论文部分内容阅读
本文主要针对低钻压条件下孕镶金刚石钻头钻进过程中出现的易打滑现象进行研究,希望通过向胎体配方中添加造孔剂的新方法解决钻压不足条件下钻进打滑及钻头出刃不连续的问题。
目前我国的孕镶金刚石地质钻头的年产量已超过10万只,年钻探量达数百万米。虽然在地质工作以及钻井技术已经较为成熟,但由于地下岩层的复杂多变,使得钻探工程仍具有较强的不可预知性。在目前的钻探过程中所遇到的最为广泛的问题在于打滑地层钻进。近几年来许多专家学者在金刚石钻头设计制造方面的研究又取得了突破性进展,如使金刚石与钻头之间形成弱包镶(弱结合),这种打破常规思维(金刚石与钻头胎体之间必须包镶牢固)的崭新观念,在一定程度上克服了坚硬致密地层钻进时出现的钻头打滑现象。
首先由低钻压条件下WC基钻头在花岗岩钻进过程中出现的钻进打滑,出刃不连续影响钻进时效的现象引出该问题,通对所钻地层岩样进行分析了解岩层特性,经过薄片分析来了解某代表性花岗岩的组成成分、结构构造,最后得出结论:该花岗岩属于坚硬致密中等研磨性岩石,可钻性级别高达8~10级。近年来铁基胎体在此类岩层钻进过程中与岩层的适应性更好,取得了广泛的成功。结合岩石破碎理论,分析了孕镶钻头在钻压不足条件下钻进时对于岩石的破碎方式,主要是利用金刚石颗粒在唇面的出刃高度所形成的连续脉冲载荷在孔底反复研磨促进岩石内部裂隙发育,促使岩屑剥落,达到钻进的目的。结合金刚石砂轮的工作方式,对比二者的相似之处后,借鉴砂轮制造业中向胎体中添加造孔剂的方法,尝试向孕镶钻头胎体中添加盐类造孔剂,希望利用钻井液的冲蚀作用使钻头表面产生孔隙,促进钻头出刃,避免岩屑聚集,提高钻进效率。
接下来结合钻头的烧结工艺和工作情况,确定合适的造孔剂材料,初步选定为氯化钠和磷酸钾两种易溶于水的盐类。为检验造孔剂在胎体中的实际造孔效果,尝试向胎体配方中分别添加不同种类和浓度的造孔剂,在常规的烧结条件下烧结胎体试块,用以检验其力学性能的变化。对含有造孔剂材料的胎体试块分别进行了硬度、耐磨性、抗弯强度的测试,并模拟钻井液的冲蚀作用后观察胎体表面的孔隙形成情况。综合分析造孔剂种类和浓度对于胎体性能的影响,以及不同造孔剂的成孔效果后得出,磷酸钾材料对于胎体力学性能的影响大于氯化钠,且所成孔隙形状及分布都不理想,因此综合分析后确定氯化钠材料为合适的造孔剂,并考虑到随着氯化钠浓度的增加胎体力学性能下降,确定合适的氯化钠浓度应小于30%。
最后,根据以上分析结果确定新型含造孔剂的铁基孕镶钻头配方,选择合理的金刚石浓度和烧结参数后,采用热压法烧制三种不同的新型钻头用以钻进模拟实验,检验新钻头的使用效果。通过查阅相关资料,找出类似配方的Fe基钻头在实际钻进石英含量较高的花岗岩地层中的使用效果:其平均钻速为1~1.5m/h,钻头寿命25m左右。因此确定新钻头的试验目标为:平均钻速2m/h,钻头寿命15m以上。钻进试验在HT-150钻机上进行,模拟基岩出露钻压不足的工程条件,参考低钻压高转速的钻进规程,通过反复调试,最终确定钻压0.4~0.6T,转速500~600r/min最为适宜。记录回次进尺以及钻进时间,求出三只钻头的钻进时效分别为2m/h,3.1m/h,1.8m/h,寿命10m左右,完成部分试验目标。
综合分析钻头配方、造孔剂浓度、烧结工艺、钻进规程等因素的影响,得出:合理的含造孔剂铁基胎体配方中,造孔剂氯化钠体积浓度应为20%~25%,金刚石浓度为75%~100%,烧结温度950℃左右,钻压应在可选范围内选择尽量大的压力,至少应保证40~50kgf/cm2,转速宜采用高转速,推荐600r/min,但应注意与钻压相结合,当钻压足够大时,应适当降低转速。并提出改进的相关建议。