鉆進(jìn)“打滑層”鉆頭設(shè)計(jì)與使用

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鉆頭設(shè)計(jì),打滑層
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2013-08-19
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　　JC35導(dǎo)讀：實(shí)現(xiàn)“打滑層”巖層的正常鉆進(jìn)應(yīng)從鉆頭的設(shè)計(jì)和鉆頭的使用兩個(gè)方面進(jìn)行摸索和實(shí)踐，本文僅給出了一些解決問(wèn)題的思路和方向，供業(yè)內(nèi)同行借鑒和參考，并與同仁探討。下面對(duì)于其定義和操作問(wèn)題詳細(xì)的簡(jiǎn)述。
　　
　　一、“打滑層”的定義
　　
　　孕鑲?cè)嗽旖饎偸@頭在鉆進(jìn)各類(lèi)不同巖層中，經(jīng)常出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象。所謂“打滑”就是在鉆進(jìn)中機(jī)械鉆速低，甚至出現(xiàn)不進(jìn)尺現(xiàn)象。能產(chǎn)生這種現(xiàn)象的巖層很多，如堅(jiān)硬的石英層、花崗巖、燧石巖、灰?guī)r、大理巖等。能否說(shuō)產(chǎn)生這種現(xiàn)象的巖層都是“打滑層”呢？當(dāng)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(duì)只能使用電鑄鉆頭鉆進(jìn)，換用熱壓燒結(jié)的孕鑲?cè)嗽旖饎偸@頭就不進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)速不上去，鉆頭實(shí)際回轉(zhuǎn)線速度只有0.5—0.8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(jìn)尺，類(lèi)似這類(lèi)情況的巖層不應(yīng)被叫做“打滑層”。
　　
　　二、“打滑層”鉆頭的設(shè)計(jì)原則
　　
　　“打滑層”的特點(diǎn)是巖石特別堅(jiān)硬，結(jié)構(gòu)致密，強(qiáng)度高，研磨性弱。根據(jù)這些特點(diǎn)合理設(shè)計(jì)鉆頭參數(shù)才能取得好的鉆進(jìn)效果。其基本原則是：
　　
　　1、選用高品級(jí)人造金剛石。
　　
　　高品級(jí)人造金剛石具有晶形好，單粒抗壓強(qiáng)度高，熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，鉆進(jìn)堅(jiān)硬巖石具有特別明顯的優(yōu)點(diǎn)，是低品級(jí)金剛石所*的。
　　
　　2、選用中粒度人造金剛石。
　　
　　就金剛石生長(zhǎng)的特點(diǎn)和當(dāng)前的合成技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，隨著單晶粒度的增大，晶體內(nèi)包裹體含量增加、因晶格畸變導(dǎo)致單晶不規(guī)則生長(zhǎng)的趨勢(shì)增加，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(xì)粒度金剛石單晶晶形zui完整、雜質(zhì)含量zui低，也就是說(shuō)，在相同品級(jí)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(qiáng)度（比壓）和抗沖擊強(qiáng)度指標(biāo)，這可以從同為MBD12品級(jí)的45/50與50/60兩個(gè)粒度的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度（Kgf）/網(wǎng)孔面積（um）比值為16/390=0.041
　　
　　50/60粒度的抗壓強(qiáng)度（Kgf）/網(wǎng)孔面積（um）比值為14/275=0.051
　　
　　前者遠(yuǎn)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(xì)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(qiáng)度指標(biāo)低，造成金剛石棱角易于被磨鈍且又不能及時(shí)脫粒，新切削刃不能及時(shí)出露，從而發(fā)生“打滑”現(xiàn)象。
　　
　　當(dāng)然，過(guò)細(xì)的金剛石粒度同樣會(huì)因出刃不足造成鉆頭打滑，什么樣的粒度可以滿足正常鉆進(jìn)的要求，可以通過(guò)模擬鉆頭鉆進(jìn)工藝參數(shù)間的關(guān)系予以評(píng)估和粗略計(jì)算。
　　
　　鉆頭的鉆進(jìn)行為可以用下列方式描述：鉆頭鉆進(jìn)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(shí)在兩個(gè)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(shí)際的工作狀態(tài)。此狀態(tài)可以按幾何模型展開(kāi)如勾、股、弦關(guān)系，并存在如下關(guān)系式：
　　
　　X2+Y2=Z2
　　
　　以此關(guān)系式代入相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行推導(dǎo)，可以評(píng)估和粗略計(jì)算鉆頭某些設(shè)計(jì)參數(shù)的合理與否，如選用金剛石粒度、濃度、強(qiáng)度等，下面以確定粒度為例進(jìn)行推導(dǎo)。
　　
　　假設(shè)設(shè)計(jì)一φ75金剛石取芯鉆頭，按正常的鉆進(jìn)工藝為：鉆頭轉(zhuǎn)速300-500r/min、進(jìn)尺速度3-5m/h、鉆壓150Kgf/cm2，以zui大外徑處的某一金剛石切刃為對(duì)象計(jì)算其單位時(shí)間內(nèi)在X、Y、Z三個(gè)方向上的位移S，設(shè)時(shí)間t=1min、鉆頭轉(zhuǎn)速v1=300r/min、進(jìn)尺速度v2=4000mm/h，則X、Y、Z三個(gè)方向上的位移S分別為：
　　
　　SX=75×π×300=70685mm
　　
　　SY=4000÷60=66.667mm
　　
　　SZ=√706852＋66.6672=70685.8mm
　　
　　金剛石切刃對(duì)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(shí)際是一種群刃工作狀態(tài)，準(zhǔn)確的計(jì)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(lái)量化相應(yīng)數(shù)據(jù)以求得結(jié)論。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，求得鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺深度為：
　　
　　S=SY/V1=66.667/500=0.133mm
　　
　　可以認(rèn)為,此時(shí)單金剛石切刃一次切入巖石深度zui大為0.133mm。
　　
　　經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，金剛石單晶的在胎體中的包鑲深度達(dá)到60%時(shí)，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宜的，因此金剛石切刃的一次切深設(shè)計(jì)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=0.133×4=0.532mm
　　
　　此數(shù)據(jù)相當(dāng)于45/50粒度
　　
　　3、選用混粒度孕鑲。
　　
　　為提高鉆頭廣譜性，采取不同粒度混鑲是一個(gè)有效途徑。這樣對(duì)“打滑層”鉆進(jìn)和非打滑層鉆進(jìn)都是可以的，消除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(duì)減少，分布在唇面上每粒金剛石的鉆壓就會(huì)增加，有利于金剛石切入巖石，從而提高機(jī)械鉆速。
　　
　　5、選用金剛石合理分布方式。
　　
　　采取金剛石合理分布方式達(dá)到鉆頭唇面均衡磨損，可以增加鉆頭使用壽命。
　　
　　6、選用中等硬度胎體。
　　
　　以往由于金剛石品級(jí)不高，鉆進(jìn)往往采用軟胎體以便于金剛石的出露，這無(wú)疑是正確的，但由于人造金剛石品級(jí)的不斷提高，在采用高品級(jí)金剛石繼續(xù)采用軟胎體，勢(shì)必造成金剛石的過(guò)早脫粒，既不利于進(jìn)尺，有造成浪費(fèi)，因而，根據(jù)胎體硬度與使用金剛石品級(jí)相匹配原則，應(yīng)選用中等硬度胎體匹配高品級(jí)金剛石鉆進(jìn)打滑巖層。
　　
　　7、選用自由面較多的唇面形狀。
　　
　　鉆進(jìn)巖層完整的打滑層時(shí)，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破碎，此時(shí)金剛石碎巖方式將由簡(jiǎn)單的耕犁、壓入、壓碎、刮削等表面破碎形式轉(zhuǎn)變?yōu)楦实谋懒训润w積破碎形式，有利于提高鉆速。同時(shí)，考慮到鉆速的恒定問(wèn)題，要求鉆頭唇面形狀隨時(shí)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、采用金剛石單晶保徑。
　　
　　由于打滑層巖石特別堅(jiān)硬，使用針狀合金或聚晶保徑往往會(huì)嚴(yán)重影響進(jìn)尺，而金剛石單晶對(duì)于堅(jiān)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(duì)于繩索取心鉆頭尤為重要，扇形水口和直水口對(duì)比，可以使鉆頭內(nèi)外唇面均衡磨損。水口數(shù)量在滿足排粉、冷卻的條件下，水口數(shù)量不宜過(guò)多。
　　
　　10、鉆頭進(jìn)行予出刃處理。
　　
　　予處理對(duì)于鉆進(jìn)“打滑層”特別重要，使鉆頭下井不經(jīng)“初磨”就可以直接進(jìn)尺，減少了初磨時(shí)間，提高了鉆速。
　　
　　三、“打滑層”鉆進(jìn)操作應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題
　　
　　1、由于“打滑層”巖性特別堅(jiān)硬，在鉆進(jìn)中鉆壓是關(guān)鍵的參數(shù)，沒(méi)有足夠的比壓，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(jìn)能力。
　　
　　鉆壓P=F·p
　　
　　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(jìn)其它巖石要大，一般采用882.6~1078.7N/cm2左右。
　　
　　2、“打滑層”鉆頭轉(zhuǎn)數(shù)不宜過(guò)快。過(guò)快的轉(zhuǎn)速將影響對(duì)金剛石鉆頭唇面切削刃的冷卻，而在“打滑層”鉆進(jìn)中金剛石出刃普遍較低，這種影響將更明顯，容易導(dǎo)致切削刃的提前磨損、磨純出現(xiàn)出刃拋光，發(fā)生人為的打滑現(xiàn)象，一般線速度控制在1.5~2m/s之間。
　　
　　3、泵量要小。鉆進(jìn)“打滑層”由于鉆進(jìn)速度較低，井底產(chǎn)生的巖粉也相對(duì)少。泵量偏大將使井底的巖粉數(shù)量進(jìn)一步減少，對(duì)于金剛石出露很不利，易發(fā)生打滑現(xiàn)象。而且泵量過(guò)大引起泵壓較高，能抵消一部分鉆壓，鉆壓的減輕也會(huì)發(fā)生打滑現(xiàn)象。
　　
　　計(jì)算泵量的經(jīng)驗(yàn)公式：Q=K·D
　　
　　式中：Q-泵量L/min
　　
　　D-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(jiān)硬，一般井壁間隙較小，因而在選擇擴(kuò)孔器時(shí)要注意鉆頭外徑與擴(kuò)孔器外徑的尺寸配合，擴(kuò)孔器外徑一般比鉆頭外徑大0.2~0.3mm為宜,不應(yīng)超過(guò)0.4mm,否則就會(huì)影響進(jìn)尺。
　　
　　5、鉆進(jìn)“打滑層”時(shí)，擴(kuò)孔器種類(lèi)的選擇，應(yīng)選用金剛石單晶擴(kuò)孔器（是電鍍的），不應(yīng)選用聚晶擴(kuò)孔器，其原因同鉆頭保徑材料一樣。
　　
　　6、在鉆進(jìn)“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(shè)計(jì)要求，保證鉆具回轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，以防鉆頭金剛石異常脫粒現(xiàn)象的發(fā)生。其具體指標(biāo)是：鉆桿每米彎曲不許超過(guò)1mm，鉆具每米彎曲不許超過(guò)0.75mm,鉆頭同軸度偏差不能大于0.2mm。
　　
　　7、沒(méi)有進(jìn)行予出刃的鉆頭下井之前，應(yīng)向井內(nèi)投入少量的石英砂（粒度0.5~1mm）鉆頭下井后采用小泵量,輕鉆壓,慢轉(zhuǎn)數(shù)鉆進(jìn)5~10分鐘后換用正常參數(shù)鉆進(jìn)。
　　
　　8、在鉆進(jìn)中，出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象時(shí)，普通雙管鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)立即上鉆，對(duì)鉆頭進(jìn)行出刃處理。繩索取心鉆進(jìn)時(shí)，可減少泵量增加孔底巖粉量，促使金剛石重新出刃后恢復(fù)正常參數(shù)鉆進(jìn)。這種操作方法，要求操作者必須是有經(jīng)驗(yàn)的，否則易造成燒鉆。

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