年，金剛石鉆頭二次鑲焊技術(shù)有了較大發(fā)展，從燒制模具設(shè)計(jì)、焊接層材料選擇、焊接工藝技術(shù)上都有了較大突破［18］。為了充分發(fā)揮各種制造工藝的優(yōu)勢(shì)，超高胎體偏心齒金剛石鉆頭將3 者進(jìn)行了有機(jī)的結(jié)合。其中主切削胎塊采用熱壓法燒結(jié)，燒結(jié)溫度810 ℃，保溫4 min。由于熱壓胎塊體積受限難以加強(qiáng)鉆頭內(nèi)外保徑，而扭面后支撐結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此，將鋼體和骨架粉末進(jìn)行無(wú)壓浸漬高溫?zé)Y(jié)，獲得具有金剛石聚晶加強(qiáng)保徑及扭面后支撐結(jié)構(gòu)的金剛石鉆頭基體。最后，通過(guò)二次鑲焊技術(shù)將金剛石主切削胎塊與鉆頭基體進(jìn)行低溫焊接，焊接溫度720～750 ℃。鉆頭成品如圖4 所示。

圖2 無(wú)壓燒結(jié)基體Fig.2 Pressureless sintering matrix

圖3 ?215 mm/?75 mm 取心鉆頭靜壓旋轉(zhuǎn)水力流場(chǎng)Fig.3 Hydraulic flow field of the ?215mm/?75mm coring bit at hydro-static rotation

圖4 超高胎體偏心齒鉆頭成品Fig.4 Finished product of the ultrahigh matrix eccentric-cutter bit

2 鉆頭野外試驗(yàn)結(jié)果

2.1 山東平度山旺-上馬臺(tái)礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

所研制的超高胎體偏心齒金剛石鉆頭在山東平度山旺-上馬臺(tái)礦區(qū)示范工程試驗(yàn)28ZK6 鉆孔進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，鉆頭規(guī)格為?122 mm/?63.6 mm，配合雙壁鉆桿鉆進(jìn)，主要鉆進(jìn)7～10 級(jí)地層，地層破碎，且存在漏失井段，現(xiàn)場(chǎng)巖心如圖5 所示，鉆頭使用后出井情況見(jiàn)圖6，鉆頭使用情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

圖5 28ZK6 鉆孔巖心Fig.5 Cores from 28ZK6 hole

28ZK6 鉆孔首次采用了P 口徑鉆桿（反循環(huán)雙壁鉆桿的外管）+H 口徑內(nèi)管總成的繩索取心工藝，由表1 數(shù)據(jù)可以看出，特殊設(shè)計(jì)的保徑加強(qiáng)超高胎體偏心齒金剛石鉆頭能夠保證高效長(zhǎng)壽命鉆進(jìn)，鉆頭單只進(jìn)尺194.65 m，平均機(jī)械鉆速3.47 m/h，而未采用保徑加強(qiáng)的鋼體式偏心齒取心鉆頭進(jìn)尺僅有38.4 m，即發(fā)生保徑先期磨損。因此對(duì)于堅(jiān)硬破碎地層，采用保徑加強(qiáng)的超高胎體偏心齒金剛石取心鉆頭能夠發(fā)揮高效長(zhǎng)壽命的鉆進(jìn)效果。

圖6 28ZK6鉆孔用?122 mm/?63.6 mm厚壁取心鉆頭出井照Fig.6 ?122mm/?63.6mm coring bit after use at 28ZK6 hole

2.2 合川001-74-H3 水平井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

合川001-74-H3 井位于四川省廣安市武勝縣，屬于合川須三底界構(gòu)造西端的一口水平井，設(shè)計(jì)井深3957 m。為落實(shí)儲(chǔ)層物性、含氣飽和度等儲(chǔ)量參數(shù)，設(shè)計(jì)在須家河二段進(jìn)行保壓取心，獲取地層資料。須家河組地層巖石抗壓強(qiáng)度平均達(dá)到157 MPa，最高達(dá)到350 MPa，巖石可鉆性達(dá)7 級(jí)以上，地層研磨性5～6 級(jí)，地層壓力系數(shù)高，屬于高壓、強(qiáng)研磨堅(jiān)硬地層［19-20］。根據(jù)地層特點(diǎn)，研制的超高胎體表孕鑲偏心齒金剛石鉆頭在該地層應(yīng)用，最終累計(jì)保壓取心3 筒，保壓成功率100%，鉆頭進(jìn)尺5.35 m，出井新度85%，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首次水平井保壓取心［21］，出井后的鉆頭如圖7 所示。

圖7 合川001-74-H3 井用超高胎體偏心齒鉆頭出井照Fig.7 Ultrahigh matrix eccentric cutter bit for Hechuan 001-74-H3 well

表1 28ZK6 鉆孔取心鉆頭使用情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Performance of the coring bit in 28ZK6 hole

3 結(jié)論

（1）研制的新型偏心齒鉆頭通過(guò)偏心布齒、扭面后支撐等結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善了井底鉆頭工作狀態(tài)，可提高堅(jiān)硬地層的鉆進(jìn)效率。

（2）超高胎體工作層、后支撐輔助切削以及加強(qiáng)型內(nèi)外保徑等設(shè)計(jì)保證了偏心齒鉆頭在鉆進(jìn)堅(jiān)硬地層時(shí)具有較高的使用壽命。

（3）所研制的偏心齒鉆頭無(wú)論在小口徑鉆探還是在大直徑取心鉆探領(lǐng)域均體現(xiàn)了高效長(zhǎng)壽命工作特點(diǎn)，為助力我國(guó)能源勘探開(kāi)發(fā)提供了參考。