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适应深孔条件的孕镶金刚石钻头研究

邓柏松  
【摘要】:我国对矿产资源需求量大,随着现有矿产资源被不断开发,新的找矿任务使得我们从前期的浅部、中深部探矿向深部、超深部发展。作为探矿过程中非常重要的一个部分,钻探也由浅部(1000m以内)钻探向深部(2500m以上)甚至超深部发展(4000m),随着钻孔深度的增加,对钻探技术提出了更高的要求。同时由国土资源部成立的大陆科学钻探计划在甘肃金川地区布置了一口深3000m的预导孔,而在国内到目前为止还没有完成钻进深达3000m的小口径岩心钻探孔。因为地层条件的复杂性、钻杆受力的多向性以及孔底环境的恶劣性,使得深部钻探对钻探设备(钻机、泥浆泵)、机具(钻杆、钻具、钻头等)、钻井液以及钻井工艺等提出了更高的要求。 凭借着不提钻取心技术的优越性,绳索取心钻探技术在深部岩心钻探中得到了极大的应用。深部钻探中,钻头性能是影响绳索取心钻探技术经济效益的重要因素之一。钻头寿命长、机械钻速快,起下钻的次数和纯钻进时间越少,劳动强度低,绳索取心的经济效益就越明显。但是,深孔条件下新的岩石破碎特征使得孕镶钻头钻进速率低,寿命短,严重阻碍了绳索取心钻探技术的发展,因此对深孔绳索取心孕镶金刚石钻头的研究显得非常迫切。文章在分析深部地层岩石破碎特征的基础上,从金刚石参数、胎体配方、钻头水力结构参数以及钻头烧结工艺等方面对适应深部钻探的绳索孕镶金刚石钻头进行了系统的研究,主要内容有: (1)通过搜集资料,分析了深部地层岩石物理力学性质随埋深的变化。结果表明,在一定深度范围内,随着深度增加,岩石抗压强度、硬度和塑性等指标均增加,岩石可钻性降低;深孔钻探中钻头处于一个非常复杂恶劣的工作环境,转速低、冲击和振动载荷大、容易产生涡动现象,同时冲洗液对钻头冲蚀作用强,导致钻头寿命低;分析认为,由于岩石物理性质及钻头工况的变化,深部地层岩石由磨削碎岩方式向压入碎岩方式转变。 (2)通过编程计算了理想情况下钻头寿命、机械钻速和回次进尺对钻进总时间的影响。结果表明,提高钻头寿命、机械钻速、回次进尺等均能有效降低钻进总时间。深部钻探中为提高钻进效率,应在保证钻头寿命的基础上,尽可能地提高机械钻速。 (3)通过对金刚石参数进行定量计算,列出钻头唇面上单颗金刚石切入岩石深度和长度与其所处位置的关系式。分析得出,对矩形直水口钻头来说,唇面上靠近内径处的金刚石工作负荷大,钻头内径比外径磨损快;对钻头胎体性能、胎体成分和作用进行分析,并研究提高胎体对金刚石包镶力的措施;推荐适应深部硬地层的钻头胎体配方为:WC48%左右,Co 12%左右,Ni8%左右,Mn4%左右,Ti2%左右,663Cu26%左右。 (4)利用流体力学分析软件(CFD)对95/63mm规格的梯齿形钻头进行钻井液流动仿真分析,求出钻井液流经常规钻头处的压力损失为0.11MPa;分别模拟了几种不同水口形式的梯齿形钻头,提出扇形水口钻头具有良好的水力学性能,即水力损失最小(0.064MPa);分组模拟不同的扇形角度与钻头水力损失大小的关系曲线图,得出随着扇形角度的增大,水力损失越小的结论;结合金刚石参数设计理论,求出矩形直水口与扇形水口钻头唇面上单颗金刚石磨损岩屑长度的表达式,得出扇形水口钻头唇面上各处金刚石在工作中处于同步磨损的状态,并绘出扇形角度与岩屑磨损长度的关系曲线,综合比较确定扇形水口角度为10° (5)同样利用CFD软件分别对加高工作层的单层和双层水口钻头进行了水力学分析,分析结果显示,双层水口钻头的水力损失比单层水口要小得多。但是由于两层水口的存在,上层水口分担了一部分流量,使得下层水口钻井液流量减少,冷却和排粉效果不佳,采用底喷型水口可能会帮助解决这一问题。 (6)总结热压法制作金刚石钻头的特点,确定适应深孔钻探的钻头烧结工艺参数为:烧结温度1010℃、烧结压力20MPa、保温时间5min。通过VB程序开发平台,依据钻头配料计算原理,开发出钻头配料计算软件,该软件在钻头设计时能方便快速的计算出各种粉末和金刚石的用量,并打印钻头生产工艺卡,直接服务于生产,具有一定的实用价值。对钻头烧结过程中的粉末流失现象进行了分析,粉末大量流失对钻头性能有很大的影响,提出采用台阶密封、模具尺寸合理配合、优化烧结参数等方法来减少粉末流失,保证钻头质量。 (7)依据前文对钻头的理论研究,生产出适合深部地层的常规孕镶金刚石钻头并在7-9级左右的花岗岩地层进行了钻进试验,结果表明制作的钻头平均寿命提高约10m,机械钻速下降不大。同时根据孕镶金刚石钻头磨损机理设计制作了向工作层中添加造孔剂和软质细铁丝这两类新式钻头,并在现场进行了部分钻进试验。结果表明,新式钻头在深部钻探中钻进速度提高约15~20%,而钻头寿命基本不变。同时向胎体中添加铁丝钻头这一方法还获得专利授权,基本达到了预期的研究目的。


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