致密砂岩地层孕镶金刚石参数的试验优选研究

李子杰, 赵洪山, 冯光通, 何林虎, 姜 维, 彭 烨

(1中石化胜利石油工程有限公司黄河钻井总公司 2中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院 3中石油渤海钻探工程有限公司泥浆技术服务分公司 4中石油渤海钻探工程有限公司定向井技术服务分公司)

近年来，随着国内外人工合成金刚石单晶技术不断成熟，孕镶金刚石钻头整体性能得到显著提升，孕镶金刚石钻头在四川盆地须家河组致密砂岩、准噶尔盆地石炭系火成岩以及塔里木盆地二叠系玄武岩、凝灰岩等区域难钻地层中的应用越来越广泛。

现场实践及理论研究表明，影响孕镶金刚石钻头整体性能的因素是多方面的[1-5]，目前国内外许多学者已经在孕镶钻头破岩机理、新型切削结构、孕镶块基体配方以及孕镶钻头制造工艺、防打滑技术等方面开展了深入的研究，在此基础上分别研制了带热压金刚石齿柱的胎体孕镶钻头、基于仿生耦合理论的孕镶钻头等多种类型孕镶金刚石钻头。

与常规牙轮、PDC钻头相比，上述孕镶金刚石钻头在四川、新疆等地区的现场应用取得了破岩效率高、钻进速度快的显著提速优势[6-11]，但是金刚石作为孕镶钻头的主要切削元件，其粒度、浓度等关键配方参数对孕镶钻头机械钻速和使用寿命的影响，仍然缺乏深入系统地研究，导致目前的孕镶钻头针对不同复杂岩性地层的适应能力明显不足。

图1 钻凿特性测定试验装置结构示意图

为了进一步增强孕镶金刚石钻头钻进致密砂岩地层的适应性和应用效果，设计了适用于孕镶钻头的钻凿特性测定试验装置及试验模拟钻头，通过采集四川盆地须家河组致密砂岩地面露头岩石，开展了不同钻压、转速条件下孕镶钻头金刚石粒度和浓度参数的试验优选分析，为今后开展致密砂岩地层孕镶金刚石钻头的研制及应用提供了依据。

一、试验系统及方案设计

1. 试验装置

图1为自主设计的钻凿特性测定试验装置结构示意图。该装置可以在设定钻压和转速模式下，使用小尺寸模拟钻头对岩石进行钻进和磨铣试验，能够自动采集钻深、钻压、扭矩、转速及钻时等试验数据，从而对孕镶钻头和PDC钻头的钻进、磨损及抗冲击特性等进行测定分析。

2. 试验小钻头

为了实现利用1只钻头满足多组孕镶体试验的目的，将试验小钻头设计成能够装夹、拆卸金刚石孕镶体的形式[12]，如图2所示，其中小钻头直径设计为Ø53 mm，可同时装夹2块金刚石孕镶体；每块孕镶体前设计1条流道和1个喷嘴，可分别清洗和冷却2块孕镶体；孕镶体的长宽高分别设计为14 mm×14 mm×20 mm的长方体形状，目的是便于孕镶体的快速加工、装夹与拆卸。

图2 孕镶体试验小钻头结构示意图

3. 试验方案

试验岩样：采集了四川盆地须家河组致密砂岩地面露头岩石，室内测定其牙轮钻头可钻性为7.83级，制作的试验岩样标准尺寸为300 mm×300 mm×300 mm。

试验参数：钻压4～8 kN，转速200～400 r/min，最大钻深170 mm，其中：从钻深20 mm开始记录数据，有效钻深150 mm。

试验步骤：

(1)清洗并称量每块新的金刚石孕镶体重量。

(2)利用金刚石孕镶体在试验岩样上先预钻1孔(孔深20 mm)，清除金刚石孕镶体表面的氧化层，造型金刚石孕镶体，减少试验误差、增强可比性。

(3)清洗并称量每块去氧化层后的金刚石孕镶体的重量。

(4)利用金刚石孕镶体继续在试验岩样上钻孔150 mm，记录钻压、扭矩、转速及钻时等数据。

(5)清洗并称量每块金刚石孕镶体的重量。

二、试验结果及分析

金刚石粒度、浓度是影响孕镶钻头机械钻速和磨损量的关键因素，分别选取30/40、40/50、50/60、60/70(目)四种粒度和60%、70%、80%、90%(100%浓度制)四种浓度，通过开展模拟孕镶钻头井下工况的室内钻进特性试验，得到了不同钻压、转速条件下金刚石粒度、浓度对孕镶钻头机械钻速和磨损量的影响规律。

1. 不同金刚石粒度对孕镶钻头的性能影响

金刚石粒度能够改变钻头孕镶体的自锐性和金刚石的出露高度，对于孕镶金刚石钻头不断出刃和提高破岩效率具有重要作用[13]。图3、图4分别给出了不同钻压、转速条件下金刚石粒度对孕镶钻头机械钻速和磨损量的影响。

图3 不同金刚石粒度对孕镶钻头机械钻速的影响

图4 不同金刚石粒度对孕镶钻头磨损量的影响

从图3、图4中可以看出，当金刚石浓度一定的条件下，随着孕镶金刚石粒度的变细，由于细粒金刚石出露低，吃入岩石的最大深度减小，加之细粒金刚石不利于岩屑排出，将使得孕镶钻头的破岩效率和机械钻速有所降低；此外，在相同钻压、转速条件下，随着金刚石粒度变细，钻头工作面上出刃的金刚石颗粒数目越多，每颗金刚石承受的切削力将会明显减小，从而有利于显著减少金刚石的磨损，延长孕镶钻头的使用寿命。

2. 不同金刚石浓度对孕镶钻头的性能影响

金刚石浓度表示基体工作层内单位体积的金刚石含量，是影响孕镶钻头性能的另一个重要技术参数[14]，其中100%浓度表示每立方厘米中的金刚石含量为4.39克拉。图5、图6分别给出了不同钻压、转速条件下金刚石浓度对孕镶钻头机械钻速和磨损量的影响。

图5 不同金刚石浓度对孕镶钻头机械钻速的影响

图6 不同金刚石浓度对孕镶钻头磨损量的影响

从图5、图6中可以看出，当金刚石粒度一定的条件下，随着金刚石浓度增大，对机械钻速的影响规律并不明显，分析原因主要是由于金刚石浓度对于钻头吃入岩石的最大深度和总体切削力的影响较小造成的；此外，在相同钻压、转速条件下，随着金刚石浓度的增大，由于钻头工作面上参与破岩的金刚石数量越多，因此钻头的耐磨性将显著增强，但是需要注意的是当浓度达到一定值后，由于减小了金刚石颗粒间的距离，从而将会减弱基体对金刚石的包裹力，导致金刚石容易脱落。

3. 不同金刚石参数组合对孕镶钻头的性能影响

根据金刚石参数对于孕镶钻头破岩影响的试验分析结果，为了发挥孕镶金刚石钻头现场应用的最优效果，必须根据钻遇地层的岩性、硬度、强度及研磨性等合理地选择金刚石的粒度、浓度参数组合[15-16]。通常情况下，当钻进中硬及坚硬地层时，孕镶钻头宜采用较小粒度、较高浓度的金刚石，一方面利于钻进过程中失去工作能力的金刚石不断脱落，新的金刚石能够不断出露，保证孕镶钻头具有良好的自锐能力；另一方面能够大大增加钻头工作面上参与破岩的金刚石数量，显著提高孕镶钻头的耐磨能力，尽可能延长其使用寿命。

图7 不同金刚石粒度和浓度组合对孕镶钻头机械钻速的影响

图8 不同金刚石粒度和浓度组合对孕镶钻头磨损量的影响

如图7、图8分别给出了钻压8 kN、转速400 r/min条件下不同金刚石粒度和浓度参数组合对孕镶钻头金刚石整体性能的影响。从图中可以看出，当钻进四川盆地致密砂岩地层时，采用30/40目或40/50目粒度，同时配以70%～80%的金刚石浓度，可以获得较高的破岩效率和机械钻速；采用50/60目或60/70目粒度、90%左右金刚石浓度，可以获得较长的使用寿命和钻头进尺；然而为了实现较高的机械钻速，同时获得较长的钻头进尺，推荐使用40/50目或50/60目的金刚石粒度，同时配以70%左右的金刚石浓度，以期获得良好的应用效果。

三、结论与认识

(1)自主设计了一种适用于孕镶金刚石钻头的钻凿特性测定试验装置，能够模拟不同钻压和转速条件，开展小尺寸孕镶钻头钻进模拟试验，指导金刚石粒度和浓度参数的分析及优选。

(2)金刚石粒度、浓度对于提高孕镶钻头的耐磨性均具有较大影响。随着金刚石粒度变小和浓度增大，由于减小了参与破岩的金刚石切削力大小，有利于显著延长孕镶钻头的使用寿命。

(3)选用40/50目或50/60目的金刚石粒度，同时配以70%左右的金刚石浓度，可以起到兼顾提高致密砂岩机械钻速和钻头寿命的效果，有利于解决须家河组地层钻井速度慢的技术难题。

(4)建议结合室内试验、有限元模拟、理论研究等多种手段，综合考虑金刚石粒度、浓度、基体配方及孕镶钻头结构、制造工艺等多种因素，深入开展适合致密砂岩、火成岩等复杂岩性地层孕镶金刚石钻头的研制及应用，进一步提升孕镶钻头的适应能力和应用效果。