基于微鉆平臺(tái)金剛石鉆頭微燒出刃研究

黃 偉

(桂林金剛石工業(yè)有限公司,廣西 桂林 541100)

0 引言

鉆探工程中經(jīng)常遇到的堅(jiān)硬致密弱研磨性地層,即所謂的“打滑巖層”,在鉆探施工過程中,鉆頭唇面金剛石不出刃或出刃微小,鉆進(jìn)效率極低,鉆頭磨損很小,出現(xiàn)鉆頭拋光和打滑現(xiàn)象。對(duì)此,施工人員常采用人工出刃方法,其中孔底干磨法是比較常用的一種方法,在鉆進(jìn)中人為地短時(shí)間關(guān)閉循環(huán)水,加大鉆進(jìn)壓力,使鉆頭與巖石直接磨檫,輕燒鉆頭,使磨鈍的金剛石脫落,露出新的金剛石。但這種方法容易造成燒鉆事故的發(fā)生[1]。

1 微燒出刃原理與意義

通過孔底干磨微燒鉆頭出刃的技術(shù)最初由施工人員在水泵故障導(dǎo)致的輕微燒鉆中發(fā)現(xiàn),早期的鉆探技術(shù)人員在施工中鉆遇打滑地層,發(fā)生水泵故障,出現(xiàn)了輕微燒鉆,在故障排除后,反而鉆頭變得鋒利,鉆進(jìn)效率提高,對(duì)于這種情況,鉆探技術(shù)人員不斷總結(jié)積累形成了現(xiàn)有的孔底干磨出刃的方法。該技術(shù)通過在孔底短時(shí)間關(guān)閉循環(huán)水,加大壓力,使鉆頭與巖石直接接觸產(chǎn)生熱量,達(dá)到一定溫度后就會(huì)輕燒鉆頭,使金剛石脫落,露出新的鋒利金剛石,達(dá)到出刃效果。金剛石鉆頭在工作過程中,由于金剛石和胎體與巖石和巖屑摩擦產(chǎn)生熱量而升溫,在沖洗液的作用下,升溫到一定程度后,存在一種熱平衡狀態(tài),時(shí)間為4～5 s,即胎體溫度先增至一定值,隨后穩(wěn)定不變。但是如果由于鉆頭冷卻不良或沖洗液突然停止,就會(huì)使鉆頭發(fā)生微燒甚至“燒鉆”。由于冷卻不良,當(dāng)胎體溫度達(dá)600 ℃時(shí)鉆頭發(fā)生微燒,金剛石表面產(chǎn)生暗色氧化物,胎體表面形成藍(lán)色斑點(diǎn);如果突然停止沖洗液,而鉆頭繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)40～60 s,則胎體溫度可達(dá)900 ℃左右,就會(huì)出現(xiàn)“燒鉆”事故,此時(shí)胎體呈橘紅色,部分胎體黏附在巖石上,而水口將可能消失。

微燒出刃技術(shù)作為一種人工出刃方法,適用于小功率設(shè)備和鉆頭參數(shù)調(diào)整困難的場(chǎng)合,對(duì)提高堅(jiān)硬弱研磨性地層的鉆進(jìn)效率有重要作用。但該技術(shù)也存在一定燒鉆風(fēng)險(xiǎn),需要豐富的施工經(jīng)驗(yàn)和嚴(yán)格控制,以避免燒鉆事故發(fā)生。

2 鉆頭的紅硬性

紅硬性是評(píng)價(jià)鉆頭抗高溫性能的重要指標(biāo)。它反映鉆頭材料在高溫下保持硬度和強(qiáng)度的能力。紅硬性好的鉆頭,高溫下材料性能變化小,抗氧化和抗軟化能力強(qiáng),更能耐高溫和高載荷作用,具有較長(zhǎng)的使用壽命。影響鉆頭紅硬性的主要因素:

(1) 材料選擇。金剛石和胎體材料的熔點(diǎn)越高、熱膨脹系數(shù)越小、氧化越難,紅硬性越好。例如通過添加W、Mo、Cr等元素可以提高金屬材料的紅硬性。

(2) 組織結(jié)構(gòu)。材料的密度高、晶粒度細(xì)、含碳量低,紅硬性越好。這是因?yàn)槊芗?xì)晶結(jié)構(gòu)和低碳量有利于抑制高溫下金屬間的擴(kuò)散和相變。

(3) 加工工藝。精密的燒結(jié)和擴(kuò)散工藝可以產(chǎn)生組織致密的鉆頭,紅硬性較好。而高溫時(shí)材料受熱不均,結(jié)構(gòu)松散,紅硬性較差。

(4) 溫度場(chǎng)控制。在鉆探過程中,溫度越高、溫差越大,會(huì)導(dǎo)致材料的性能衰減越快,紅硬性越差?？刂沏@頭溫度平穩(wěn)在900 ℃以下,有利于提高紅硬性。

(5)合理設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)單緊湊的鉆頭結(jié)構(gòu)有利于熱量快速傳導(dǎo)和排出,溫度分布均勻,材料性能持續(xù)穩(wěn)定,紅硬性較好。

紅硬性的高低直接影響鉆頭的耐高溫和抗疲勞能力。紅硬性高的鉆頭,不僅具有更高的使用溫度上限和更長(zhǎng)的連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng),而且使用壽命通常較長(zhǎng)。

3 微燒出刃的試驗(yàn)方案

為進(jìn)一步了解不同胎體鉆頭在孔底干磨時(shí)出刃情況,開展了微型巖心鉆進(jìn)試驗(yàn),采用自行研制的微型巖心試驗(yàn)鉆機(jī),如圖1所示,鉆機(jī)轉(zhuǎn)速700 r/min,壓力800 N,鉆進(jìn)巖石為9級(jí)左右花崗巖方磚。試驗(yàn)采用28/20微型取心鉆頭(圖2),先將制作好的鉆頭在微型試驗(yàn)臺(tái)鉆進(jìn)鐵塊使鉆頭金剛石磨鈍,然后在花崗巖上鉆進(jìn)確定鉆頭打滑后關(guān)閉水泵,輕燒鉆頭30 s至60 s,繼續(xù)鉆進(jìn),判斷鉆頭出刃情況。

圖1 微型巖心試驗(yàn)鉆機(jī)

圖2 28/20微型鉆頭

3.1 胎體耐磨性對(duì)微燒出刃的影響

3.1.1 試驗(yàn)配方

鉆頭胎體主要由骨架材料和粘結(jié)金屬組成,其中骨架材料主要是WC、Fe等材料,為對(duì)比不同耐磨性胎體配方在微燒至出刃所用時(shí)間,按照表1所示配方燒制鉆頭6個(gè),其中X粉料為某公司生產(chǎn)的預(yù)合金粉料,金剛石目數(shù)40/45,濃度70%,燒結(jié)溫度920 ℃,碳化鎢質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%～35%,含量越高代表胎體的耐磨性越強(qiáng),雖然鐵的含量增加也會(huì)提高胎體耐磨性,但碳化鎢的耐磨性遠(yuǎn)超鐵元素,因此碳化鎢含量高的胎體整體耐磨性更高。

表1 鉆頭試驗(yàn)胎體配方

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

鉆頭在鐵塊上磨鈍后,鉆進(jìn)花崗巖確認(rèn)鉆頭打滑后關(guān)閉水泵,開始計(jì)時(shí),觀察到鉆孔中先冒出白煙(水汽),然后白煙減少,有輕微黑色煙霧,伴有燒焦的氣味,說明孔底水分已蒸發(fā)完,鉆頭底唇面已有600 ℃以上,繼續(xù)微燒5 s左右,抬起鉆頭,通水冷卻至常溫,此時(shí)可通過用手觸模判斷金剛石是否出刃,然后使用鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)花崗巖,鉆頭能有效鉆進(jìn)說明已微燒出刃(圖3),微燒出刃的鉆頭使用超眼150倍放大后,可觀察到金剛石已出露,與普通出刃不同,微燒出刃的鉆頭表面不平整,有明顯的凹坑,是因?yàn)樘ンw在高溫下變軟被巖粉擠壓脫落后形成高低不平的狀態(tài)。沒有出刃的鉆頭,可繼續(xù)用鐵塊磨鈍后,按上述方式將鉆頭底唇面燒至600 ℃以上后,加長(zhǎng)繼續(xù)微燒時(shí)間,重復(fù)幾次后,便可得出微燒出刃所需要的時(shí)間。經(jīng)過試驗(yàn)后,得到表2所示結(jié)果。

表2 不同耐磨性胎體微燒出刃時(shí)間

圖3 微燒出刃的金剛石

微燒出刃的用時(shí)隨著胎體耐磨性的降低而遞減,但差別并不明顯,相差不到10 s,在WC比重降到20%以下,所用時(shí)間差別不大。

3.2 胎體粘結(jié)劑對(duì)微燒出刃的影響

3.2.1 試驗(yàn)配方

鉆頭胎體粘結(jié)金屬隨著預(yù)合金粉的使用,種類繁多,多數(shù)是由鐵銅鎳組成,粘結(jié)對(duì)金剛石鉆頭的影響主要是胎體燒結(jié)融熔溫度提高,胎體紅硬性不同,傳統(tǒng)的663Cu配方對(duì)比Cu-Sn合金粉,有更高的融熔溫度和高的紅硬性,Sn、Zn等低熔點(diǎn)金屬元素的加入能降低燒結(jié)溫度,但也同時(shí)降低胎體的紅硬性。因此,選擇663Cu配方和Cu-Sn粘結(jié)劑的鉆頭配方作為實(shí)驗(yàn)配方,燒制鉆頭2個(gè),如表3所示。

表3 鉆頭胎體配方

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

鉆頭在鐵塊上磨鈍后,進(jìn)行微燒試驗(yàn),結(jié)果如表4所示,試驗(yàn)對(duì)比663Cu較Cu-Sn粘結(jié)劑胎體微燒時(shí)間明顯增加,不難解釋,隨著鉆頭胎體紅硬性的提高,鉆頭在高溫的環(huán)境下仍有相對(duì)較高的耐磨性,因此要更長(zhǎng)時(shí)間出刃。

表4 不同粘結(jié)劑胎體微燒出刃時(shí)間

3.3 金剛石粒度對(duì)微燒出刃的影響

3.3.1 不同粒度金剛石試驗(yàn)方法

配方仍選擇表1中的1號(hào)配方,金剛石濃度70%,使用中南金剛石2290牌號(hào),金剛石目數(shù)分別為30/35,35/40,40/45,45/50,制作出試驗(yàn)號(hào)為9～11的鉆頭,將制作出的鉆頭在鐵塊上磨鈍后,進(jìn)行微燒鉆進(jìn)試驗(yàn),結(jié)果如表5所示。

表5 不同金剛石粒度胎體微燒出刃時(shí)間

通過試驗(yàn)對(duì)比,金剛石的粒度對(duì)微燒出刃的時(shí)間沒有明顯的影響,分析其主要原因,金剛石粒徑從0.2 mm到0.5 mm之間,雖然粒徑差別很大,但胎體與巖石磨擦產(chǎn)生的熱量呈遞度變化,離胎體唇面越近,溫度越高,達(dá)到微燒所需溫度時(shí),在離唇面0.5 mm范圍內(nèi)都是高溫區(qū),胎體已接近熔融,無論粒度大小,胎體都把持不住金剛石。

4 結(jié)論

(1)不同耐磨性胎體對(duì)微燒出刃時(shí)間的影響隨著胎體耐磨性的降低而遞減,試驗(yàn)結(jié)果顯示,鉆頭胎體耐磨性增強(qiáng),微燒出刃時(shí)間增加,但相差在10 s左右。當(dāng)碳化鎢質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至20%以下,微燒出刃時(shí)間差異不大。這表明當(dāng)胎體的耐磨性降至一定程度后,微燒出刃時(shí)間主要取決于胎體接近熔點(diǎn)所需的熱量,而不是胎體的硬度。

(2)胎體粘結(jié)劑的選擇對(duì)微燒出刃時(shí)間有較大影響。高熔點(diǎn)高紅硬性的胎體,如采用663Cu黏結(jié)劑,微燒出刃時(shí)間明顯增加。這是因?yàn)楦呷埸c(diǎn)胎體在高溫下仍具有較高的硬度,難以達(dá)到熔融狀態(tài),需更長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到出刃所需溫度。

(3)金剛石粒度對(duì)微燒出刃時(shí)間的影響不大。在0.2～0.5 mm的粒度范圍內(nèi),雖然粒徑差異較大,但考慮到高溫區(qū)主要集中在胎體唇面0.5 mm內(nèi),當(dāng)達(dá)到一定溫度后,胎體已基本失去抓持金剛石的能力,所以金剛石粒度大小對(duì)出刃時(shí)間的影響不大。

(4)微燒出刃技術(shù)是一種有效的人工出刃方法,適用于小功率設(shè)備和參數(shù)難以調(diào)整的情況。但在實(shí)際應(yīng)用中,不同于微鉆平臺(tái)可觀察到各種試驗(yàn)現(xiàn)象,鉆頭深埋孔底很難判斷出鉆頭的出刃情況,微燒出刃存在一定風(fēng)險(xiǎn),需要豐富的施工經(jīng)驗(yàn),并嚴(yán)格控制燒鉆時(shí)間和溫度,以避免造成燒鉆事故。