针对金刚石钻头的岩石研磨性测定方法

针对金刚石钻头的岩石研磨性测定方法

郭勇 1,2,3

（ 1. 核工业二三〇研究所，湖南 长沙 410007；

2. 中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083；

3.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室（中南大学））

摘要：金刚石钻头研磨碎岩过程中岩石研磨性对钻头的磨损有着重要的影响，但至今未形成普遍认可的超硬岩钻井地层岩石研磨性的测定方法和分级指标，严重制约了金刚石钻头的发展和超硬岩钻井技术水平的提高。目前国内外学者通常采用铣磨法研究岩石的研磨性，以金属材料作为磨损件，但是磨损件在岩石表面做摩擦运动，不能反映实钻工况和钻头的动态碎岩过程，同时金属试件容易产生黏连现象，在硬岩石表面打滑，金属试件的磨损不能反映金刚石钻头的磨损实质。笔者针对超硬岩钻井地层的特点，结合金刚石钻头的磨损机制，通过试验研究，形成一套适合超硬岩钻井行业的岩石研磨性测定方法，为新型碎岩工具的优化设计及合理使用提供科学依据和方法。

关键词：金刚石钻头;岩石研磨性;测定方法;标准磨损件

基金资助： 中国核工业地质局铀矿地质生产中科研项目“热液型铀矿钻探施工提速增效工艺研究”（编号：2020-35-11）

引言

在进行深井乃至超深井作业过程中，钻头的碎岩机理主要是由钻头对岩层进行冲击研磨。在实际的钻井过程中，钻头的主要失效是由于钻头前端与岩石接触磨损所造成的。目前，在钻井现场判断钻头是否失效以及决定是否更换钻头没有明确的指导，不能准确预测钻头寿命，现有的研究研磨性的实验大部分是针对岩石的研磨性来进行的，利用微型钻头对岩石研磨性进行研究。使用了先进的激光测温等测试技术，实现了牙轮、PDC、研磨环等不同形状、不同硬度对岩石的研磨性测试，大部分是现代化仪器，数据准确，安全。而针对室内研磨性的测定方法，现场研磨性系数的计算，一般是通过实验得出实验数据，然后再计算研磨性系数，但这种方法的局限性太大，只适用于几种钻头，适应性不强，不能得到广泛使用，所以设计出测试钻头研磨性的装置还是很有必要的。改造现有的实验装置是一种切实有效的方法，考虑到部分实验装置结构过于复杂,操作不方便，成本较高的问题。设计出了简易能够评价钻头研磨性实验装置的结构，模拟钻井过程进行室内模拟实验，可直观观察模拟钻头的磨损情况，还可大大节约经济成本，使其能够实现对钻压、钻速等指标的测试，因实际钻头的磨损量观察起来比较困难，而钻头的硬度是一个非常重要的实验参数，所以此装置具体通过使用不同硬度材质的金属式样与实际岩样在类似实际工况下进行研磨实验。

1室内岩石研磨性测定方法简述

关于研究岩石的研磨性，诸多学者提出了各种方法不同、机理也不尽相同的测定方法。下面将室内岩石研磨性测定方法进行简单的归类，主要分为以下两类：1）标准件测定法在压力、岩样移动速度、介质条件一定的情况下，用钻磨、铣磨或者其它方法将岩石与标准件摩擦。经过一定时间或者一段路程后测定标淮件磨损重量或磨损体积体积，以此重量或体积来表征岩石的研磨性（如Cerchar岩石研磨性测定方法）。一般情况下常用的标准件有钢杆、铜针、硬质合金片、金刚石孕镶块等等。此方法的优点是测试条件稳定，操作相对简便，能够很好的实现组内岩石数据的对比，由于无需考虑实际的钻进参数的影响，反而能够较好地体现岩石微观组成对研磨性系数的影响。此类方法可以很好的研究岩石内部因素对研磨性的影响，但是不能够很好的和钻进参数相结合，适用于研究岩石对研磨性系数的影响，但不能很好的结合现场实际需求来指导现场。2）微钻测定法是指用室内小型设备和小尺寸钻头进行模拟钻进实验，钻头结构、试验材料及钻进规程等参数都模拟实钻情况。以破碎单位体积岩石后微型钻头或胎体磨损高度、磨损重量等来表征岩石的研磨性，这种方法的优点是能够很好地控制钻进规程参数，试验条件比较稳定；缺点是微钻并不能做到完全的模拟，微钻的钻进条件与实际钻进时的情况总会存在一定的差别，但是相较于标准件测定法，与现场结合的效果明显要好。通过对上述两种方法的分析不难发现，真正意义上客观准确的岩石研磨性系数测定方法应符合如下条件：（1）试验设备简单，操作方便，同时保证在相同的条件下反复实验；（2）试验方法能够较好地反映钻头磨损机理；（3）技术条件相对稳定，所需考虑到的实验参数与钻头实际工作参数较为接近；（4）试验岩样制作简便，最好直接利用钻探岩心。岩石表面平整光滑以保证实验时钻进工具与岩石新鲜的表面不断的相互摩擦；由于标准件测定法没有钻进深度，无法反映具有特殊结构外形的钻头与岩石的研磨特征，也无法与现场实钻很好的结合起来，指导现场工作，但由于其可以较好的专注于考量岩石内部微观组成对研磨性的影响，因而可以用来针对性的分析岩石的内部组成对研磨性系数的影响，因而本文将选用CAI岩石研磨性测定方法来分析微观组成对研磨性的影响。

2针对金刚石钻头的岩石研磨性测定方法

2.1标准磨损件结构设计

借鉴金刚石钻头的结构特征，标准磨损件设计为微型取心钻头结构，由研磨部件和钢体支撑部件组成。为了保证研磨部件的强度，试件唇面厚度设计为5mm，研磨部件高度设计为5mm;为了充分冷却试件及清洗岩屑，水槽宽度设计为5mm，研磨部件和钢体支撑部件内外各设1mm间隙。设计的标准磨损件应当具备以下两个特点:一是在试验规程下能够有效地钻进岩石;二是有明显的被磨损效果，这不同于现场钻头追求的高碎岩效率和长使用寿命特点。金刚石钻头主要由金刚石磨削材料和碳化钨胎体材料组成。本试验设计的标准磨损件以金刚石作为磨削元件，金刚石具有极高的硬度，能够提高试件研磨钻进岩石的能力;以酚醛树脂代替碳化钨作为胎体材料，酚醛树脂具有良好的耐高温性，可以降低试件的硬度，提高试件的易磨损性能。标准磨损件钻进岩石过程中，研磨部件中的金刚石在钻压和扭矩作用下研磨破碎岩石。当磨钝的金刚石颗粒脱落后，支撑该部分金刚石的胎体材料磨损剥落，促使镶嵌在胎体中的新金刚石不断出露，既可以保证金刚石有效出露，又能够避免胎体磨损过快导致金刚石过早脱落，如此循环，标准磨损件不断研磨钻进岩石，同时自身产生磨损量，很好地反映了钻井过程中金刚石钻头的磨损实质。

2.2岩样夹持升降装置

第一层为岩样放置板，采用四个夹板来夹持岩样，四个角上的孔与立柱间隙配合，以保证压力全部传给传感器；第二层为传感器放置板；第三层为底板，用来与钻床操作平面衔接，并固定四根立柱。

结语

(1)标准磨损件为微型取心钻头结构，由研磨部件和钢体连接部件组成，研磨部件以体积分数为25%、粒度为0.3mm的金刚石为磨削元件，以酚醛树脂55%、Cu25%、Cr2O38%、ZnO6%、SiC5%、空隙1%(体积分数)为胎体配方，标准试件的磨损能够反映金刚石钻头的磨损实质。(2)优选试验钻压为500N，转速为198r/min，排量为0.2L/s，该试验规程反映了实钻的工况条件，能够保证标准试件有效地研磨钻进不同硬度的岩石，并且处于正常的研磨状态。(3)以标准试件研磨破碎单位体积岩石的磨损体积作为衡量岩石研磨性的指标，对于超硬岩钻井地层代表性岩石，研磨性指标取值为0.80～45.78，取以2为底的对数值作为研磨性级值，将地层岩石的研磨性分为6级。(4)形成了一套超硬岩钻井地层岩石研磨性的测定方法，能够模拟金刚石钻头的动态碎岩过程，试验操作简单方便，技术条件稳定。

参考文献

［1］王家骏，邹德永，杨光，等．PDC切削齿与岩石相互作用模型［J］．中国石油大学学报(自然科学版)，2014，38(4):104-109．

［2］李玮，李亚楠，陈世春，等．井底牙轮钻头的钻速方程及现场应用［J］．中国石油大学学报(自然科学版)，2013，37(3):74-77．