鉆進“打滑層”鉆頭設計與使用

/鉆進“打滑層”鉆頭設計與使用一、“打滑層”的定義孕鑲?cè)嗽旖饎偸@頭在鉆進各類不同巖層中，常常顯現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象。所謂“打滑”就是在鉆進中機械鉆速低，甚至顯現(xiàn)不進尺現(xiàn)象。能產(chǎn)生這種現(xiàn)象的巖層很多，如堅硬的石英層、花崗巖、燧石巖、灰?guī)r、大理巖等。能否說產(chǎn)生這種現(xiàn)象的巖層都是“打滑層”呢？當然不是。發(fā)生“打滑”現(xiàn)象的原因是多種多樣的。例如：某礦區(qū)巖石為灰?guī)r、大理巖等，在該區(qū)施工的勘探隊只能使用電鑄鉆頭鉆進，換用熱壓燒結(jié)的孕鑲?cè)嗽旖饎偸@頭就不進尺，金剛石也不出露，究其原因是因井內(nèi)漏失不能使用乳化液，使鉆機轉(zhuǎn)速不上去，鉆頭實際回轉(zhuǎn)線速度只有0.50.8米/秒，造成胎體耐磨的熱壓燒結(jié)鉆頭唇面金剛石不出刃而不進尺，仿佛這類情況的巖層不應被叫做“打滑層”。所謂“打滑層”應是排出各種操作因素，使用正常孕鑲鉆頭，正常參數(shù)鉆進而機械鉆速很低的巖層。這類巖層的共同特點是：構成巖石的礦物質(zhì)較硬，礦物顆粒細、結(jié)構致密，象石英巖、堅硬花崗巖、燧石巖等。其重要巖性指標是：壓入硬度4500MPa以上，單軸抗壓強度大于150MPa，研磨性低于15mg。二、“打滑層”鉆頭的設計原則“打滑層”的特點是巖石特別堅硬，結(jié)構致密，強度高，研磨性弱。依據(jù)這些特點合理設計鉆頭參數(shù)才能取得好的鉆進效果。其基本原則是：1、選用高品級人造金剛石。高品級人造金剛石具有晶形好，單粒抗壓強度高，熱穩(wěn)定性好等特點，鉆進堅硬巖石具有特別明顯的優(yōu)點，是低品級金剛石所無法比擬的。2、選用中粒度人造金剛石。就金剛石生長的特點和當前的合成技術水平來說，隨著單晶粒度的增大，晶體內(nèi)包裹體含量加添、因晶格畸變導致單晶不規(guī)定生長的趨勢加添，這就意味著全粒度范圍中以50/60、60/70、70/80、80/100等中等偏細粒度金剛石單晶晶形最完整、雜質(zhì)含量最低，也就是說，在相同品級的單晶中，這一粒度具有比粗粒度（35/35、40/45、45/50）更優(yōu)良的在單位面積上的抗壓強度（比壓）和抗沖擊強度指標，這可以從同為MBD12品級的45/50與50/60兩個粒度的抗壓強度（Kgf）/網(wǎng)孔面積（um）比值的差異得到證明：45/50粒度的抗壓強度（Kgf）/網(wǎng)孔面積（um）比值為16/390=0.04150/60粒度的抗壓強度（Kgf）/網(wǎng)孔面積（um）比值為14/275=0.051前者遠小于后者。在同等條件下的碎巖工作中，具有更優(yōu)良比壓的中等偏細粒度金剛石單晶具有更好的鋒利度和耐用度，而粗粒度金剛石由于單位面積上的強度指標低，造成金剛石棱角易于被磨鈍且又不能適時脫粒，新切削刃不能適時出露，從而發(fā)生“打滑”現(xiàn)象。當然，過細的金剛石粒度同樣會因出刃不足造成鉆頭打滑，什么樣的粒度可以充足正常鉆進的要求，可以通過模擬鉆頭鉆進工藝參數(shù)間的關系予以評估和粗略計算。鉆頭的鉆進行為可以用下列方式描述：鉆頭鉆進中其唇面上的某一金剛石切刃是以螺旋線的形式在工作，即同時在兩個方向上產(chǎn)生分位移和分力：其一是沿鉆孔軸向Y，其二是與軸向垂直的切向X，二者的合位移和合力Z表現(xiàn)了此切刃實際的工作狀態(tài)。此狀態(tài)可以按幾何模型打開如勾、股、弦關系，并存在如下關系式：X2+Y2=Z2以此關系式代入相應數(shù)據(jù)進行推導，可以評估和粗略計算鉆頭某些設計參數(shù)的合理與否，如選用金剛石粒度、濃度、強度等，下面以確定粒度為例進行推導。假設設計一75金剛石取芯鉆頭，按正常的鉆進工藝為：鉆頭轉(zhuǎn)速300—500r/min、進尺速度3—5m/h、鉆壓150Kgf/cm2，以最大外徑處的某一金剛石切刃為對象計算其單位時間內(nèi)在X、Y、Z三個方向上的位移S，設時間t=1min、鉆頭轉(zhuǎn)速v1=300r/min、進尺速度v2=4000mm/h，則X、Y、Z三個方向上的位移S分別為：SX=75300=70685mmSY=400060=66.667mmSZ=706852＋66.6672=70685.8mm金剛石切刃對巖石的加工是磨削、切削、耕犁、壓碎等多種方式綜合作用的結(jié)果，并且實際是一種群刃工作狀態(tài)，精準的計算其一次切深工作參數(shù)是困難的,因此這里僅以理想化的狀態(tài)，即單刃、切削狀態(tài)來量化相應數(shù)據(jù)以求得結(jié)論。依據(jù)上述數(shù)據(jù)，求得鉆頭每轉(zhuǎn)進尺深度為：S=SY/V1=66.667/500=0.133mm可以認為,此時單金剛石切刃一次切入巖石深度最大為0.133mm。閱歷認為，金剛石單晶的在胎體中的包鑲深度達到60%時，就能保證不異常脫落，出刃高度的50%作為切削中的容屑高度是適合的，因此金剛石切刃的一次切深設計可以為該金剛石粒徑的20%。按此思路，代入上述一次切入巖石深度的數(shù)據(jù)，則此金剛石單晶顆粒直徑為：D=0.1334=0.532mm,此數(shù)據(jù)相當于45/50粒度3、選用混粒度孕鑲。為提高鉆頭廣譜性，實行不同粒度混鑲是一個有效途徑。這樣對“打滑層”鉆進和非打滑層鉆進都是可以的，除去了因巖層變換頻繁上鉆換鉆頭的現(xiàn)象。4、選用較低濃度的金剛石含量。由于濃度低金剛石顆粒相對削減，分布在唇面上每粒金剛石的鉆壓就會加添，有利于金剛石切入巖石，從而提高機械鉆速。5、選用金剛石合理分布方式。實行金剛石合理分布方式達到鉆頭唇面均衡磨損，可以加添鉆頭使用壽命。6、選用中等硬度胎體。以往由于金剛石品級不高，鉆進往往采納軟胎體以便于金剛石的出露，這無疑是正確的，但由于人造金剛石品級的不斷提高，在采納高品級金剛石連續(xù)采納軟胎體，勢必造成金剛石的過早脫粒，既不利于進尺，有造成揮霍，因而，依據(jù)胎體硬度與使用金剛石品級相匹配原則，應選用中等硬度胎體匹配高品級金剛石鉆進打滑巖層。7、選用自由面較多的唇面形狀。鉆進巖層完整的打滑層時，較多自由面的唇面形狀如梯齒型、鋸齒型、尖齒型等將有利于巖石碎裂，此時金剛石碎巖方式將由簡單的耕犁、壓入、壓碎、刮削等表面碎裂形式變化為更高效率的崩裂等體積碎裂形式，有利于提高鉆速。同時，考慮到鉆速的恒定問題，要求鉆頭唇面形狀隨時間推移變化盡可能小，梯齒型唇面形狀是較為理想的選擇。8、采納金剛石單晶保徑。由于打滑層巖石特別堅硬，使用針狀合金或聚晶保徑往往會嚴重影響進尺，而金剛石單晶對于堅硬的井壁有刮削作用，有利于提高鉆速。9、選用扇形水口。扇形水口對于繩索取心鉆頭尤為緊要，扇形水口和直水口對比，可以使鉆頭內(nèi)外唇面均衡磨損。水口數(shù)量在充足排粉、冷卻的條件下，水口數(shù)量不宜過多。10、鉆頭進行予出刃處理。予處理對于鉆進“打滑層”特別緊要，使鉆頭下井不經(jīng)“初磨”就可以直接進尺，削減了初磨時間，提高了鉆速。三、“打滑層”鉆進操作應注意的幾個問題1、由于“打滑層”巖性特別堅硬，在鉆進中鉆壓是關鍵的參數(shù)，沒有充足的比壓，金剛石的尖刃就不能壓入巖石，在高轉(zhuǎn)速下，金剛石切刃很快被拋光而失去鉆進本領。鉆壓P=Fp其中：F為環(huán)狀唇面面積cm2，p為單位壓力值N/cm2。打滑層要求鉆壓比鉆進其它巖石要大，一般采納882.6～1078.7N/cm2左右。2、“打滑層”鉆頭轉(zhuǎn)數(shù)不宜過快。過快的轉(zhuǎn)速將影響對金剛石鉆頭唇面切削刃的冷卻，而在“打滑層”鉆進中金剛石出刃普遍較低，這種影響將更明顯，簡單導致切削刃的提前磨損、磨純顯現(xiàn)出刃拋光，發(fā)生人為的打滑現(xiàn)象，一般線速度掌控在1.5～2m/s之間。3、泵量要小。鉆進“打滑層”由于鉆進速度較低，井底產(chǎn)生的巖粉也相對少。泵量偏大將使井底的巖粉數(shù)量進一步削減，對于金剛石出露很不利，易發(fā)生打滑現(xiàn)象。而且泵量過大引起泵壓較高，能抵消一鉆壓，鉆壓的減輕也會發(fā)生打滑現(xiàn)象。計算泵量的閱歷公式：Q=KD式中：Q—泵量L/minD—鉆頭外徑cm、K—系數(shù)（一般選擇4～6）4、由于“打滑層”巖石特別堅硬，一般井壁間隙較小，因而在選擇擴孔器時要注意鉆頭外徑與擴孔器外徑的尺寸搭配，擴孔器外徑一般比鉆頭外徑大0.2～0.3mm為宜,不應超過0.4mm,否則就會影響進尺。5、鉆進“打滑層”時，擴孔器種類的選擇，應選用金剛石單晶擴孔器（最好是電鍍的），不應選用聚晶擴孔器，其原因同鉆頭保徑材料一樣。6、在鉆進“打滑層”中不能使用彎曲的鉆桿鉆具，鉆頭的同軸度要符合設計要求，保證鉆具回轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，以防鉆頭金剛石異常脫?，F(xiàn)象的發(fā)生。其實在指標是：鉆桿每米彎曲不許超過1mm，鉆具每米彎曲不許超過0.75mm,鉆頭同軸度偏差不能大于0.2mm。7、沒有進行予出刃的鉆頭下井之前，應向井內(nèi)投入少量的石英砂（粒度0.5～1mm）鉆頭下井后采納小泵量,輕鉆壓,慢轉(zhuǎn)數(shù)鉆進5～10分鐘后換用正常參數(shù)鉆進。8、在鉆