旋转井壁取芯器钻头性能探讨

王野梁

摘 要：介绍了旋转井壁取芯器钻头的工作原理和结构特点。将12种取芯钻头的各项技术参数进行综合对比。为了确定每种钻头对不同岩性地层的适用性能，设计了模拟地层取芯的实验。采集12种取芯钻头分别在0～40公斤的钻压下对五种不同岩石样本（石灰岩、花岗岩、粗砂岩、细砂岩和泥质砂岩）进行模拟取芯的实验数据。将实时记录的扭矩、钻速和功率的变化曲线配合每种钻头的各项性能参数逐一进行分析，最终获得每种钻头的适用性能星级评定表，为一线的旋转井壁取芯作业提供帮助。

关键词：井壁取芯 取芯器 性能参数 实验数据 适用性

中图分类号：TH132.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（c）-0090-03

旋转式井壁取芯器是一种从靠近裸眼井地层中直接获取井壁岩芯的测井仪器，它适用于全井段中各种地层的井壁取芯作业。由于该仪器对原状地层破坏较小，取得的岩心数量多、颗粒完整，并可以直接用于岩电实验和含油性分析化验，求取饱和度、孔隙度、渗透率等储层参数，极具实验和分析价值，备受地质学家的青睐[1]。但是在实际取芯作业过程中，在钻压和地层一定的情况之下，选择适合该地层并且性能好的钻头往往能节约取芯时间，提高取芯作业时效性，并一定程度上降低取芯作业风险。文章对12种取芯钻头的各项性能参数进行分析，同时配合这些钻头分别在不同的钻压下对五种岩石样本（石灰岩、花岗岩、粗砂岩、细砂岩和泥质砂岩）进行取芯实验得到的数据，由此确定每种钻头的地层适用性。

1 旋转井壁取芯钻头简介

1.1 取芯钻头工作原理

旋转式井壁取芯器的钻头是一种空心的金刚石钻头。它靠螺纹连接在该仪器的高温液压马达的钻杆上[2]。它是以锋利、耐磨以及能够自锐的天然金刚石或者人造金刚石为切削齿，在马达钻杆的带动下获得较高的钻速和钻头进尺。在钻取地层岩芯时钻头上的每粒金刚石在钻压作用下压入岩石，使切削面下方的岩石处于极高的应力状态，造成局部破裂，同时在旋转扭矩的作用下产生切削作用，破碎岩石的体积大体上等于金刚石吃入岩石的位移体积，最后通过不断的切削作用，形成一颗完整的岩芯。

1.2 取芯钻头结构简介

旋转井壁取芯金刚石钻头的结构大同小异，主要包括钢体、胎体、切削刃和水口。文章探讨的12种钻头的钢体均为17-4PH型马氏体沉淀硬化型不锈钢，具有良好的抗腐蚀、耐疲劳性。胎体是镶嵌金刚石颗粒的基体，是由一定粒度的硬质合金粉加上适当的易熔金属作粘合剂，压制烧结而成。金刚石钻头的切削刃根据金刚石颗粒镶嵌在胎体上的形式有表镶式，孕镶式和表孕镶式三种。金刚石钻头的水口是构成钻头水动力的通道，它使金刚石在钻进过程中保证供给钻头工作面足够的水利能量，既能清除岩屑，又能很好的冷却和润滑钻头上的金刚石。

2 模拟取芯实验

2.1 实验设计说明

为了能够准确的发现每种钻头的优缺点和它们各自的地层适用性，特将12种钻头分别在0～40 kg的钻压下，分别对石灰岩、花岗岩、粗砂岩、细砂岩和泥质砂岩共5种不同地质特性的岩石样本进行模拟钻取岩芯实验，观察不同钻头在不同钻压下的取芯效果，同时记录取芯过程中的扭矩、转速、功率等参数的实时变化情况，最后整理出所有的数据和曲线图，以此确定每种钻头的地层适用性。

2.2 旋转井壁取芯钻头部分重要技术参数分析

2.2.1 镶嵌金刚石的目数

对比1号和6号钻头，前者金刚石目数A粒/克拉，后者B粒/克拉，且A>B，其余参数一致。图1为这两种钻头对石灰岩取芯时的钻压-扭矩对比图。

从图1可以看到，1号和6号两种钻头只是镶嵌的金刚石目数不一样，在取芯实验时，1号的扭矩明显高于6号，即1号比6号更利于对石灰岩的取芯，取芯时间必然是T1

2.2.2 金刚石的排布方式

金刚石在钻头工作面上的排布方式有交错排列法、圆周排列法和脊圈排列法。文章介绍的12种钻头除7号和8号孕镶钻头的金刚石排列为N顺序外，其余钻头的金刚石均设计为圆周排列法中的M曲线排列。这样排列的好处在于最大程度的提供取芯时的水利能量，增大钻头的排屑能力。图2为1号与8号钻头对花岗岩取芯的钻压-扭矩对比图。

从图2可以看到，1号表镶钻头在钻压增大的情况下，对花岗岩取芯的扭矩是由小到大递增的，8号孕镶钻头对花岗岩取芯的扭矩是先上升后下降再上升的，很明显的符合孕镶转头的特点，旧的金刚石磨掉了新的又露出来的特性造成了这一曲线的走势。

2.2.3 切削刃角度

切削刃角度是指沿渐开线排列的金刚石切削面的起始面与岩石切平面之间的夹角，类似于用刀削苹果时刀刃与苹果皮之间的夹角。采用适当的切削刃角度，可以大大改善切削齿（金刚石）的抗冲击性，一般金刚石钻头的切削刃角度取值范围在0°～25°之间。

2.2.4 水口数目

取芯金刚石钻头水口的数目与钻头所适用地层有关。用于软到中硬地层的金刚石钻头，由于其工作面小，金刚石钻进时转速快，岩屑多而粗，因此水口应宽而少。而对于硬和坚硬地层，由于钻头工作面大，钻压大，水口应多、密、窄。图3是10号与11号钻头对石灰岩取芯的钻压-扭矩对比图。图4是10号与11号钻头对泥质砂岩取芯的钻压-扭矩对比图。

10号钻头有H个水口，11号钻头有G个水口，且H

2.2.5 钻头的内外径

由于旋转井壁取芯仪器取出的岩芯是有规定的，最大直径25 mm，最大长度50 mm[2]，所以钻头的内外径只要能满足这个要求即可。但是作为研发产品来说，内径一定是为了满足岩芯的直径要求，外径的大小则需要根据具体情况而定，不同内外径造成了不同的切削面积。例如在钻取相同的地层并在钻压一定的情况之下，切削面积越大，则取芯遇到的阻力也越大；切削面积越小，则取芯遇到的阻力也越小。图5为1号、2号和6号钻头钻取细砂岩时的钻压-扭矩对比图。

从图5可以看到，在钻取硬度较低的细砂岩时，随着钻压的增大，1号钻头的扭矩明显小于2号钻头，6号钻头则更大。这是因为这三种钻头的内径相同，但1号钻头的外径小于2号钻头，则1号钻头的切削面积小于2号钻头，在钻取软地层时受力面积较小，性能相对差一些。6号钻头的外径虽然小于2号钻头，但是6号钻头的切削面与其他钻头不同，存在一个特定的角度，相比别的钻头而言在钻取岩芯时更合适，扭矩也更大。

2.2.6 钻头的胎体

钻头的胎体需要一定的硬度，主要根据钻头金刚石镶嵌的形式来选择，例如表镶钻头的胎体应该较硬，孕镶钻头的胎体应该较软。但是还有一个要注意的是，在对较硬岩石取芯时，即使同样的表镶钻头由于胎体的硬度不一样，取芯结果也是有差异的，1号和9号钻头同时对花岗岩取芯后就能显示出来了。1号钻头为X基胎体，其硬度要大于9号钻头的Y基胎体，在同样钻压、钻取时间的条件下，钻取硬度较大的花岗岩后，9号钻头的金刚石磨粒就脱落了几个，而1号钻头的金刚石颗粒还未出现脱离现象。

3 实验结果

经过实验数据的比对与筛选，最终将实验结果绘制成了如表1所示的取芯钻头地层适用性星级评定表。

4 结论

（1）对12种旋转井壁取芯空心金刚石钻头的结构和各项性能参数进行理论分析，同时密切结合模拟取芯的实验数据，对每种钻头适用哪些地层岩石给出了相对具体的结论。（2）由于实际取芯地层条件复杂多样，建议在现场工作中应多准备几款应对不同地层的钻头，尽量针对不同的地层使用其对应的钻头以达到最优取芯效果。（3）建议钻取50～80颗岩芯后便更换一次钻头（根据实际情况），这些钻头应该在每口井作业之后立即检查是否坏齿、金刚石掉落或变钝、钻头胎体是否损坏等，任何上面所说的情况都可能使钻取岩芯速度减慢或不能取芯。（4）取芯钻头在保存时，应存放在专用的存储箱内，尽量避免由于钻头之间相互摩擦碰撞造成的切削刃损坏。

参考文献

[1] 郝桂清，庞希顺，欧阳剑.增强型旋转井壁取芯器技术及应用[J].石油仪器，2011.

[2] 中海油田服务股份有限公司.钻进式井壁取芯测井仪ERSCTM-1用户手册[Z].2009.endprint