堅硬地層NBS高效孕鑲金剛石鉆頭的研究與應(yīng)用

沈立娜， 路 杙， 尹建民， 阮海龍， 吳海霞， 李 春

(1.北京探礦工程研究所，北京 100083； 2.中國人民解放軍96657部隊，北京 100011； 3.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局二〇七地質(zhì)隊，四川 樂山 614000)

堅硬地層NBS高效孕鑲金剛石鉆頭的研究與應(yīng)用

沈立娜1， 路 杙2， 尹建民3， 阮海龍1， 吳海霞1， 李 春1

(1.北京探礦工程研究所，北京 100083； 2.中國人民解放軍96657部隊，北京 100011； 3.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局二〇七地質(zhì)隊，四川 樂山 614000)

介紹了一種NBS高效孕鑲金剛石鉆頭，該類型鉆頭通過向胎體配方引入一種NBS材料，該材料與胎體結(jié)合強度強，晶型銳利，室內(nèi)微鉆試驗及野外試驗結(jié)果顯示，該類型鉆頭可大幅提高鉆進中弱風(fēng)化堅硬巖石的鉆進效率，且鉆頭壽命較以往技術(shù)有很大提高。

NBS；金剛石鉆頭；高效孕鑲鉆頭；機械鉆速；堅硬地層

0 引言

隨著地質(zhì)勘探向非常規(guī)能源、地?zé)豳Y源勘采方向發(fā)展，鉆探施工中孕鑲金剛石鉆頭正發(fā)揮著越來越大的作用。雖然目前我國鉆井技術(shù)已經(jīng)較為成熟，然而由于近兩年鉆探任務(wù)的縮減、對鉆孔質(zhì)量的嚴(yán)格要求以及所鉆遇的地層復(fù)雜性越來越大，導(dǎo)致對金剛石鉆頭提出來更高的要求。以鉆遇地?zé)峋确浅Ｒ?guī)能源勘探井為例，由于地層溫度高，巖石二次重結(jié)晶構(gòu)造較多，常常鉆遇隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)的堅硬巖石，這類巖石顆粒細(xì)小，硬度大，膠結(jié)強度高，研磨性弱，在鉆探領(lǐng)域稱之為堅硬致密“打滑”地層[1-3,7-8]。

堅硬致密“打滑”巖層一直是鉆探中遇到的一大技術(shù)難題，金剛石鉆頭在該類地層鉆進時，胎體磨耗量低，金剛石不易出刃。然而，近兩年國內(nèi)技術(shù)人員、相關(guān)學(xué)者投入了大量的時間、人力和物力，中南大學(xué)的張紹和教授研究了弱包鑲金剛石鉆頭[1]，其是指在金剛石顆粒表面涂覆一層具有一定化學(xué)穩(wěn)定性的薄膜層，從而減弱胎體對金剛石的包鑲，達到金剛石在磨光后提前脫落的作用；采用主輔磨料金剛石鉆頭，可使得高品級和低強度金剛石或磨料相互補強，達到提高鉆進時效的目的[2]，這種方法具有一定效果，但由于輔磨料是弱強度顆粒實體添加，在實際鉆進過程中并不能全部脫落形成微坑，大多擠壓破碎后仍留在胎體凹坑內(nèi)部，影響鉆頭的出刃效果。龐豐等[3]研究了造孔劑對鉆頭的性能影響，研究表明胎體中加入造孔劑可增強胎體底唇面的粗糙度，促進鉆頭出刃。北京探礦工程研究所技術(shù)人員研制出一種自銳金剛石鉆頭[4]，通過在胎體內(nèi)添加一種自銳材料，鉆進時可預(yù)先形成微坑，提高鉆頭底唇面的粗糙程度；此外，技術(shù)人員還研制了自出刃多孔胎體鉆頭[5]，與龐豐等研究學(xué)者思路類似，然而添加方式有所不同，通過在胎體內(nèi)預(yù)制合理的孔隙結(jié)構(gòu)來改善鉆頭表面的拋光狀態(tài)，并研究了孔隙大小和形狀對胎體性能的影響，這種方式的確可以提高機械鉆速，但孔隙的存在占據(jù)了胎體的工作層體積，從而導(dǎo)致鉆頭壽命受到一定程度的影響。

由此可見，國內(nèi)研究人員通過各種創(chuàng)新型研究，取得了比較顯著的效果，然而鉆頭壽命一直不甚理想。

本文提出一種NBS孕鑲金剛石鉆頭，通過將一定比例的NBS材料加入到胎體內(nèi)部，這種材料熱穩(wěn)定性很強，與胎體包鑲強度高，且具有同金剛石類似的切削能力，通過在其內(nèi)部預(yù)制微裂紋產(chǎn)生定向開裂，實現(xiàn)鈍角重新尖銳，提高了金剛石的自銳性能，有效改善金剛石鉆頭在鉆進致密“打滑”地層時鉆頭表面的拋光磨損狀態(tài)，從而可大幅提高鉆探效率。

1 新型NBS高效孕鑲金剛石鉆頭的設(shè)計

1.1 胎體材料

采用稀土添加超細(xì)晶預(yù)合金鐵基胎體粉末，該胎體粉末可在750 ℃進行低溫?zé)釅簾Y(jié)致密，從而降低對金剛石的熱損傷，保證金剛石切削性能。胎體表面硬度較低，但對金剛石包鑲強度高，金剛石不易脫落，有利于其快速切削且保證較長工作壽命[6]。

1.2 金剛石參數(shù)設(shè)計

巖石越堅硬致密，金剛石品級應(yīng)越高，考慮到作業(yè)成本，因此選用高品級晶型完整的人造金剛石；由于致密巖層的顆粒尺寸多為小于0.1 mm的造巖礦物，考慮到鉆進效率和切削能力，金剛石粒度選用35/40中粗目數(shù)與50/60進行混合，既能保證鉆頭的有效進尺，又能使鉆頭具有一定的壽命。

1.3 NBS材料特性

選用的NBS材料具備如下性能：(1)與鉆頭胎體結(jié)合強度高，不影響胎體的包鑲及胎體整體強度；(2)具備類似金剛石的切削磨損能力，抗壓強度較高，但晶型更加銳利，且破碎時多為剪切滑移破碎，因此鉆頭整體攻擊性更強；(3)如有必要，可通過特殊工藝對NBS或金剛石進行預(yù)處理，保證其內(nèi)部具有一定方向的微裂紋，從而實現(xiàn)磨平后的定向碎裂，保證自銳性。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 微鉆試驗結(jié)果與討論

室內(nèi)試驗的微鉆試驗設(shè)備由鉆進系統(tǒng)、恒壓恒速加載系統(tǒng)、數(shù)字化自動化控制測量記錄系統(tǒng)組成。轉(zhuǎn)速可實現(xiàn)0～2000 r/min，無級調(diào)速，試驗采用?30/18 mm微型取心鉆頭，巖石為可鉆性12級的燧石巖(礦物成分為：石英+玉髓共99.99%，微量鐵質(zhì))。

巖石的顆粒細(xì)小，硬度在長石及以上級別，因此在鉆進過程中，巖粉較細(xì)，胎體出刃困難。

為了與常規(guī)配方鉆頭進行對比，微鉆臺架試驗的設(shè)計配方如表1所示。

表1 微鉆試驗配方設(shè)計

R1配方為普通硬巖配方，R1-SYS為第一代自銳配方，R1-EQ為多孔胎體配方，R1-NBS為新型NBS高效孕鑲鉆頭。

設(shè)計每種配方鉆進巖石的工作量為500 mm，2種巖石分別得到表2試驗數(shù)據(jù)。

表2 燧石巖微鉆測試試驗結(jié)果

從表2可以看出，在鉆進致密“打滑”燧石巖時，無論是SYS自銳鉆頭、EQ多孔胎體鉆頭，還是NBS鉆頭，均可以提高機械鉆速，普通金剛石鉆頭即使轉(zhuǎn)速在800 r/min，機械鉆速也難以超過0.5 m/h，加入自銳改性的胎體，機械鉆速在適宜的轉(zhuǎn)速下均能超過1 m/h，但NBS孕鑲鉆頭僅在轉(zhuǎn)速300 r/min時即可與SYS自銳鉆頭和多孔胎體鉆頭匹敵。在2 kN鉆壓條件下，提取不同配方500 r/min及800 r/min的平均機械鉆速(見圖1)。

由圖1可以看出，無論哪種配方，800 r/min條件下的機械鉆速均高于500 r/min條件下的數(shù)值，這與鉆頭的最優(yōu)切削線速度有關(guān)；NBS孕鑲配方鉆頭鉆速明顯優(yōu)于常規(guī)配方及以往配方鉆頭，其機械鉆速在同等工作條件下，是常規(guī)鉆頭的4～8倍，較SYS自銳鉆頭和EQ多孔胎體鉆頭也超出20%～30%。

圖1 不同胎體配方微鉆試驗平均機械鉆速統(tǒng)計圖

為了探尋鉆頭的使用壽命，在鉆進試驗中，測量了胎體的磨損高度，由于鉆頭的工作面積相同，進尺相同，從而胎體的磨損高度便反映了鉆頭的使用壽命。具體見圖2。

圖2 不同胎體配方微鉆試驗鉆進胎體磨損量統(tǒng)計圖

由圖2可以看出，在進尺500 mm的微鉆試驗工作量下，常規(guī)配方鉆頭和NBS配方鉆頭在鉆進中胎體磨損最小，然而常規(guī)配方人為出刃還有0.8 mm的磨損高度，由此說明，傳統(tǒng)的硝酸腐蝕或者人為打磨出刃一方面會加快鉆頭磨損，影響使用壽命，另一方面并不能很好地起到提高機械鉆速的最終目的。因此，4種配方相比較，NBS配方孕鑲鉆頭總體磨損高度最小，反映出其壽命相對較高。

2.2 現(xiàn)場試驗結(jié)果與討論

新型NBS高效孕鑲金剛石鉆頭通過低溫二次焊接制成NQ+2繩索取心金剛石鉆頭，即規(guī)格?77/47.5 mm，于福建某180 m水平孔進行鉆進，施工方為中國人民解放軍96657部隊，巖石為中弱風(fēng)化花崗巖、輝綠巖等(如圖3所示)，巖石大多為弱研磨性，少數(shù)中等風(fēng)化巖石研磨性較弱研磨性地層略高，鉆頭使用情況如表3所示。

圖3 福建某水平鉆孔巖心

鉆頭及產(chǎn)地平均時效/m進尺/m備注其他廠家鉆頭02～0310～20鉆速低，難以進尺探礦工程所SYS自銳鉆頭312鉆進3h胎體迅速磨平，鉆遇中等風(fēng)化花崗巖，研磨性略強探礦工程所NBS孕鑲鉆頭3～4100出孔新度60%

由表3數(shù)據(jù)可以看出，NBS孕鑲鉆頭無論在機械鉆速還是在鉆頭壽命上，都具有極大的優(yōu)勢，進尺100 m，新度還有60%(見圖4)。SYS自銳鉆頭也具有一定效果，但由于此種鉆頭主要針對弱風(fēng)化堅硬致密“打滑”地層，而對具有中等風(fēng)化的花崗巖適應(yīng)性不好，因此在該類地層壽命較短。

圖4 NBS高效孕鑲鉆頭進尺100 m后磨損照片

3 結(jié)論

通過室內(nèi)及現(xiàn)場試驗，新型NBS高效孕鑲金剛石鉆頭可在正常鉆壓下，大幅提高鉆進堅硬致密“打滑”巖層的機械鉆速，且具有較高的工作壽命。該類型鉆頭除適應(yīng)堅硬致密“打滑”地層，對中等風(fēng)化堅硬地層也具有較好的適應(yīng)性。因此，對堅硬地層具有一定的光譜性，為今后我國地質(zhì)礦產(chǎn)勘查、工程勘查以及非常規(guī)能源勘探提供了新的技術(shù)支撐。

[1] 郭慶清,王家亮,張紹和.胎體弱化顆粒材質(zhì)對WC基孕鑲金剛石鉆頭胎體磨損性能的影響[J].中國有色金屬學(xué)報,2015,25(9):2531-2535.

[2] 張紹和,楊凱華.主輔磨料雙切削作用金剛石鉆頭研究[J].地質(zhì)與勘探，2001,37(5)：87-89.

[3] 龐豐,段隆臣,童牧,等.鉆進打滑地層時造孔劑對孕鑲金剛石鉆頭性能的影響[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程,2014,19(5)：790-796.

[4] 沈立娜,阮海龍,李春，等.堅硬致密“打滑”地層新型自銳金剛石鉆頭的研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2014,41(11):57-59.

[5] 沈立娜,郭長江,等.新型自出刃多孔胎體孕鑲金剛石鉆頭的研究[C]// 第十八屆全國探礦工程(巖土鉆掘工程)技術(shù)學(xué)術(shù)交流年會論文集.北京：地質(zhì)出版社, 2015.

[6] 沈立娜,吳海霞，吳海霞,等.稀土La添加量對預(yù)合金鐵基胎體性能的影響[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012, 39(4): 69-71.

[7] 王多軍,沈立娜,等.堅硬致密石英巖地層用新型胎塊鉆頭的研究與應(yīng)用[J].西部探礦工程，2014,(4):39-40.

[8] 張麗,楊凱華.金剛石鉆頭鉆進堅硬致密弱研磨性地層的研究現(xiàn)狀與進展[J].金剛石與模具磨料工程, 2003,(6):9-12.

Study and Application of High Efficiency NBS Impregnated Bit for Hard Formation/

SHENLi-na1,LUYi2,YINJian-min3,RUANHai-long1,WUHai-xia1,LIChun1

A high efficiency NBS impregnated bit was introduced in this paper. NBS material was added in the bit matrix, which has a sharp crystal and good bond strength with the matrix. The micro-drilling experiments and the field drilling tests show that this NBS diamond bit can greatly improve ROP in medium-weakly weathered hard rocks drilling and the bit service life is also prolonged compared with ordinary diamond bits.

NBS; diamond bit; high efficiency impregnated bit; rate of penetration (ROP); hard formation

2016-07-19

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目“重點成礦帶碎巖與取心技術(shù)研究與應(yīng)用示范”(編號：12120113097300)

沈立娜，女，漢族，1985年生，工程師，材料科學(xué)專業(yè)，碩士，從事金剛石鉆頭的優(yōu)化設(shè)計工作，北京市房山區(qū)良鄉(xiāng)工業(yè)開發(fā)區(qū)二期創(chuàng)新路1號，shenln@bjiee.com.cn。

P634.4+1

A

1672-7428(2017)01-0084-03

(1.Beijing Institute of Exploration Engineering, Beijing 100083, China; 2.96657 Unit of PLA, Beijing 100011, China; 3.207 Geological Team of Sichuan Bureau of Geology & Mineral Resources, Leshan Sichuan 614000, China)