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而成，既具有金剛石的高硬度、高耐磨性與導熱性，又具有硬質(zhì)合金的強度與抗沖擊韌性，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，同時脆性較強，不能經(jīng)受沖擊載荷。隨著PDC鉆頭的技術進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，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鉆頭普遍存在鉆進效率低的現(xiàn)象［1］，有時甚至難以進尺，“泥包”現(xiàn)象也經(jīng)常發(fā)生。針對這種彈塑性較高的致密泥巖、粘土質(zhì)砂巖地層，本文設計了一種新型尖齒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、長石、云母、方解石、赤鐵礦、褐鐵礦的氧化物和細巖屑。鐵質(zhì)氧化物微粒呈細分散狀與泥晶方解石、粘土礦物組成混合物集合體，石英、長石粉砂呈碎屑狀，絹云母呈細鱗片狀分散在粘土巖內(nèi)構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滑移以及所含膠結物的類型和性質(zhì)有關。由于致密泥巖由微小礦物組成，粒徑小于1/256 mm，導致細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難點及原因分析

在該地層實施鉆進時，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，刻取巖石時易發(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，易發(fā)生糊鉆和縮徑現(xiàn)象，這些因素造成鉆進時進尺慢、效率低［2］。

結合地層特點分析鉆進施工難度的主要原因為:由于該地層存在大量的彈塑性致密粘土質(zhì)砂巖、泥巖，PDC切削齒對這類彈塑性致密地層的切削過程是一個剪切滑移的過程，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，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剪切滑移，而難以實現(xiàn)純粹的碎巖鉆進，因此表現(xiàn)為進尺困難。在現(xiàn)場，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)的復合片鉆頭對此無能為力，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鉆頭結構設計

3．1 切削齒形狀設計

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，應力也會通過塑性變形得到釋放。如此重復剪切滑移，難以實現(xiàn)純鉆進。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。為了實現(xiàn)這一目的，必須對PDC切削齒與巖石接觸部位的幾何形狀進行改進。圖2為PDC切削齒示意圖，以1304PDC為例，假設切削深度為1 mm，圓形PDC和尖齒Ⅰ型PDC的切削面積和接觸弧長計算見表2。

圖2 PDC切削齒示意圖

表2 圓形切削齒和改進的尖齒Ⅰ型的切削面積和接觸弧長理論計算值

表2結果顯示，與圓形 PDC相比，尖齒Ⅰ型PDC的切削面積和接觸弧長均大幅降低。這就意味著，當在同樣的鉆壓、轉(zhuǎn)速及相同的鉆頭設計結構條件下，尖齒Ⅰ型鉆頭對巖石的壓縮應力可提高數(shù)倍，極可能超過巖石的抗壓抗剪強度而實現(xiàn)一次性切削破碎，進而實現(xiàn)有力的碎巖鉆進。然而尖齒Ⅰ型PDC的尖端部位容易造成應力集中，考慮到PDC復合片抗沖擊韌性較差，將其改進為尖齒Ⅱ型，如圖3(a)所示，于尖齒上端留有一定寬度的弧度，這樣既避免了應力集中可能導致的切削齒提前發(fā)生破壞，也保證了與巖石接觸部位的幾何形狀優(yōu)勢。此外，為合理實現(xiàn)內(nèi)外保徑，在鉆頭保徑處的尖齒形狀為一側平直的歪尖角結構，如圖3(b)，平直側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;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及巖性特點及井底全覆蓋原則，在充分發(fā)揮各個切削齒切削作用的同時降低各齒之間的重復做功，最終設計結構如圖4所示。

圖4 尖齒PDC平面布置結構

3．3 復合片的包鑲

按復合片鑲嵌結構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。對于地層硬度5級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上，為了達到較高的機械鉆速，采用H=3/(4d)(其中d為復合片直徑)，如圖5所示。

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，即切削齒要有一定角度的后傾角。根據(jù)以往經(jīng)驗，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 水力結構的設計

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屑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。為了避免鉆進時巖粉排出不及時，滯留在孔底并附著在PDC附近形成“泥包”，堵塞水口，影響后期的鉆進效率，設計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鉆頭成品實物見圖6。

圖6 新型尖齒PDC鉆頭成品實物

4 現(xiàn)場使用效果

所設計和研制的新型尖齒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)砂巖井段進行了鉆進試驗。巖心實物如圖7所示，鉆頭使用情況見表3。

施工最初采用常規(guī)圓齒復合片鉆頭，鉆進時效約0.5 m，難以滿足進度要求。使用新型尖齒PDC鉆頭后，平均機械鉆速可達3.8 m/h，鉆頭平均壽命約300 m，最高壽命達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，具有明顯的經(jīng)濟效益，現(xiàn)該類型鉆頭正在煤田致密泥巖、粘土質(zhì)砂巖中廣泛應用。

圖7 現(xiàn)場巖心實物

表3 新型鉆頭應用效果

5 結語

(1)新型尖齒PDC鉆頭針對彈塑性致密泥巖的特性，從切削齒、水力結構等多方面進行了改進設計。

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

(3)新型尖齒PDC鉆頭制作工藝簡單可行，適于推廣應用。

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