李子杰, 趙洪山, 馮光通, 何林虎, 姜 維, 彭 燁

(1中石化勝利石油工程有限公司黃河鉆井總公司 2中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院 3中石油渤海鉆探工程有限公司泥漿技術(shù)服務(wù)分公司 4中石油渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司)

近年來，隨著國內(nèi)外人工合成金剛石單晶技術(shù)不斷成熟，孕鑲金剛石鉆頭整體性能得到顯著提升，孕鑲金剛石鉆頭在四川盆地須家河組致密砂巖、準(zhǔn)噶爾盆地石炭系火成巖以及塔里木盆地二疊系玄武巖、凝灰?guī)r等區(qū)域難鉆地層中的應(yīng)用越來越廣泛。

現(xiàn)場實踐及理論研究表明，影響孕鑲金剛石鉆頭整體性能的因素是多方面的[1-5]，目前國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)在孕鑲鉆頭破巖機理、新型切削結(jié)構(gòu)、孕鑲塊基體配方以及孕鑲鉆頭制造工藝、防打滑技術(shù)等方面開展了深入的研究，在此基礎(chǔ)上分別研制了帶熱壓金剛石齒柱的胎體孕鑲鉆頭、基于仿生耦合理論的孕鑲鉆頭等多種類型孕鑲金剛石鉆頭。

與常規(guī)牙輪、PDC鉆頭相比，上述孕鑲金剛石鉆頭在四川、新疆等地區(qū)的現(xiàn)場應(yīng)用取得了破巖效率高、鉆進速度快的顯著提速優(yōu)勢[6-11]，但是金剛石作為孕鑲鉆頭的主要切削元件，其粒度、濃度等關(guān)鍵配方參數(shù)對孕鑲鉆頭機械鉆速和使用壽命的影響，仍然缺乏深入系統(tǒng)地研究，導(dǎo)致目前的孕鑲鉆頭針對不同復(fù)雜巖性地層的適應(yīng)能力明顯不足。

圖1 鉆鑿特性測定試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

為了進一步增強孕鑲金剛石鉆頭鉆進致密砂巖地層的適應(yīng)性和應(yīng)用效果，設(shè)計了適用于孕鑲鉆頭的鉆鑿特性測定試驗裝置及試驗?zāi)M鉆頭，通過采集四川盆地須家河組致密砂巖地面露頭巖石，開展了不同鉆壓、轉(zhuǎn)速條件下孕鑲鉆頭金剛石粒度和濃度參數(shù)的試驗優(yōu)選分析，為今后開展致密砂巖地層孕鑲金剛石鉆頭的研制及應(yīng)用提供了依據(jù)。

一、試驗系統(tǒng)及方案設(shè)計

1. 試驗裝置

圖1為自主設(shè)計的鉆鑿特性測定試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置可以在設(shè)定鉆壓和轉(zhuǎn)速模式下，使用小尺寸模擬鉆頭對巖石進行鉆進和磨銑試驗，能夠自動采集鉆深、鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速及鉆時等試驗數(shù)據(jù)，從而對孕鑲鉆頭和PDC鉆頭的鉆進、磨損及抗沖擊特性等進行測定分析。

2. 試驗小鉆頭

為了實現(xiàn)利用1只鉆頭滿足多組孕鑲體試驗的目的，將試驗小鉆頭設(shè)計成能夠裝夾、拆卸金剛石孕鑲體的形式[12]，如圖2所示，其中小鉆頭直徑設(shè)計為?53 mm，可同時裝夾2塊金剛石孕鑲體；每塊孕鑲體前設(shè)計1條流道和1個噴嘴，可分別清洗和冷卻2塊孕鑲體；孕鑲體的長寬高分別設(shè)計為14 mm×14 mm×20 mm的長方體形狀，目的是便于孕鑲體的快速加工、裝夾與拆卸。

圖2 孕鑲體試驗小鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖

3. 試驗方案

試驗巖樣：采集了四川盆地須家河組致密砂巖地面露頭巖石，室內(nèi)測定其牙輪鉆頭可鉆性為7.83級，制作的試驗巖樣標(biāo)準(zhǔn)尺寸為300 mm×300 mm×300 mm。

試驗參數(shù)：鉆壓4～8 kN，轉(zhuǎn)速200～400 r/min，最大鉆深170 mm，其中：從鉆深20 mm開始記錄數(shù)據(jù)，有效鉆深150 mm。

試驗步驟：

(1)清洗并稱量每塊新的金剛石孕鑲體重量。

(2)利用金剛石孕鑲體在試驗巖樣上先預(yù)鉆1孔(孔深20 mm)，清除金剛石孕鑲體表面的氧化層，造型金剛石孕鑲體，減少試驗誤差、增強可比性。

(3)清洗并稱量每塊去氧化層后的金剛石孕鑲體的重量。

(4)利用金剛石孕鑲體繼續(xù)在試驗巖樣上鉆孔150 mm，記錄鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速及鉆時等數(shù)據(jù)。

(5)清洗并稱量每塊金剛石孕鑲體的重量。

二、試驗結(jié)果及分析

金剛石粒度、濃度是影響孕鑲鉆頭機械鉆速和磨損量的關(guān)鍵因素，分別選取30/40、40/50、50/60、60/70(目)四種粒度和60%、70%、80%、90%(100%濃度制)四種濃度，通過開展模擬孕鑲鉆頭井下工況的室內(nèi)鉆進特性試驗，得到了不同鉆壓、轉(zhuǎn)速條件下金剛石粒度、濃度對孕鑲鉆頭機械鉆速和磨損量的影響規(guī)律。

1. 不同金剛石粒度對孕鑲鉆頭的性能影響

金剛石粒度能夠改變鉆頭孕鑲體的自銳性和金剛石的出露高度，對于孕鑲金剛石鉆頭不斷出刃和提高破巖效率具有重要作用[13]。圖3、圖4分別給出了不同鉆壓、轉(zhuǎn)速條件下金剛石粒度對孕鑲鉆頭機械鉆速和磨損量的影響。

圖3 不同金剛石粒度對孕鑲鉆頭機械鉆速的影響

圖4 不同金剛石粒度對孕鑲鉆頭磨損量的影響

從圖3、圖4中可以看出，當(dāng)金剛石濃度一定的條件下，隨著孕鑲金剛石粒度的變細(xì)，由于細(xì)粒金剛石出露低，吃入巖石的最大深度減小，加之細(xì)粒金剛石不利于巖屑排出，將使得孕鑲鉆頭的破巖效率和機械鉆速有所降低；此外，在相同鉆壓、轉(zhuǎn)速條件下，隨著金剛石粒度變細(xì)，鉆頭工作面上出刃的金剛石顆粒數(shù)目越多，每顆金剛石承受的切削力將會明顯減小，從而有利于顯著減少金剛石的磨損，延長孕鑲鉆頭的使用壽命。

2. 不同金剛石濃度對孕鑲鉆頭的性能影響

金剛石濃度表示基體工作層內(nèi)單位體積的金剛石含量，是影響孕鑲鉆頭性能的另一個重要技術(shù)參數(shù)[14]，其中100%濃度表示每立方厘米中的金剛石含量為4.39克拉。圖5、圖6分別給出了不同鉆壓、轉(zhuǎn)速條件下金剛石濃度對孕鑲鉆頭機械鉆速和磨損量的影響。

圖5 不同金剛石濃度對孕鑲鉆頭機械鉆速的影響

圖6 不同金剛石濃度對孕鑲鉆頭磨損量的影響

從圖5、圖6中可以看出，當(dāng)金剛石粒度一定的條件下，隨著金剛石濃度增大，對機械鉆速的影響規(guī)律并不明顯，分析原因主要是由于金剛石濃度對于鉆頭吃入巖石的最大深度和總體切削力的影響較小造成的；此外，在相同鉆壓、轉(zhuǎn)速條件下，隨著金剛石濃度的增大，由于鉆頭工作面上參與破巖的金剛石數(shù)量越多，因此鉆頭的耐磨性將顯著增強，但是需要注意的是當(dāng)濃度達(dá)到一定值后，由于減小了金剛石顆粒間的距離，從而將會減弱基體對金剛石的包裹力，導(dǎo)致金剛石容易脫落。

3. 不同金剛石參數(shù)組合對孕鑲鉆頭的性能影響

根據(jù)金剛石參數(shù)對于孕鑲鉆頭破巖影響的試驗分析結(jié)果，為了發(fā)揮孕鑲金剛石鉆頭現(xiàn)場應(yīng)用的最優(yōu)效果，必須根據(jù)鉆遇地層的巖性、硬度、強度及研磨性等合理地選擇金剛石的粒度、濃度參數(shù)組合[15-16]。通常情況下，當(dāng)鉆進中硬及堅硬地層時，孕鑲鉆頭宜采用較小粒度、較高濃度的金剛石，一方面利于鉆進過程中失去工作能力的金剛石不斷脫落，新的金剛石能夠不斷出露，保證孕鑲鉆頭具有良好的自銳能力；另一方面能夠大大增加鉆頭工作面上參與破巖的金剛石數(shù)量，顯著提高孕鑲鉆頭的耐磨能力，盡可能延長其使用壽命。

圖7 不同金剛石粒度和濃度組合對孕鑲鉆頭機械鉆速的影響

圖8 不同金剛石粒度和濃度組合對孕鑲鉆頭磨損量的影響

如圖7、圖8分別給出了鉆壓8 kN、轉(zhuǎn)速400 r/min條件下不同金剛石粒度和濃度參數(shù)組合對孕鑲鉆頭金剛石整體性能的影響。從圖中可以看出，當(dāng)鉆進四川盆地致密砂巖地層時，采用30/40目或40/50目粒度，同時配以70%～80%的金剛石濃度，可以獲得較高的破巖效率和機械鉆速；采用50/60目或60/70目粒度、90%左右金剛石濃度，可以獲得較長的使用壽命和鉆頭進尺；然而為了實現(xiàn)較高的機械鉆速，同時獲得較長的鉆頭進尺，推薦使用40/50目或50/60目的金剛石粒度，同時配以70%左右的金剛石濃度，以期獲得良好的應(yīng)用效果。

三、結(jié)論與認(rèn)識

(1)自主設(shè)計了一種適用于孕鑲金剛石鉆頭的鉆鑿特性測定試驗裝置，能夠模擬不同鉆壓和轉(zhuǎn)速條件，開展小尺寸孕鑲鉆頭鉆進模擬試驗，指導(dǎo)金剛石粒度和濃度參數(shù)的分析及優(yōu)選。

(2)金剛石粒度、濃度對于提高孕鑲鉆頭的耐磨性均具有較大影響。隨著金剛石粒度變小和濃度增大，由于減小了參與破巖的金剛石切削力大小，有利于顯著延長孕鑲鉆頭的使用壽命。

(3)選用40/50目或50/60目的金剛石粒度，同時配以70%左右的金剛石濃度，可以起到兼顧提高致密砂巖機械鉆速和鉆頭壽命的效果，有利于解決須家河組地層鉆井速度慢的技術(shù)難題。

(4)建議結(jié)合室內(nèi)試驗、有限元模擬、理論研究等多種手段，綜合考慮金剛石粒度、濃度、基體配方及孕鑲鉆頭結(jié)構(gòu)、制造工藝等多種因素，深入開展適合致密砂巖、火成巖等復(fù)雜巖性地層孕鑲金剛石鉆頭的研制及應(yīng)用，進一步提升孕鑲鉆頭的適應(yīng)能力和應(yīng)用效果。