孕鑲金剛石鉆頭破碎花崗巖巖屑粒徑分布研究*

趙小軍， 康 鑫， 潘飛飛， 潘秉鎖， 段隆臣

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院， 武漢 430074) (2. 濟南市勘察測繪研究院， 濟南 250013) (3. 河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)勘查院， 鄭州 450000)

在地質(zhì)鉆探工程中，孕鑲金剛石鉆頭使用最為廣泛[1]。孕鑲金剛石鉆頭鉆進時破碎巖石產(chǎn)生巖屑，巖屑沉積在孔底磨損鉆頭胎體，實現(xiàn)金剛石的持續(xù)出露；同時，在沖洗液的作用下，巖屑返出孔口[2]。巖屑能否及時合理排出是鉆進過程正常進行的保證。在鉆進松散破碎、研磨性強的地層時，經(jīng)常會出現(xiàn)攜巖不暢的問題，導(dǎo)致井底巖屑沉積，強研磨性巖屑顆粒在孔底反復(fù)磨損鉆頭，使鉆頭壽命急劇下降，輔助作業(yè)時間、勞動強度、人工成本顯著增加[3]。

在鉆進過程中，影響攜巖效果的因素有很多，包括環(huán)空返速、巖屑尺寸、鉆井液流變性、鉆井液密度、井眼直徑、機械鉆速、鉆具轉(zhuǎn)速等[4-6]。其中，巖屑粒徑大小及其分布是決定能否有效攜巖的關(guān)鍵因素之一[7]。巖屑粒徑與地層的巖性、鉆頭類型、金剛石參數(shù)以及鉆進參數(shù)息息相關(guān)[1, 8-10]。

通過收集孕鑲金剛石鉆頭破碎花崗巖所產(chǎn)生的巖屑并分析其粒徑分布規(guī)律，研究金剛石參數(shù)、鉆進參數(shù)對巖屑粒徑分布的影響規(guī)律。

1 實驗方案

實驗在微鉆實驗臺上進行。鉆頭為熱壓燒結(jié)的平底型孕鑲金剛石鉆頭，其底唇面尺寸如圖1所示。

在鉆頭的制作過程中，除金剛石的濃度和粒度不同外，其他參數(shù)完全相同，共制作了3種類型的金剛石鉆頭，其金剛石參數(shù)如表1所示。

編號金剛石濃度C金剛石粒度代號N金剛石粒徑d / μm150%30/35500～600250%40/45355～4253100%30/35500～600

實驗所用巖樣為含黑云母的中細粒二長花崗巖，巖樣高16 cm，直徑10 cm，主要性能指標見表2，其實物和薄片分析照片如圖2所示。

表2 實驗用花崗石的力學(xué)性能

微鉆實驗開始之前，設(shè)定轉(zhuǎn)速800 r/min、鉆壓9 MPa。為保證巖屑收集量，每組實驗鉆進2個回次，每個回次鉆進15 cm。完成巖屑收集后沖洗過濾網(wǎng)，進行下次實驗。每組微鉆實驗完成之后，將收集歸類的巖屑樣品放入烘箱中烘干，然后對巖屑樣品進行篩分并歸類整理，稱重并計算各尺寸范圍的巖屑質(zhì)量分數(shù)，分析巖屑粒徑分布規(guī)律。

實驗選擇的篩網(wǎng)組合目數(shù)分別為：40、60、80、100、120、140、160、180、200、220、240、260、280、300、320、340、360、400。實驗以篩分直徑，即粗細2層篩網(wǎng)的孔眼直徑算術(shù)平均值為巖屑粒徑。

2 結(jié)果與分析

2.1 花崗巖巖屑粒度分布規(guī)律

花崗巖巖屑的粒徑分布如圖3所示。由圖3可知：孕鑲金剛石鉆頭碎巖產(chǎn)生的巖屑顆粒較小，其粒徑尺寸小于200 μm，集中分布在40～100 μm，少量分布在100～200 μm；巖屑顆粒的粒徑在一定范圍內(nèi)呈單峰式分布；不同金剛石參數(shù)的孕鑲金剛石鉆頭所產(chǎn)生的巖屑具有相似的分布規(guī)律。

采用常用的正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布及羅辛-拉姆勒分布3種方式對花崗巖的巖屑粒徑分布進行擬合[11-12]，擬合結(jié)果如表3所示。從表3中的擬合度來看，正態(tài)分布對1號和2號實驗產(chǎn)生的巖屑粒徑分布擬合較好，但對3號實驗產(chǎn)生的巖屑粒徑分布的擬合效果較差；對數(shù)正態(tài)分布對三者的擬合效果都較好；羅辛-拉姆勒分布擬合效果較差。因此，認為孕鑲金剛石鉆頭破碎花崗巖的巖屑粒徑分布符合對數(shù)正態(tài)分布。

對數(shù)正態(tài)分布的概率密度函數(shù)如式(1)所示，其對應(yīng)的粒徑期望如式(2)所示：

(1)

yex=eμ+σ2/2

(2)

表3 花崗巖巖屑粒徑分布擬合結(jié)果

2.2 金剛石參數(shù)對巖屑粒徑分布的影響

對比1號和2號鉆頭的實驗結(jié)果，分析金剛石粒度對巖屑分布的影響，其結(jié)果如表4所示。從表4可以看出：鉆頭底唇面金剛石粒徑增大，則巖屑峰值粒徑變大。當?shù)状矫娼饎偸捷^小時，其出刃高度偏低，破碎巖石時切入深度相應(yīng)較低，導(dǎo)致破碎脫落的巖屑顆粒相對細?。划斀饎偸６容^大時則相反。

表4 金剛石粒度對巖屑分布的影響

對比1號和3號鉆頭的實驗結(jié)果，分析金剛石濃度對巖屑分布的影響，其結(jié)果如表5所示。從表5可以看出：隨底唇面金剛石濃度升高，巖屑峰值粒徑減小。其原因主要在于：一方面是因為底唇面金剛石濃度高、單顆金剛石所受壓力小，則體積破碎深度及范圍較小、切入深度低，導(dǎo)致切削碎巖產(chǎn)生的巖屑粒徑較細；另一方面是因為金剛石濃度較高時，底唇面上單位面積的金剛石數(shù)目較多，底唇面與巖石接觸區(qū)域的空間受限，不利于初次破碎的巖屑及時排出，巖屑二次破碎的可能性增大。

表5 金剛石濃度對巖屑分布的影響

2.3 鉆進參數(shù)對巖屑粒徑分布的影響

為分析鉆壓對巖屑粒徑的影響，使用1號鉆頭進行微鉆實驗，設(shè)定轉(zhuǎn)速為600 r/min，選取鉆壓6 MPa、9 MPa、12 MPa、15 MPa。實驗結(jié)果如圖4所示。

從圖4可看出：鉆壓從6 MPa升高到9 MPa，巖屑的峰值粒徑增大、均值粒徑增大；鉆壓繼續(xù)升高，巖屑峰值粒徑不再增大、均值粒徑略微增大；隨鉆壓進一步升高，處在峰值粒徑的巖屑質(zhì)量分數(shù)減小；鉆壓超過12 MPa后降幅減小。其原因在于：隨著鉆壓增大，金剛石的切入深度增大，導(dǎo)致巖屑的粒徑增大，而鉆壓過大、切入過深會壓縮鉆頭胎體和巖石之間的間隙，甚至導(dǎo)致二者直接接觸，從而對巖屑產(chǎn)生二次破碎[13]，導(dǎo)致峰值粒徑處的巖屑質(zhì)量分數(shù)下降，峰值粒徑不再增大。

為分析轉(zhuǎn)速對巖屑粒徑的影響，使用1號鉆頭進行微鉆實驗，設(shè)定鉆壓為9 MPa，轉(zhuǎn)速選取600 r/min、800 r/min、1 000 r/min和1 200 r/min。實驗結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出：隨轉(zhuǎn)速增大，峰值粒徑處巖屑的質(zhì)量分數(shù)不大，但是峰值粒徑和均值粒徑減小，特別是在轉(zhuǎn)速從800 r/min增大到1 000 r/min的過程中，粒徑變化大。鉆頭轉(zhuǎn)速對應(yīng)于其底唇面金剛石破巖時的線速度。線速度越低，垂直載荷在巖石表面的作用時間越長，越有利于巖石深度裂隙的發(fā)育，破碎巖屑的粒徑變大；線速度越高，垂直載荷在巖石表面的作用時間越短，金剛石對巖石體積的破碎效果變差，導(dǎo)致破碎產(chǎn)生的巖屑粒徑越小。

3 結(jié)論

使用不同金剛石參數(shù)的孕鑲鉆頭在不同轉(zhuǎn)速或鉆壓下，進行破碎花崗巖的微鉆實驗，并分析其巖屑的粒徑分布。得出以下結(jié)論：

(1)在實驗條件下產(chǎn)生的巖屑粒徑呈單峰式分布，粒徑尺寸集中分布在40～100 μm，粒徑分布基本符合對數(shù)正態(tài)分布規(guī)律。

(2)金剛石參數(shù)對巖屑粒徑影響較大。巖屑粒徑隨金剛石粒徑增大而增大，隨金剛石濃度升高而減小。

(3)鉆進參數(shù)對于巖屑粒徑也有一定影響。隨鉆壓增大，巖屑粒徑增大，但是當鉆壓增大到一定程度時，繼續(xù)增大鉆壓，巖屑的粒徑不再有明顯的變化；當轉(zhuǎn)速在800～1 000 r/min變化時，巖屑粒徑隨轉(zhuǎn)速增大明顯降低；當轉(zhuǎn)速低于或高于這個范圍時，巖屑粒徑隨轉(zhuǎn)速變化不大。

實際鉆進過程中，可參考本實驗結(jié)論，選擇合適的金剛石參數(shù)和鉆進參數(shù)，調(diào)節(jié)巖屑大小，使其及時、合理排出，保證正常鉆進過程。