尖齒狀金剛石復合片鉆頭在油頁巖礦區的鉆進實驗

張獻振,劉寶昌,2,3,盧 彬,趙生慶

(1.吉林大學建設工程學院,吉林長春 130026;2.吉林大學工程仿生教育部重點實驗室,吉林 長春 130025;3.吉林大學超硬材料國家重點實驗室,吉林長春 130012;4.吉林省地質工程勘察院,吉林長春 130012;5.吉林省地礦勘察設計研究院,吉林長春 130061)

尖齒狀金剛石復合片鉆頭在油頁巖礦區的鉆進實驗

張獻振1,劉寶昌1,2,3,盧 彬4,趙生慶5

(1.吉林大學建設工程學院,吉林長春 130026;2.吉林大學工程仿生教育部重點實驗室,吉林 長春 130025;3.吉林大學超硬材料國家重點實驗室,吉林長春 130012;4.吉林省地質工程勘察院,吉林長春 130012;5.吉林省地礦勘察設計研究院,吉林長春 130061)

松遼盆地青山口組和嫩江組含油頁巖系,夾有數十層白云巖透鏡體或條帶。在對該油頁巖系進行鉆探時,由于經常遇到硬度較大的白云巖層,使用普通的硬質合金鉆頭不僅進尺極其緩慢,而且鉆頭損壞嚴重,壽命短。為解決此鉆探難題,研制開發具有高耐磨性和穿透能力強的鉆頭勢在必行。為此,研發了尖齒狀金剛石復合片鉆頭,并進行了現場鉆進實驗。結果表明,這種鉆頭在含白云巖層的油頁巖地層鉆進時,不僅鉆進速度高,而且具有高耐磨性、壽命長,其綜合技術經濟指標遠遠優于常規硬質合金鉆頭。

松遼盆地;油頁巖;白云巖層;鉆探;尖齒狀金剛石復合片鉆頭

1 概述

松遼盆地深井子油頁巖礦區地層主要由砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖、頁巖、油頁巖組成,成分大多以泥質膠結,屬于可鉆性較好的地層,其地層綜合柱狀圖如圖1所示[1]。2006年,殼牌石油公司使用美國長年公司的復合片鉆頭在此礦區鉆探,由于鉆頭結構和水路系統不合理,在鉆進時造成糊鉆、燒鉆、吸附性卡鉆等事故,嚴重影響鉆進效率[2]。2010年吉林省地礦建設集團有限公司在深井子礦區ZK4197孔鉆井過程中使用常規硬質合金鉆頭,但由于嫩江組部分地層泥巖結構非常致密,且夾有較硬的白云巖巖脈(如圖2),常規硬質合金鉆頭在孔底出現打滑現象,并很快被磨鈍。使用金剛石鉆頭時,由于金剛石不易出刃,造成不進尺或進尺極其緩慢。因此選擇一種適應該礦區地層的新型鉆頭顯得極其重要。

2 鉆頭選擇

深井子礦區ZK4197孔上部砂層遇水易水化,孔壁極易發生縮頸和塌陷現象,當遇到白云巖層(“打滑”地層)時使用硬質合金鉆頭不進尺,施工人員便加壓鉆進,最終使鉆桿成為繩狀搖擺,鉆桿接手斷裂,進而容易造成鉆桿斷裂,給施工帶來嚴重損失。

金剛石復合片鉆頭(Polycrystalline Diamond Compact Bit),簡稱PDC鉆頭。它由鉆頭體和切削齒兩部分組成。其鑲焊形式類似于硬質合金鉆頭,其碎巖原理以及鉆進規程也類似于硬質合金鉆進,對巖石主要以切削碎巖方式為主。這種鉆頭無活動零件,具有高效切削作用,鉆頭壽命長,機械鉆速和耐磨性較其它類型鉆頭高,但抗沖擊性能較差[3]。常規PDC鉆頭一般采用圓片狀金剛石復合片作為切削具。考慮到本礦區的地層特點,依據巖石破碎學中楔形壓頭碎巖比功較小的理論[4],為提高鉆進效率,同時解決某些孔段鉆頭不易進尺的難題,本文選擇了內徑58 mm、外徑91 mm的尖齒狀金剛石復合片鉆頭,以減少鉆頭切削刃與孔底的接觸面積。在鉆進過程中,由于鉆頭底唇面與地層接觸面積小,受力集中,齒下巖石在較大的接觸應力作用下產生破裂裂紋,因此尖齒比較容易吃入地層[5]。使用該類型鉆頭在吉林省地礦建設集團有限公司施工現場減壓低速的情況下進行了鉆進實驗。

現場使用的硬質合金鉆頭和實驗用尖齒狀金剛石復合片鉆頭見圖3～5。

圖3 硬質合金鉆頭

圖4 尖齒狀金剛石復合片鉆頭

圖5 尖齒狀金剛石復合片切削齒形狀

3 尖齒狀金剛石復合片鉆頭設計和制造

3.1 鉆頭設計

金剛石復合片鉆頭的基體分為鋼體式和胎體式,本文采用鋼體式。金剛石復合片的直徑為13 mm,厚度為8 mm(其中金剛石聚晶層厚1 mm,硬質合金基片厚7 mm)。復合片的切割主要有近紅外Nd:YA G激光切割方法與電火花線切割方法。由于電火花線切割會造成金剛石層與硬質合金層界面處存在金屬鈷過量去除現象,出現較多明顯的凹槽[6],故本文采用了脈寬較窄的近紅外Nd:YAG激光切割方法,使得復合片切割速度和切割質量均有很大程度的提高。圖6為尖齒狀復合片鉆頭示意圖,鉆頭由8塊復合片尖齒焊接在鉆頭鋼體上,每2塊焊接在一起,相對稱的4塊尖齒數相同,分別采用了單塊三齒和單塊四齒的復合片,這樣在鉆進巖層的過程中對巖層的切削有互補作用。鉆頭有4個拋物線狀水口,這樣更利于泥漿液對鉆頭底唇面的冷卻。

圖6 尖齒狀復合片鉆頭示意圖

3.2 鉆頭制造

考慮到復合片金剛石層的熱穩定極限溫度只有700℃,超過極限溫度,復合片金剛石層的抗磨能力下降,影響鉆頭的使用壽命,對鉆頭鋼體和復合片的焊接采用高頻感應加熱釬焊與氧-乙炔火焰釬焊相結合的釬焊方法。即焊前進行切削齒穴粗化處理、切削齒氧化處理等工作,先采用高頻感應進行局部焊接,然后采用氧-乙炔火焰釬焊的方法,然后放入400～500℃的電阻爐中進行隨爐降溫冷卻,最后取出成品鉆頭。

4 實鉆試驗

4.1 鉆探設備及鉆具結構

結合現場實際情況,選擇了XY-6B型鉆機,BW-250型泥漿泵,A Y-12型鉆塔,塔高1315 m。

鉆具結構組合:“91 mm鉆頭+“73 mm巖心管+“68 mm鉆鋌8根+“60 mm鉆桿+扁六方鉆桿[5]。

4.2 鉆進參數

由于實驗現場油頁巖地層含有白云巖硬夾層,尖齒狀金剛石復合片在高速鉆進中容易崩齒,因此需要較低的鉆壓和轉速?，F場鉆進實驗時實際采用的鉆壓是5 kN,轉速為200～260 r/min,沖洗液泵量為90 L/min[7]。

4.3 試驗情況及效果

為說明尖齒狀金剛石復合片鉆頭的鉆進效果,將其與在同礦區使用的硬質合金鉆頭的鉆進情況進行了對比。

在相同地層,鉆壓5 kN、鉆速200～260 r/min、泵壓6 MPa的情況下,硬質合金鉆頭在深井子礦區ZK5789孔的進尺情況如表1所示。

表1 硬質合金鉆頭進尺情況

尖齒狀金剛石復合片鉆頭在深井子礦區ZK4197孔的進尺情況如表2所示。

表2 尖齒狀金剛石復合片鉆頭進尺情況

此次實驗一共使用了6只復合片鉆頭,每個鉆孔實驗2只,對3個鉆孔進行了鉆進實驗,硬質合金鉆頭和尖齒狀金剛石復合片鉆頭的綜合鉆進效果對比如表3所示。

表3 鉆頭總進尺和總花費時間及平均機械鉆速對比表

5 試驗效果分析

5.1 鉆探技術效果分析

從表1～3可以看出,與硬質合金鉆頭相比,尖齒狀金剛石復合片鉆頭鉆進效率高,回次鉆進時間縮短,平均機械鉆速也提高很多。在打滑地層用此鉆頭無論是鉆進花費時間還是機械鉆速都要優于硬質合金鉆頭,平均機械鉆速2182 m/h,是硬質合金鉆頭平均機械鉆速(114 m/h)的2倍多。鉆頭壽命最高可達227165 m,遠高于硬質合金鉆頭(硬質合金鉆頭在該礦區的壽命一般不超過20 m)。

5.2 經濟性分析

(1)尖齒狀金剛石復合片鉆頭現場使用報廢前不用換鉆頭,而使用硬質合金鉆頭鉆進時,每鉆進一個回次就要換一次鉆頭。在白云巖層每只硬質合金鉆頭的壽命大約20 m,鉆孔深度按照600 m計算,大約要使用硬質合金鉆頭30只,每只硬質合金鉆頭的價格在80元左右,使用鉆頭總費用約2400元。

(2)根據圖1可以看出,白云巖地層在150～300 m之間較多,其它地層泥巖砂巖居多,用尖齒狀金剛石復合片鉆頭易鉆進,鉆頭磨損少,經過現場鉆進用2只鉆頭就可以完成600 m整個鉆孔的鉆進工作。每只尖齒狀金剛石復合片鉆頭的價格為2900元,鉆頭總費用5800元。鉆頭的費用將提高5800-2400=3400元。

(3)按照ZK4197孔有100 m難鉆進“打滑”地層計算,硬質合金鉆頭用時100/114=71 h,尖齒狀金剛石復合片鉆頭平均鉆速為(311+311+215+216+2169+2193)/6=2182 m/h,用時 100/2182=35 h,節省 71-35=36 h。

(4)現場人員費用是70元/天,一班4個人,一個班工作8 h,3個班連續接替鉆進,僅人員費用每天可以節省70元/人×4人/班×3班/天×36/24=1260元。現場每24 h消耗燃料費用約1400元,節省36 h意味著節省燃料費用約2100元左右。費用上可以近似抵消,時間上減少了36 h,即縮短了36 h的工期,提高了施工現場整體的效率。預計若額外的36 h繼續鉆進,可比硬質合金鉆進提高產值約300元/m×(2182-114)m/h×36 h=15336元。

由以上分析可以得知,采用尖齒狀金剛石復合片鉆頭,一個鉆孔可以節省大于36 h的時間,提高了施工效率,如換算成產值,預計可提高15336元的產值,這對施工單位來說是非常劃算的。6 結論

(1)在松遼盆地深井子油頁巖礦區白云巖層的鉆采施工中,常規硬質合金鉆頭出現打滑進尺極其緩慢、壽命短現象,使用尖齒狀金剛石復合片鉆頭鉆進速度快,而且具有高耐磨性、壽命長的特點,這些都優于常規硬質合金鉆頭。

(2)使用尖齒狀金剛石復合片鉆頭為現場鉆采提高了效率,縮短了工期,降低了施工成本,整體的經濟技術指標遠遠超過常規硬質合金鉆頭。

(3)油頁巖礦區由于地層條件,長期使用常規硬質合金鉆頭。此次使用金剛石復合片鉆頭大大加快了油頁巖礦區白云巖層的鉆采速度,并開辟了新的思路。今后的應用前景非?？捎^。

[1] 劉招君,楊虎林,董清水,等.中國油頁巖[M].北京:石油工業出版社,2009.

[2] 遲玉亮.奇偶齒魚脊式聚晶鉆頭的設計及在油頁巖地層的鉆進效果[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2007,34(3).

[3] 張藝瀚,王希勇.PDC鉆頭在沙南油田沙丘3井區的推廣應用[J].西部探礦工程,2005,(2).

[4] 張祖培,劉寶昌.碎巖工程學[M].北京:地質出版社,2004.

[5] 鄒德永.新型 PDC鉆頭切削齒的發展[J].石油鉆探技術,2003,(6).

[6] 吳煜,張高峰.聚晶金剛石的Nd:YAG激光切割與電火花線切割損傷分析[J].中國機械工程,2010,(5).

[7] 趙生慶,盧彬,李錄波,李強.松原油頁巖地層硬質合金裸孔鉆進技術[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009,36(10).

Drilling Experiments of Teeth2shaped PDC Bit in Shenjingzi Oil Shale Mining Area of Song Liao Basin

Z HA N G Xian-zhen1,L IU Bao-chang1,2,3,LU Bin4,Z HAO Sheng-qing4(1.College of Construction Engineering,Jilin Universi2 ty,Changchun Jilin 130026,China;2.Key Laboratory of Bionic Engineering,Jilin University,Ministry of Educa-tion,Changchun Jilin 130025,China;3.National Key Laboratory of Superhard Materials,Jilin University,Chang-chun Jilin 130012,China;4.Jilin Investigation and Design Institute of Geology and Minerals,Changchun Jilin 130061,China;5.Geo2engineering Investigation Institute of Jilin Province,Changchun Jilin 130012,China)

There are often dozens of layers of dolomite body or bands embedded in oil shale formation in Qingshankou and Nenjiang group at Song Liao basin.While drilling in above mentioned oil shale formations,dolomite interlayers with relatively high hardness were often encountered.If ordinary tungsten carbide cutter drilling bit was used,not only the footage was too slow in drilling process,but also the bit was seriously damaged.To solve above drilling problems,the development of new drilling bit with high wear resistance and high penetration ability was eagerly nee-ded.In this paper,a new type of teeth-shaped PDC bit was designed and manufactured.Field drilling experiments using these teeth-shaped PDC bits were conducted and their drilling performances were compared with those of tung-sten carbide bits.The results indicated that the new teeth2shaped PDC bit demonstrated high rate of penetration,high wear resistance and long service life while drilling in oil shale formation containing dolomite interlayer.The technical and economical index of teeth-shaped PDC drill bit was better than that of conventional tungsten carbide cutter bits.

Song Liao basin;oil shale;dolomite interlayer;drilling;teeth-shaped PDC bit

P634.4+1

A

1672-7428(2011)08-0064-04

2011-03- 13;

2011-05-09

中國博士后科學基金項目“土壤洞穴動物趾形仿生鉆頭研究”(20080430158);國家自然科學青年基金項目“硬巖鉆進用仿生結構金剛石復合片及鉆頭研究”(200902487)、“仿生非光滑表面PDC復合齒切削巖石防粘機理研究”(51004052)

張獻振(1987-),男(漢族),山東臨清人,吉林大學在讀碩士研究生,地質工程專業,主要從事鉆探用超硬材料與鉆頭的研究,吉林省長春市東民主大街吉林大學前衛北區三舍526,zxz1087@163.com;劉寶昌(1975-),男(漢族),吉林梨樹人,吉林大學建設工程學院及超硬材料國家重點實驗室副教授、工程仿生教育部重點實驗室博士后、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室訪問學者,地質工程專業,主要從事鉆探新技術、超硬復合材料及鉆頭、仿生技術在鉆探中的應用等研究工作。