多級(jí)金剛石表孕鑲鉆頭在堅(jiān)硬巖屑砂泥巖互層的應(yīng)用研究

沈立娜， 張 宜， 郭慶斌， 阮海龍， 吳海霞， 李 春

(1.北京探礦工程研究所，北京 100083； 2.建材成都地質(zhì)工程勘察院，四川 成都 610052; 3.山西省地質(zhì)勘查局二一二地質(zhì)隊(duì)，山西 長(zhǎng)治 046000)

彈塑性砂泥巖互層是煤系地層、頁(yè)巖氣地層普遍存在的一種常見(jiàn)地層。對(duì)于軟-中硬的彈塑性粉砂、泥巖地層，通常采用尖齒切削齒復(fù)合片鉆頭或者三角聚晶巴拉斯鉆頭能夠發(fā)揮良好的鉆進(jìn)效果[1-3]。然而，對(duì)于某些煤系地層中的堅(jiān)硬巖屑砂泥巖互層，泥巖堅(jiān)硬且具有一定彈塑性，砂巖含粗中粒結(jié)核且本身比較硬，對(duì)于這種地層，使用普通孕鑲金剛石鉆頭，鉆進(jìn)效率低下；使用尖齒切削齒鉆頭或三角聚晶鉆頭會(huì)導(dǎo)致尖齒復(fù)合片及三角聚晶尖端部位頻繁崩齒，即使在尖齒復(fù)合片尖角部位留有一定寬度的過(guò)渡(鈍尖齒鉆頭)[1]，崩齒現(xiàn)象仍然存在，鉆頭壽命受到嚴(yán)重影響。隨著國(guó)內(nèi)人造金剛石制造技術(shù)的提高，大顆粒人造金剛石的強(qiáng)度得到進(jìn)一步提高，同時(shí)其成本的降低，使得大顆粒金剛石為地質(zhì)鉆探金剛石鉆頭的制造和應(yīng)用提供了更加廣闊的空間。本文就是從多級(jí)大顆粒金剛石設(shè)計(jì)角度出發(fā)，針對(duì)堅(jiān)硬巖屑砂泥巖互層研制了多級(jí)金剛石表孕鑲鉆頭，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，效果十分顯著，得到了使用方的認(rèn)可。

1 鉆孔概況及鉆進(jìn)難點(diǎn)分析

1.1 鉆孔信息

ZK-1號(hào)孔位于山西省晉城市陽(yáng)城縣嘉豐鎮(zhèn)李家溝村，勘探15號(hào)煤層，要穿過(guò)3號(hào)煤采空區(qū)，孔深約300 m。ZK-2號(hào)孔屬山西省霍西煤田霍西區(qū)煤層氣、頁(yè)巖氣預(yù)查鉆探工程，位于臨汾市襄汾縣鄧莊鎮(zhèn)魚(yú)池村東北，孔深設(shè)計(jì)1680 m，預(yù)計(jì)完孔深度1900 m，鉆頭試驗(yàn)孔深約1300～1400 m。

1.2 巖石特點(diǎn)及鉆進(jìn)難點(diǎn)分析

由圖1、圖2可見(jiàn)，ZK-1鉆孔內(nèi)巖石相對(duì)較軟，使用常規(guī)孕鑲鉆頭，可以鉆進(jìn)，但很難超過(guò)1 m/h，且壽命僅有40 m左右。ZK-2鉆孔巖石多含硬質(zhì)結(jié)核，觀察常規(guī)孕鑲鉆頭表面，可見(jiàn)唇面拋光跡象明顯，其實(shí)際鉆進(jìn)僅有0.2 m/h的鉆進(jìn)速度，有時(shí)甚至更低，給施工效率帶來(lái)極大影響。而采用以往研制的尖齒切削齒復(fù)合片鉆頭，鉆頭容易出現(xiàn)崩齒，壽命受到嚴(yán)重影響。

圖1 ZK-1孔巖樣和普通鉆頭出井照片

圖2 ZK-2孔巖樣和普通鉆頭出井照片

在臨汾ZK-2鉆孔1230～1280 m孔深取樣進(jìn)行巖石鑒定，共計(jì)鑒定4塊巖樣。巖石鑒定結(jié)果分別為：凝灰質(zhì)中粒長(zhǎng)石巖屑砂巖、凝灰質(zhì)粗中粒長(zhǎng)石巖屑砂巖、紅褐色泥質(zhì)粉砂巖、絹云變質(zhì)含粉砂質(zhì)泥巖，碎屑組分主要由巖屑、長(zhǎng)石和石英砂或粘土礦物等組成，具粗、中粒、粉砂等結(jié)構(gòu)，圖3為其中的一塊巖樣正交偏光照片。

依據(jù)巖石礦物組成和組構(gòu)特征，結(jié)合標(biāo)本觀察，可知該孔段砂泥巖互層多變，且粒徑多變。由于砂巖粒徑多呈中粗結(jié)構(gòu)且含有部分硬質(zhì)結(jié)核，導(dǎo)致尖齒復(fù)合片鉆頭的尖齒端崩齒，進(jìn)而吃入切削困難；而采用普通孕鑲鉆頭對(duì)于具有彈塑性致密結(jié)構(gòu)的粉砂巖或泥巖，其金剛石顆粒太小導(dǎo)致出刃困難，容易拋光糊鉆(見(jiàn)圖2)，因此鉆進(jìn)效率低下。

2 鉆頭設(shè)計(jì)方案

2.1 鉆頭類型的確定

由于復(fù)合片鉆頭崩齒嚴(yán)重，即使采用具有一定弧度的鈍尖齒仍然難以解決問(wèn)題，因此采用孕鑲金剛石鉆頭作為鉆頭基本選型方向。

2.2 金剛石參數(shù)的選擇及設(shè)計(jì)

圖3 ZK-2孔部分巖石正交偏光照片

2.2.1 金剛石粒度的設(shè)計(jì)

為了探究金剛石對(duì)巖石的壓入機(jī)理，利用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了壓入試驗(yàn)及壓力、變形量等的數(shù)值采集。通過(guò)體視顯微鏡(Stemi DV4)進(jìn)行金剛石篩選以及后期巖石、金剛石的破碎狀態(tài)觀察。試驗(yàn)壓頭工裝為一個(gè)中間鑲有金剛石復(fù)合片的圓柱壓頭，壓入巖石全過(guò)程如圖4所示。分別選用粒度為 18/20、20/25、35/40目的晶型完整、無(wú)雜質(zhì)的金剛石，壓入4種硬度不同的巖石以進(jìn)行對(duì)比，分別為泥巖、粉砂巖、石英巖、流紋巖(4種巖石的力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1)。

圖4 金剛石壓入巖石全過(guò)程示意圖

巖樣編號(hào)巖石名稱巖石壓入硬度/(kg·mm-2)巖樣簡(jiǎn)稱XJZGE2黑灰色含粉砂質(zhì)泥巖22泥巖 SCLS1石英粉砂巖35粉砂巖HeNHYG1石英巖42石英巖FJPK1流紋巖60流紋巖

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論何種目數(shù)的金剛石壓入這4種巖石的任何一種，均存在至少2次的破碎變形(即圖5中所示的波峰)。

圖5 3種金剛石壓入粉砂巖力值-變形曲線

我們提取首次破碎力值，得到首次破碎試驗(yàn)力與金剛石目數(shù)的關(guān)系曲線如圖6所示。

由圖6可以看出，隨著金剛石粒度的減小，首次破碎試驗(yàn)力值逐漸減小，且金剛石粒徑越小，首次破碎力值越接近。巖石硬度越大，金剛石粒度對(duì)首次破碎力的影響越大，因此，對(duì)于硬巖，如流紋巖，宜選用顆粒較小的金剛石，從而獲得更優(yōu)鉆進(jìn)比壓。而對(duì)于較軟巖石，金剛石目數(shù)對(duì)首次破碎力的影響較小。

圖6 不同金剛石壓入巖石首次破碎試驗(yàn)力值變化曲線

此外，由圖7可以觀察到粒徑越大的金剛石在完全壓入泥巖后的破碎范圍越大，其中18/20的破碎面積約是35/40的3倍。推測(cè)金剛石壓入泥巖的首次破碎范圍也有同樣規(guī)律。而20/25金剛石壓入泥巖的首次破碎力約為35/40的1.5倍，因此，當(dāng)鉆進(jìn)較軟巖層時(shí)，宜選用較大顆粒的金剛石鉆頭。

由于孕鑲金剛石鉆頭主要切削齒多為30目以細(xì)的金剛石[4-5]，金剛石顆粒細(xì)小，壓入地層深度小是鉆進(jìn)效率低下的主要原因之一。但如果全部選用大顆粒金剛石會(huì)一定程度影響胎體料的包鑲強(qiáng)度和鉆頭的切削覆蓋率，因此，采用了多級(jí)金剛石表孕鑲結(jié)構(gòu)，即選用了多種目數(shù)金剛石。

圖7 32×顯微鏡下金剛石壓入泥巖破碎情況

如圖8所示，將14/16目大顆粒金剛石分3層布于鉆頭胎塊唇面及鉆頭胎塊內(nèi)部，其余空間為混入另外大小不等的三級(jí)目數(shù)(20/25、25/30、30/35)金剛石孕鑲胎體料。

2.2.2 金剛石濃度的設(shè)計(jì)

表2為孕鑲金剛石鉆頭在不同巖層推薦的金剛石濃度值，可見(jiàn)在中硬巖層推薦的濃度為75%，考慮到我們應(yīng)用的多層大顆粒及多級(jí)孕鑲，且鉆進(jìn)的是砂泥巖互層，金剛石濃度取60%～70%之間。

2.3 鉆頭唇面及水路設(shè)計(jì)

鉆頭的水口和水槽要合理設(shè)計(jì)，以達(dá)到更好地沖洗巖屑和冷卻胎體的目的。水口的面積要大于鉆頭與巖心之間或者鉆頭與井壁環(huán)狀間隙的面積。

為了避免鉆進(jìn)時(shí)巖粉排出不及時(shí)，滯留在孔底并附著在金剛石上形成“泥包”，堵塞水口，影響后期的鉆進(jìn)效率，所以鉆頭的水路設(shè)計(jì)較常規(guī)孕鑲鉆頭水路需更寬一些。

2.4 鉆頭的制造工藝

鉆頭胎塊通過(guò)低溫?zé)釅簾Y(jié)成型，盡量降低對(duì)金剛石的熱損傷，熱壓成型的胎塊采用高頻焊接，與經(jīng)過(guò)熱處理的合金鋼進(jìn)行二次焊接，最終成品如圖9所示。

圖9 多級(jí)金剛石表孕鑲鉆頭使用前后圖片

3 鉆頭的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

表3為ZK-1孔鉆頭現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 ZK-1鉆孔鉆頭使用情況統(tǒng)計(jì)

由表3數(shù)據(jù)可知，在ZK-1鉆孔，采用尖齒(鈍切齒)復(fù)合片鉆頭出現(xiàn)鉆頭崩齒(圖10)，而多級(jí)金剛石表孕鑲鉆頭機(jī)械鉆速和鉆頭壽命明顯得到提高。在砂巖地層，機(jī)械鉆速可達(dá)3 m/h，在泥巖地層，機(jī)械鉆速可達(dá)2.1 m/h，鉆頭平均壽命130 m，同比其他廠家鉆頭，鉆頭時(shí)效高，壽命長(zhǎng)。

圖10 ZK-1孔現(xiàn)場(chǎng)鉆頭及巖樣圖片

在臨汾ZK-2鉆孔，砂泥巖互層頻繁，地層更加堅(jiān)硬，且地層含硬質(zhì)結(jié)核，常規(guī)孕鑲鉆頭幾乎沒(méi)有進(jìn)尺，采用多級(jí)金剛石表孕鑲鉆頭鉆進(jìn)(圖9)，具體鉆進(jìn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 ZK-2鉆孔鉆頭使用情況統(tǒng)計(jì)

由表4可知，臨汾ZK-2鉆孔采用多級(jí)金剛石表孕鑲鉆頭鉆進(jìn)后，機(jī)械鉆速雖然僅有0.5 m/h，但較其他廠家常規(guī)孕鑲鉆頭已有明顯提高。鉆頭從1285.16 m鉆進(jìn)至1299.96 m，之后又從1313.6 m鉆進(jìn)至 1413.95 m，累計(jì)進(jìn)尺115.09 m，出井新度仍達(dá)75%，預(yù)估壽命可超250 m，得到了施工方的一致認(rèn)可。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于堅(jiān)硬巖屑砂泥巖互層，尖齒復(fù)合片鉆頭極易出現(xiàn)崩齒現(xiàn)象；

(2)通過(guò)多級(jí)金剛石設(shè)計(jì)金剛石鉆頭能夠大幅提高鉆進(jìn)較堅(jiān)硬砂泥巖互層的機(jī)械鉆速，并且具有較高的工作壽命。