对于坚硬且复杂的地层来说, 深部钻探钻头钻进的难度较大, 而对钻头更换必须要将全部钻具提起, 大大浪费了钻探时间与成本。要想将金刚石钻头使用寿命提高, 有着多种途径, 通常可以从超硬材料及钻头结构着手, 也可以采用孔底换钻技术或者对工艺改造, 下面对具体措施进行分析。
1. 使用新型超硬材料
当前, 对于超硬材料的研究国内外取得了诸多成果, 下面介绍一种国外研制的新型超硬材料金刚石钻头, 作为一种金刚石聚晶耐温材料AKTM, 使用到碳化纳米粉料, 聚晶材料强度之所以较高, 就是因为高压做与功能下塑性变形发生时, 碳-硅间会发生相互作用, 这种作用存在于晶体间隙中, 附加交连由此产生于金刚石与碳化物之间。镶嵌不同直径的AKTM钻头, 并进行试验, 下面对试验过程简要介绍:
采用直接梯形作为胎体扇形块的整体样式, 相互错开扇形块的锐角, 钻进过程中, 不完全接触孔底对于胎体扇形快来说, 目的是有效散热。为保证钻进过程中足够稳定, 钻头端部呈V字形。AKTM镶嵌在各扇形快端面中, 可以做到不改变胎体的楔形形态, 在钻进时。在X级花岗岩岩块中进行试验, 结果显示, 钻进规程相同的情况下, 试验钻头的磨损强度比常规钻头低很多, 说明有着更强的耐磨性。两个钻头一同钻进一段时间后, 开始降低机械钻速, 常规钻头下降速度明显比试验钻头块, 机械钻速与轴向载荷有关, 轴向载荷越大, 机械钻速下降就会越快, 因为轴向载荷被AKTM镶嵌体承担了一部分, 使得试验钻头不会过快下降, 保持上时间的稳定。
对4种试验钻头进行试验, 分别为镶嵌φ1.3mm、φ1.3mm、φ1.9mm的试验钻头, 生产试验条件为:X-XI级裂隙性岩石, 包含石英岩、硅酸石英岩、花岗岩麻岩等多种岩石类型;钻进规程:320~450r/min的转速, 15~20k N的轴向载荷, 20~35L/min的泵量。试验结果显示, 机械转速与进尺上, BC02常规钻头明显不足于含AKTM试验钻头。结果还显示, 使用寿命最高的是镶嵌φ1.9mmAKTM镶嵌体的钻头, 平均转速最高, 进尺最长。
2. 研制双层水口超高胎体金刚石
实践显示, 在VIII-IX级的二长花岗岩层中使用常规金刚石钻头进行钻探, 工作寿命为20~40m。而采用双层水口超高胎体金刚石钻头, 使用寿命大大延长, 即80~100m, 并且起下钻次数与间隔少, 大大提高了钻探效率。双层水口钻头在第一层水口即将磨完时, 水流会全部集中到第二层水口, 此时钻速降低, 平均机械钻速据监测显示为1.5m/h。当磨损到第二层水口与孔底完全接触后, 开始降低泵压, 增加了机械转速。由此, 提高对双层水口磨损过渡期的重视很有必要, 以最大限度的避免磨损事故发生。有曲线显示, 为了在深孔钻进过程中, 各项操作能够安全进行, 就必须明确钻头过渡期可能会出现的情况, 一般分为两种情况。一种是第一层水即将磨完以后, 孔底难以顺畅将岩粉排除, 降低钻头唇面排粉与冷却效果;另一种是矩形双层水口处交错排列下会集中温度应力, 会出现明显的裂纹在与第二层水口对应处, 此时如果强行钻进会出现卡钻、烧钻等危险状况。
在双层水口间磨损过渡期, 孔底延续时间越长越不利于保持胎体稳定的磨损状态, 为此, 必须缩短孔底延续时间, 保持稳定磨损状态对于胎体, 还要优化金刚石钻头结构。具体措施如下: (1) 可以应用柔软的胎体配方, 在水层水口过渡层中, 同时对于二层水口的重叠高度适当增加, 通过这种方式, 当即将磨完第一层水口时, 会加快胎体的磨损速度, 从而使钻头快速投入到第二层水口磨损中, 减少恶性事故发生。 (2) 也可以从结构上进行改进, 比如, 设计为圆弧形将第二层水口下端形状, 可防止第一层水口末端胎体中心发生裂缝或者脱落。 (3) 借鉴国外的方法, 胎体扇形中央加设超硬材料镶嵌体在第一层与第二层水口处, 从而将钻头工作寿命进一步提高。
此次研究, 取得了以下结论: (1) 含AKTM试验钻头各项指标明显优于BC02常规钻头, 镶嵌1.9mm AKTM镶嵌体的钻头, 平均转速最高, 进尺最长, 使用寿命最长。 (2) 对于面临的深孔绳索取心硬岩钻进问题, 解决的有效方法是采用双层水口超高胎体金刚石钻头, 是常规钻头的1倍, 对于使用寿命来说。 (3) 结合以上两种措施, 即使用金刚石聚晶, 使用方法是将其镶嵌在双层水口金刚石钻头胎体中, 可以将钻头使用寿命进一步增强, 也是一种非常有效的方法。
结束语
当前, 将深孔硬岩钻进过程中, 将金刚石钻头使用寿命提高最为有效的途径是使用镶嵌新型超硬材料、改进钻头结构、使用孔底换钻技术。其中, 钻头改进与新型超硬材料使用较为成熟, 而孔底换钻头有着复杂操作, 并且面临诸多技术难题, 仍需要不断探索与完善。我国在提高金刚石钻头使用寿命上, 尤其是在深孔硬岩钻进中提高钻头使用寿命及使用安全性仍与国外存在很多科研方面的差距, 需要不断从理论及实践两方面进行推进, 多学习借鉴国外的相关经验成果, 对现有的技术进行改进与完善, 以进一步提高金刚石钻头的使用寿命。
摘要：我国很多地区矿产资源丰富, 为进一步加深矿产资源的开采提供了可能, 更促使深部矿产勘查工作如火如荼开展。各项研究及实践均表示, 深孔钻探最佳工艺是金刚石绳索取芯钻进工艺, 不仅可以将下钻频率减少、节省成本, 还能将钻速提升。但是当前面临金刚石钻头使用寿命低的问题, 尤其是面对复杂坚硬的地层, 会进一步降低金刚石钻头使用寿命。本文将就如何在深孔硬岩钻进中提高金刚石钻头使用寿命提出几点措施, 以为相关部门提供一些借鉴。
关键词：金刚石钻头,深孔硬岩,使用寿命
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