仿生孕鑲金剛石鉆頭在漠河凍土區天然氣水合物勘探鉆進中的應用

曹 宇，劉寶昌，2，計勝利，李守圣，李小洋

（1.吉林大學建設工程學院，吉林長春130026;2.吉林大學超硬材料國家重點實驗室，吉林 長春130012;3.黃河勘測規劃設計有限公司，河南洛陽 471002）

仿生孕鑲金剛石鉆頭在漠河凍土區天然氣水合物勘探鉆進中的應用

曹 宇1，劉寶昌1，2，計勝利1，李守圣3，李小洋1

（1.吉林大學建設工程學院，吉林長春130026;2.吉林大學超硬材料國家重點實驗室，吉林 長春130012;3.黃河勘測規劃設計有限公司，河南洛陽 471002）

仿生孕鑲金剛石鉆頭具有高效、耐磨的特點，符合漠河天然氣水合物勘探的要求及漠河鉆探施工現場的條件。介紹了符合漠河地層特點的仿生孕鑲金剛石鉆頭的設計與制造。同時對效果不理想的鉆頭的鉆進情況進行了分析，提出了評價鉆頭性能時需要綜合分析，從而客觀、真實地反映鉆頭的實際鉆進能力。漠河天然氣水合物MK-2科學鉆探試驗井的鉆進結果表明，仿生孕鑲金剛石鉆頭的壽命比普通孕鑲金剛石鉆頭長73%，鉆速比普通孕鑲金剛石鉆頭高22%。

天然氣水合物;仿生孕鑲金剛石鉆頭;高效;耐磨;漠河

1 概況

天然氣水合物是一種可以取代傳統能源的清潔能源，廣泛分布于海底沉積物和陸上永久凍土區中，其全球潛在資源量相當于（1.8～2.1）×106m3的甲烷氣，是已知煤、石油和天然氣等化石燃料資源量總和的2倍。漠河盆地具有天然氣水合物形成的氣源條件、凍土條件和儲存條件，被認為是東北凍土區天然氣水合物成礦條件最好的地區［1］。

2011年7～11月，在中國地質調查局組織下，中國地質科學院礦產資源所、中國地質科學院勘探技術研究所、吉林大學、中國地質大學（北京）和北京化工大學等科研院校參與，吉林大學負責施工，在東北漠河盆地實施了天然氣水合物MK-2科學鉆探試驗井。鉆探施工區位于漠河盆地，在黑龍江省漠河縣北極村境內，處于大興安嶺北麓，距黑龍江百余公里，屬大森林覆蓋區域，施工區為多年永久凍土區，施工區可施工月份為6～9月份，其平均氣溫7.5～18.1℃，年平均氣溫在-5.5℃，屬于寒溫帶大陸性季風氣候。本區屬于盆地，上覆蓋層為第三系和白堊系地層，凍土層厚度達120 m以上，地表溶化層可深到20 m左右不等。

地層以泥巖、砂巖互層為主，砂巖膠結較好，為硅質膠結，可鉆性在Ⅴ～Ⅶ級，泥巖為煤系地層，巖石硬度在Ⅳ～Ⅴ級。施工地區為六類地區。

2 鉆頭選擇

漠河地區施工工期短，同時，為滿足天然氣水合物的取心要求，回次進尺要低于1.5 m，鉆進過程中，鉆井液溫度需要保持在0℃左右。若采用普通孕鑲金剛石鉆頭，鉆進速度達不到施工要求，且鉆進時間越長，鉆井液溫度會持續緩慢升高，會影響水合物的取心及整個項目的進度，因而迫切需要使用一種鉆進效率高的鉆頭進行施工。

仿生孕鑲金剛石鉆頭依據仿生非光滑理論研制，其運用了仿生學的非光滑表面具有耐磨、減阻特性，模仿蜣螂前胸背板存在凹坑的特點，將鉆頭的底唇面設計制造成非光滑的表面，從而使鉆頭更耐磨。所謂非光滑表面，是指在光滑表面上至少在某一方向上存在引起非光滑效應的宏觀區域的表面，它是存在于系統中影響切向阻力的各種因素。由于非光滑效應的不同而產生了幾何非光滑表面、力學非光滑表面、化學非光滑表面和動態非光滑表面［2］。

經試驗證明，將仿生非光滑結構應用到鉆頭的設計中能夠提高鉆頭的碎巖效率和使用壽命，平均機械鉆速比普通鉆頭提高50%左右;鉆頭壽命提高1.5 倍上［3］。

天然氣水合物科學鉆探試驗井使用了普通鉆頭與仿生鉆頭進行對比鉆進的方法，用以研究仿生鉆頭在野外的使用情況，從而優化仿生鉆頭的結構，實現高效率鉆進，滿足漠河地區的施工要求。

3 鉆頭設計和加工

3.1 仿生鉆頭參數設計

由于所處巖層夾石英脈，屬于堅硬巖層，部分地層為堅硬致密弱研磨性地層。鉆頭設計如圖1所示。采用金剛石濃度100%，水口數10個，工作層高度7 mm，過渡層高度5 mm。仿生單元采用均勻排布（如圖2），即仿生鉆頭底唇面上，在同等工作面積上布置同等數量的仿生單元，外徑112.5 mm，內徑73 mm。

圖1 仿生鉆頭設計圖

圖2 仿生單元均布分布圖

采用50/60、60/70不同粒度的金剛石按1∶1的比例混鑲，由于金剛石粒度大小不等，鉆頭底唇面在同一水平面上的金剛石出露數量變少，則單粒金剛石上的軸向壓力增大。同時不同粒度金剛石鉆進時能形成不同粒度的巖粉，從而增強巖粉顆粒對胎體的研磨作用，使失去工作能力的金剛石脫落，新的金剛石及時出露，促進孕鑲金剛石鉆頭不斷出刃，提高鉆頭在堅硬致密弱研磨性地層的鉆進效率。

工作層材料由胎體材料和仿生非光滑材料組成。胎體硬度HRC25，非光滑度12%。胎體粉末材料成分如表1所示。WC和YG6為骨架材料具有高熔點、高耐磨、高硬度的特性，且對金剛石的腐蝕較小，線膨脹系數也較小;Ni、Mn、Co和663青銅粉等粘結金屬能在適當溫度下熔化，同時濕潤WC顆粒，并使WC顆粒表面熔融，促進了制品的收縮及致密化過程。不同材料在高溫高壓下產生物理分子接觸和化學合成反應，形成一種具有較佳復合特性的構件［4］。

此胎體配方在63號配方的基礎上降低了WC等骨架材料的含量，從而降低胎體的耐磨性，并增加663Cu含量，降低胎體硬度，從而適用于堅硬致密弱研磨性地層［5］。

表1 胎體材料配方（質量分數） %

3.2 鉆頭的加工

仿生鉆頭的制造方法和普通鉆頭基本一樣，增加了一套制作非光滑表面的工藝，在中頻爐中進行熱壓燒結，溫度980℃，壓力10～15 MPa;燒結時每隔2 min增加10 kW，在升溫過程中，加到40 kW為止，達到保溫溫度，每隔1 min降低10 kW，直至溫度穩定為止;保溫時間15～25 min。

燒結完成后，應將鉆頭放置在保溫砂箱內緩慢冷卻24 h后取出。其他加工工序與普通鉆頭的一樣。鉆頭具體加工流程如圖3所示。

圖3 仿生鉆頭加工流程圖

4 鉆探設備及鉆進工藝

采用HXY-8型鉆機，SG-24重型四角鉆塔一套（高度24 m），允許提升立根長度6×3 m;一臺200 kW和一臺150 kW柴油發電機組;BW-320型三缸活塞泵;為滿足漠河地區天然氣水合物科學鉆探的目的，采用吉林大學研制的泥漿強制冷卻系統等。

由于仿生非光滑表面使鉆頭底唇面的比壓增加，因此仿生鉆頭需要的壓力要小于普通金剛石鉆頭，且鉆進過程中采取切掉鉆頭一部分齒的方法，根據巖層條件的差異控制在9～13 kN。

在孔徑、孔深、沖洗潤滑條件、孔壁穩定性、巖層研磨性、鉆桿堅固性以及設備等允許的條件下，盡量取較高轉速鉆進，由于條件限制，現場轉速為250 r/min。

漠河地區泥漿制冷需要采用無固相泥漿，沖洗液量為165 L/min，泵壓為1～2 MPa。制冷泥漿配方為:3%PVA（聚乙烯醇）+0.1875%PAC-141（聚丙烯酸多聚物）+0.075%Na-CMC（高粘鈉羧甲基纖維素）+KCl（10%）。

5 鉆頭使用情況

5.1 平均機械鉆速

各鉆頭平均機械鉆速見表2和圖4。

表2 鉆頭使用情況對比

圖4 鉆速柱狀對比圖

由表2和圖4可以看出仿生1、普通1與普通2鉆速接近，而普通2鉆速最低（1.11 m/h），仿生2鉆速最高（1.35 m/h），仿生2鉆頭鉆速比普通2鉆速高22%。

5.2 鉆頭壽命

各鉆頭壽命見表2和圖5。

圖5 鉆頭壽命柱狀對比圖

由表2和圖5可以看出，仿生1與普通1壽命接近，仿生2壽命最長（49.95 m），仿生2鉆頭壽命比普通1提高73%。

5.3 鉆頭使用效果分析

從以上鉆頭使用情況可以看出，仿生鉆頭在鉆進過程中具有更高的效率和更長的使用壽命，且效果顯著。經研究人員分析，仿生鉆頭高效碎巖及耐磨的原因如下:

（1）非光滑表面增加了鉆頭唇面的比壓;

（2）非光滑表面改善了鉆頭和巖石的冷卻條件;

（3）非光滑的凹坑可以使巖石產生應力集中現象，有利于碎巖;

（4）接觸摩擦力是體現鉆頭磨損程度的重要參數，鉆頭底唇面凹坑的存在使鉆頭與巖石的接觸摩擦力有了不同程度的減少［6］。

然而仿生1的壽命并不理想，平均機械鉆速也同普通鉆頭接近。分析發現仿生1鉆頭具有最高的回次鉆速（2.509 m/h），同時也有最低的回次鉆速（0.218 m/h），最高回次平均機械鉆速為最低回次平均機械鉆速的11.5倍。由于仿生1鉆頭有最高的回次平均機械鉆速，說明其鉆進能力很強，那么其具有最低回次平均機械鉆速的原因是除鉆頭之外的其他因素。

從鉆進地層情況（如表3所示）可以看出，巖層以砂巖和板巖為主，部分巖層夾石英。現場鉆進366.5～366.7 m層段時，鉆進0.2 m卻耗時55 min，鉆速僅為0.218 m/h。取出巖心如圖6所示，此地層為夾石英脈的致密砂巖，屬于堅硬致密弱研磨性巖層，又稱“打滑”地層，在這類巖層進行金剛石鉆進時經常出現金剛石鉆頭打滑現象，致使鉆進效率低，或根本不進尺。這應該是同一個鉆頭在不同回次鉆進速度卻相差10倍的原因。目前，解決鉆進時鉆頭“打滑”問題的方法主要有:打磨法、噴砂法、唇面酸蝕法、孔底投砂研磨法、采用軟胎體鉆頭、制造各種異形唇面鉆頭（如高低刃及同心圓尖齒唇面鉆頭）、使用弱包鑲金剛石鉆頭等［7，8］。

限于現場施工條件，技術人員采用將鉆頭切掉一部分齒的方法，其原理是通過減少鉆頭底唇面的總面積增加比壓，有利于鉆頭的銳化。因為當孕鑲金剛石鉆頭底唇面的比壓很低時，無論非光滑的還是平底的金剛石鉆頭都不進尺或進尺緩慢，只有當比壓達到某一值時，才能取得理想的碎巖效果。

表3 地層條件

圖6 所取巖心

采取將鉆頭切掉一部分齒的措施之后，鉆進效率明顯提高，后兩個回次的平均機械鉆速分別為0.739、1.384 m/h。這種方法僅僅是施工現場臨時采取的措施，加速了鉆頭的磨損，導致仿生1鉆頭的壽命較低。其原因是敲齒后影響了鉆頭的平衡，使鉆頭在回轉過程中，底唇面磨損不均勻，鉆頭的壽命大大降低。使用后鉆頭如圖7所示。

圖7 使用后鉆頭

通過以上分析可知，仿生1鉆頭使用效果不理想是由地層原因造成的。仿生鉆頭在漠河使用效果不明顯的原因還有，仿生鉆頭非光滑表面能改善鉆頭和巖石的冷卻條件。而由于漠河地區水合物勘探的特殊取心需求，吉林大學研制的泥漿強制冷卻系統將鉆井液按照要求穩定在0℃左右，從而使仿生鉆頭在改善冷卻條件方面的優勢并沒有顯示出來。

6 結論與建議

試驗已證實仿生孕鑲金剛石鉆頭能提高鉆頭的碎巖效率和使用壽命。針對漠河地區地層特點，通過采用降低胎體硬度和耐磨性以及不同金剛石粒度混鑲的方法設計出的仿生孕鑲金剛石鉆頭在鉆進堅硬“打滑”地層時效果并不十分理想，同樣出現了鉆進效率低下的情況。通過現場將鉆頭切掉一部分齒的處理，鉆進效率有了一定的提高，卻也同時降低了鉆頭的壽命。因此，為滿足今后漠河地區水合物勘探的需求，應當對仿生孕鑲金剛石鉆頭進行再次優化和改進，綜合采用解決鉆進時鉆頭打滑問題的方法，以設計出適合漠河地區地層的最優鉆頭。

研究一個鉆頭時需要綜合分析其性能，不單單只考慮其鉆速和壽命，因為鉆進效率不僅與鉆頭本身有關，同時也和所鉆的巖層有關。最高回次平均機械鉆速描述了一個鉆頭在所鉆地層的最高鉆進速度，能更為真實地反映鉆頭的實際鉆進能力。若最低回次平均機械鉆速與最高回次平均機械鉆速相差太大，則說明鉆頭遇到了特殊地層，有助于發現情況并采取措施。最高回次平均機械鉆速與最低回次平均機械鉆速這2個參數的提出，為今后漠河試驗評價鉆頭性能提供了方向。

［1］ 祝有海，趙省民.中國凍土區天然氣水合物的找礦選區及其資源潛力［J］.天然氣工業，2011，31（1）:13-19.

［2］ 王云鵬，任露泉，楊曉東，等.仿生柔性非光滑表面的結構優化設計［J］.農業工程學報，1999，15（1）:33-35.

［3］ 孫友宏，徐良，趙樂濤，等.JBD-75S仿生非光滑繩索取心金剛石鉆頭的研制［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2007，34（S1）:291-294.

［4］ 孫秀梅，劉建福.堅硬“打滑”地層孕鑲金剛石鉆頭設計與選用［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（2）:75-78.

［5］ 方嘯虎.超硬材料科學與技術（下卷）［M］.北京:中國建材工業出版社，1998.80-81.

［6］ 徐良，孫友宏，高科.仿生孕鑲金剛石鉆頭高效碎巖機理［J］.吉林大學學報（地球科學版），2008，38（6）:1015-1019.

［7］ 張麗，楊凱華.金剛石鉆頭鉆進堅硬致密弱研磨性巖層的研究現狀與進展［J］.金剛石磨料與磨具工程，2003，（1）:30-32.

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Application of Bionic Impregnated Diamond Bit for Natural Gas Hydrate Drilling in Mohe Frozen Soil Region

CAO Yu1，LIU Bao-chang1，2，JI Sheng-li1，LI Shou-sheng3，LI Xiao-yang1（1.College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun Jilin 130026，China;2.State Key Laboratory of Superhard Materials，Jilin University，Changchun Jilin 130012，China;3.Yellow River Engineering Consulting Co.，Ltd.，Luoyang Henan 471002，China）

Bionic impregnated diamond bit has the characteristics of high efficiency and wear resistance，which meets the requirements of the exploration of natural gas hydrate and the conditions of the construction site in Mohe.This paper introduces the design and manufacturing of bionic impregnated diamond bit suitable to the characteristics of Mohe formation.The paper analyzes the drilling conditions of nonideal bit and puts forward the comprehensive analysis for evaluation of bit performance to objectively and truly reflect the actual bit drilling capacity.The drilling results of MK-2 scientific drilling test well of Mohe natural gas hydrate indicate that the service life and the drilling speed of bionic impregnated diamond bits are 73%longer and 22%higher than ordinary diamond impregnated diamond bits.

natural gas hydrate;bionic;impregnated bionic diamond bit;high efficiency;wear resistance;Mohe

P634.4+1

A

1672-7428（2012）07-0077-05

2012-03-16;

2012-04-02

中國地質調查局項目（GZHL20110320;GZHL20110326）

曹宇（1988-），男（漢族），四川綿竹人，吉林大學碩士研究生在讀，地質工程專業，主要從事鉆探工具及工藝方面的研究工作，吉林省長春市吉林大學前衛北區 3 舍 409，yucao10@mails.jlu.edu.cn。