楊 春

(核工業(yè)華東建設工程集團公司,江西南昌 330046）

軟巖鉆進用新型復合片鉆頭的研制與應用

楊 春

(核工業(yè)華東建設工程集團公司,江西南昌 330046）

為提高復合片在軟巖鉆進中的效率及壽命,提出了改變復合片切削齒形狀,運用新的布齒方式和新的保徑設計,設計制造的“76 mmPDC鉆頭在軟巖鉆進中取得了良好的效果。詳細介紹了該軟巖鉆頭的結(jié)構(gòu)設計及現(xiàn)場應用效果。

PDC鉆頭;軟巖;切削齒;布齒;保徑

PDC鉆頭是一種適合于軟～中硬地層取心或全面鉆進的鉆頭,常用于低抗壓強度、膠結(jié)性差、低研磨性或帶有薄夾層的地層中。復合片的金剛石聚晶層有極高的耐磨性,硬質(zhì)合金層有較好的抗沖擊韌性,并且金剛石層能始終保持銳利的切削刃,因而在軟～中硬地層中能獲得良好的使用效果。然而鉆頭的鉆進效率和壽命是影響鉆井成本的重要因素,如何提高鉆頭的鉆進效率及壽命成為行業(yè)人士共同思考的課題。

1 問題的提出

2009年3月,中國冶金地質(zhì)總局中南地質(zhì)勘查院在湖北省大冶市金山店王家灣礦區(qū)進行淺層地質(zhì)找礦工作。

該礦區(qū)地層情況大致是:30～50 m為覆蓋層,主要是粘土層;50～200 m為石膏礦,屬于軟巖地層;200 m以深為破碎不完整的紅砂巖。

覆蓋層采用硬質(zhì)合金鉆頭鉆進,礦層采用普通復合片鉆頭鉆進,鉆進效率低,鉆頭壽命短,同時還出現(xiàn)“泥包”現(xiàn)象。通過了解該地區(qū)及相關的施工情況,針對深灰色泥灰?guī)r、白色石灰?guī)r等巖層設計了新型的PDC鉆頭。

2 新型“76 mmPDC鉆頭結(jié)構(gòu)設計

2.1 復合片鉆頭碎巖機理

復合片鉆頭破碎巖石的方式以切削破碎、剪切破碎為主,擠壓破碎為輔。對于硬度小的塑性巖石,在鉆壓的作用下,這種鉆頭的刀翼或齒極易“吃入”地層,與此同時刀翼刀刃前的巖石,在扭轉(zhuǎn)力的作用下不斷產(chǎn)生塑性流動而實現(xiàn)切削破碎;對于硬度較大的塑脆性巖石,在鉆壓和扭轉(zhuǎn)力的同時作用下,刀翼或齒沿設計的切削角切入巖石,使其產(chǎn)生體積破碎而實現(xiàn)剪切或擠壓破碎。由于設計的復合片鉆頭主要用于具有彈塑性的石灰?guī)r,其崩落破碎前壓模下塑性流動較大、壓入較深、破碎坑穴也稍大、所需破碎功也較大,設計為兩個半圓形切削齒,使鉆頭接觸巖石時切削點增多,同樣鉆壓下壓入巖石的深度更深,在鉆進過程中能在孔底形成兩個齒形環(huán),形成多個自由面,使巖石產(chǎn)生拉應力破碎,能大幅度提高鉆進效率。在本設計中采用直徑為13.5 mm、厚為4.5 mm從中間切割開成為兩個半圓狀的復合片。

2.2 切削塊的數(shù)量確定

鉆頭上切削具數(shù)目越多,切削點就多,單位時間完成的切削量就大,鉆速也越高,鉆頭壽命較長。但是,由于軸向載荷有限,單個切削具上的載荷不足,只能形成表面破碎;同時,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。對軟巖取較少的切削塊數(shù)量,對較硬和非均質(zhì)及研磨性巖石,為保證鉆頭壽命,一般應取密集式排列。本次設計采用6個切削齒。

2.3 鉆頭上復合片的排列方式

根據(jù)所鉆地層的軟硬程度和巖性特點,按照等切削原則、等磨損原則在鉆頭的底面排布密度根據(jù)所鉆地層的硬度和研磨性而決定。設計采用兩個半圓齒和一個圓片間隔排列(如圖1所示）,這樣在孔底將形成3個齒形環(huán),使對巖石的破碎更加快速。

圖1 復合片的排列

2.4 復合片的出刃

按復合片鑲嵌結(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中硬地層,包鑲牢靠,不易掉片,但進尺較慢。全出刃型適用較松軟地層,排粉好,進尺快。設計的復合片鉆頭是用于軟巖,要求進尺快,而又要保證包鑲牢靠不掉齒,按圖2所示復合片出露剛體高度H與復合片直徑d的關系進行實驗,來判斷復合片鉆頭的好壞。實驗表明,當采用H≈(3/4）d時,復合片鉆頭的排粉較好,進尺較快。

頂出刃:一方面要考慮剛體對其的支撐力夠不夠,支撐面積至少達到復合片面積的80%;另一方面保證一定的頂出刃量能提高鉆進效率,鉆頭更加有效地切削巖石。

內(nèi)外出刃:除保證內(nèi)外徑尺寸要求外,焊接時要保證每個切削齒有相同的出刃。確保巖心的采取,對繩索取心鉆頭而言要求更高。

2.5 復合片的鑲焊角度

2.5.1 切削角α(見圖3）

圖2 復合片出露剛體高度H與復合片直徑d的關系示意圖

圖3 切削角α示意圖

由于復合片的碎巖方式主要是靠壓碎剪切作用來破碎巖石,所以復合片在鉆頭體上的鑲焊角度應采用負斜鑲,即切削角α>90°。切削角α值可根據(jù)切削巖石的硬度來選擇其大小,巖石較硬,α值大些,反之要小些,一般中硬巖層,α值取100°～105°。切削角大,有利于保護切削刃,反之有利于提高鉆速。根據(jù)現(xiàn)場情況,要解決不進尺問題,切削角選擇要偏小。

2.5.2 徑向角β(見圖4）

該角是切削具(復合片）表面和鉆頭徑向平面之間的夾角。復合片鉆頭采用徑向角進行鑲焊,鉆進時巖粉容易排出,不糊鉆,進尺較快,β值一般取5°～15°間。它的主要作用是為了加強機械清洗,防

止鉆頭“泥包”,徑向角使巖屑朝外滑移。

圖4 徑向角β示意圖

2.6 保徑和排水

用復合片上切削塊邊緣出刃實現(xiàn)保徑,不另外鑲焊硬質(zhì)合金條。保徑直接用復合片邊緣直線,比以往的一點保徑方式效果好,如圖5所示。

通過圖5可以得出:復合片不僅可作為鉆頭的切削元件,同樣也是保徑元件,左圖保徑只是復合片最外緣一點,而右圖變成了一條直線,保徑面積增大。

圖5 復合片切削塊保徑示意圖

復合片鉆頭的水口和水槽要合理設計,以達到更好的沖洗巖削和冷卻復合片的目的。一般每組切削具要配置一個水口,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,目的是補充增加鉆頭內(nèi)外環(huán)狀間隙過水面積的不足。在軟巖鉆進初期,鉆進效率很高,被破碎的巖石的顆粒也較大,孔底巖粉多,鉆進時巖粉排出不及時,滯留在孔底的巖粉在鉆頭唇面重復破碎,并附著在PDC附近形成“泥包”,堵塞水口,從而影響后期的鉆進效率。所以設計鉆頭的水路截面積要大,保證孔底清潔和冷卻鉆頭。

3 現(xiàn)場應用

所設計的新型復合片鉆頭(見圖6）,在湖北省大冶市金山店礦區(qū)應用,其與礦區(qū)常規(guī)鉆頭設計對比見表1。

圖6 新型復合片鉆頭實物

表1 常規(guī)鉆頭和新型鉆頭設計對比

常規(guī)復合片鉆頭的純鉆時效是0.8～1.5 m,鉆頭平均壽命30 m;新型復合片鉆頭純鉆時效達到3～3.5 m,鉆頭平均壽命達到120 m。由此可見運用新型的復合片鉆頭鉆進效率提高了3倍左右,鉆頭的壽命提高了4倍左右。新型復合片鉆頭的應用大大提高了鉆頭的工作壽命及鉆進效率,降低了鉆探成本,取得了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。

4 結(jié)論

(1）新型復合片鉆頭比常規(guī)復合片鉆頭鉆進石灰?guī)r時鉆進效率提高了3倍,鉆頭壽命提高了4倍。

(2）新型復合片鉆頭制作簡單,易于推廣運用。

[1] 要二倉,邢預恩,楊愛軍.軟硬互層金剛石復合片鉆頭在地浸砂巖型鈾礦中的研究及應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程）, 2008,35(1）.

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Development and Application of New Type PDC Bit for Soft RockDrilling

YANG Chun(EastChina Construction En-gineering Group Co.ofNuclear Industray,Nanchang Jiangxi 330046,China）

To increase the drilling efficiency and prolong the service life of PDC bit for soft rock drilling,suggestion was made to improve the cutting tooth,take new tooth arrangement and new diameter retention design.Good drilling effectwas achieved by the developed“76 mm PDC bit and the paper introduced the soft rock bit structure design and on2site applica-tion effect in detail.

PDC bit;soft rock;cutting tooth;tooth arrangement;diameter retention

P634.3+1

:A

:1672-7428(2010）12-0074-03

2010-08-16;

2010-11-19

楊春(1958-）,男(漢族）,江西人,核工業(yè)華東建設工程集團公司總經(jīng)理、高級工程師,探礦工程專業(yè),從事施工管理與技術(shù)工作,江西省南昌市金圣路96號,yangchun@hgydzj.jx.cn。