金刚石钻头钻进坚硬致密弱研磨性岩层的研究

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1、金刚石钻头钻进坚硬致密弱研磨性岩层的研究1、坚硬致密弱研磨性岩层特点坚硬致密弱研磨性岩层，又称"打滑"地层。在这类岩层进行金刚石钻进时经常出现金刚石钻头打滑现象，致使钻进效率低，或根本不进尺。打滑地层具有以下三个特点：（1）岩石硬度大，石英含量高。其岩石压入硬度一般可达5000MPa，其中部分在5500～6500MPa之间，个别甚至高达7000MPa。（2）强度高。这类岩层造岩矿物细，粒度多为0.01～0.2mm，硅质胶结，颗粒之间结合力大，结构致密，整体强度高，其单轴抗压强度达150MPa或更高。（3）研磨性弱。由于钻进时效低，岩

2、粉少且岩粉颗粒细，对钻头胎体磨损甚微，金刚石难以出刃。解决在这类岩层中钻进效率低的问题，是钻探行业长期存在的一大技术难题。2、解决打滑地层钻进问题的重要意义坚硬致密弱研磨性岩层虽然在一般矿区所占比例不大，但由于钻头打滑现象的发生，即使只有几米或十几米这种岩层也要耗费大量时间和钻头，十天或二十天，甚至一个月，导致整个钻孔施工周期延长，勘探成本增高，经济效益明显下降。我国大部分地区都存在这类岩层。因此，解决该类岩层钻进打滑问题极有必要性。3、钻进坚硬致密岩层的金刚石钻头现状自从上世纪70年代初推广金刚石钻探技术以来，钻进硬岩的许多问题似

3、乎都迎刃而解了，机械钻速、钻探质量大为提高。但是新的技术难题，在某些岩层钻头"打滑"现象出现钻进时金刚石钻头在岩石上打滑而不进尺，或进尺极慢，时效常在0.1～0.2m左右；回次进尺仅0.2～0.5m左右，钻头使用寿命2～3m。自打滑现象成为钻进坚硬致密弱研磨性岩层的主要矛盾以来，对解决钻进时钻头打滑问题进行了多方面的研究：如提高金刚石强度、粒度，降低金刚石浓度；改变胎体耐磨性；优化钻头底唇面形状与结构，增加钻头水口数目等。进行了多次实验及生产实践，产生了很多克服钻头打滑的方法，例如金刚石钻头人工出刃的方法，如打磨法、喷砂法、唇面酸蚀

4、法、孔底投砂研磨法等；后来又借鉴国外的思路使用软胎体钻头；另外还制造各种异形唇面钻头，如高低刃及同心圆尖齿唇面钻头等。同时，自20世纪80年代推广冲击回转钻进方法以来，采用金刚石液动冲击回转钻进方法，调节好冲击功和优化钻进参数，比较好地克服了钻头打滑现象，从钻进方法上取得了实质性进展。3.1金刚石钻头人工出刃打磨法、喷砂法及唇面酸蚀法，都是采取辅助手段磨损钻头胎体，使新的锋利金刚石出露继续破碎岩石。采用这种办法，人为降低了钻头的寿命，此外，需要频繁提钻，操作起来很麻烦，并且大幅度增加了辅助工作时间，影响了工程进度，降低了经济效益。采

5、用孔底投砂研磨和冲洗中加砂的办法就是在钻进过程中，当钻头出现钻进进尺缓慢时，就通过钻杆向钻孔内投入细小的磨料、石英颗粒等，通过这些磨料使钻头胎体磨损,可使钻头唇面上的金刚石出刃。上述办法可以做到不频繁地提钻，辅助工作时间增加不多。但是如果投砂量过多，或投砂研磨的时间掌握不好，导致钻头的磨损加快，降低钻头寿命。冲洗液中加砂则人为地增加了钻杆、钻具、泥浆泵等设备的严重磨损，降低其使用寿命。上述两种经人工出刃处理的方法虽然有效果,但往往在钻进几厘米或十几厘米后又会出现打滑，回次进尺短，钻头寿命短。金刚石钻头人工出刃方法只是解决打滑问题的一

6、种应急辅助手段，不是根本的解决方法。3.2软胎体钻头钻进打滑地层时，人们往往为了加快胎体磨耗，加速金刚石出刃，采取降低胎体硬度的办法。80年代国内钻探界曾借鉴日本和瑞典钻探界的经验，采用软胎体（HRC10～15），细颗粒(80/100)和高强度金刚石。但是在这类岩石中钻进，需要较高的钻压，而较高的钻压容易使软胎体变形，金刚石在钻头中得不到有效的固定。实践证明，用软胎体克服钻头打滑现象效果并不好。因为金刚石钻头钻进坚硬地层时，很快被磨钝，而破碎岩石时产生的岩粉少且细，很难使胎体磨损，很难使已磨钝的金刚石脱落，并出露新的金刚石。而且如果

7、胎体过软，就会造成金刚石钻头整个胎体强度不够，甚至钻头变形而无法使用。因此胎体的耐磨性要选适中，不能过大或过小，过大则金刚石无法出刃，导致时效过低；过小则钻头寿命大为降低，增加成本，降低了经济效益。3.3异型唇面钻头3.3.1高低齿金刚石钻头高低刃金刚石钻头，其设计指导思想是要减少钻头唇面与孔底岩石面之间的接触面积，提高金刚石钻头唇面对岩石的单位面积压力。从理论上分析，这种设计思想有一定道理。因为经验已经证明，在钻进坚硬地层时需要很大的孔底压力，那么钻进坚硬致密岩层时就需要更大的孔底压力。但是目前的钻杆，钻具及钻机等设备能力不具备，

8、因而只能在提高钻头单位面积压力上想办法，高低齿钻头便是其中一种。实际上这种高低刃金刚石钻头的使用效果并不理想，因为开始是高刃破碎岩石，钻进时效能得到提高；随着高刃磨损低刃参加工作，钻头唇面与岩石接触面积逐渐增大，钻头的比压下降，整个钻