孕镶金刚石钻头优化设计及其在甘青隧道应用

马银龙,张诗彧,周福军,孙志刚,任 杰

1.吉林大学建设工程学院,长春 130026

2.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043

0 引言

孕镶金刚石钻头的碎岩机理与砂轮磨削的工作原理相似,利用胎体表面出露的金刚石对岩石进行磨削,且随着金刚石与胎体的逐步磨耗,促使新的金刚石又裸露出来工作[1]。然而在坚硬地层中钻进时,常规孕镶金刚石钻头经常会出现进尺慢、寿命短等问题[2-5]。对此,相关学者通常在分析和测试钻遇地层岩性的条件下,通过对孕镶金刚石钻头进行相应的结构设计、胎体性能调整等方式优化钻头钻进硬岩的性能[6-11]。

甘青隧道地层岩性大多为闪长岩[12],其主要矿物成分有石英、黑云母、角闪石及长石等。常规钻头在此地层钻进时出现了如下问题:钻头无法实现有效进尺,机械钻速低;钻头磨损严重,使用寿命短。以上两个问题导致钻井作业效率低、成本高[13]。因此,针对甘青隧道的地质特点,结合岩层的强度、硬度和磨损性等方面的综合特点[14],对孕镶金刚石钻头的底唇面形状和胎体硬度进行了优化设计。

本文制备了不同硬度和不同底唇面形状直径为Φ95.5 mm的孕镶金刚石钻头,其中包括:胎体硬度为HRC 15～20,底唇面为环槽尖齿型的孕镶金刚石钻头;胎体硬度分别为HRC 8～10和HRC 10～15的滚齿型孕镶金刚石钻头。通过在甘青隧道S2Z-45号勘查施工孔进行现场钻进试验,以对比分析钻头的胎体硬度和唇面型状对孕镶金刚石钻头的钻进速度和寿命的影响规律。

1 钻孔概况

1.1 钻孔地理位置及地层性质

现场试验选择在甘青隧道S2Z-45号钻孔进行,具体钻孔位置为里程DK394+712右25 m,坐标X=526677.2,Y=3932902.4,标高3 599.8 m。钻孔位于瓜什则乡北侧一山顶上,距瓜什则乡约2.5 km,有土路可以通行至该孔。地表覆盖第四系薄层种植土,下伏主要为燕山期花岗闪长岩。

1.2 钻孔结构

S2Z-45号钻孔(图1)为两开结构的垂直孔:一开外径为Φ150.00 mm,一开深度为26.00 m;二开外径为Φ95.00 mm,钻至设计孔深670.00 m终孔。其中:一开孔段0～21.50 m为青灰色和黄褐色的粗砾土,21.50～23.00 m为青灰色板岩,23.00～26.00 m为灰黑色闪长岩;二开孔段26.00～670.00 m为闪长岩。使用绳索取心钻具提取岩心。

图1 S2Z-45 的孔身结构图

2 岩石的可钻性

钻遇地层的岩石可钻性等级是选择钻进工艺和钻头参数的主要参考因素。钻头性能和钻进工艺与钻遇地层不匹配时,会导致钻进效率低和钻头使用寿命低等[15]不良后果。

本文采用动载硬度试验法和静载硬度试验法来确定甘青隧道岩石的可钻性。测试岩样分别取自甘青隧道S2Z-45钻孔相邻孔深度为125.00、221.00、488.00和520.00 m岩层。此外,还对取得的岩样进行切割加工,制成薄片后使用显微镜观察并进行岩矿鉴定、岩相学分析,同时分析了岩石的组成成分,判断岩石的类别及岩石的性能。

动载硬度试验法使用WYQ-1岩石摆球硬度测试仪来进行测量,以标准钢球(质量5.7 g)自水平位置做定长圆弧摆动,冲击垂直的岩面,记录摆球回弹的角度和回弹的次数作为岩石的硬度指标。静载硬度试验法是使用WYY-1岩石压入硬度测试仪以压头侵入岩石发生第一次跃进式破碎的压强作为岩石的硬度指标。试验结果如表1和表2所示。

表1 动载硬度试验结果

表2 静载硬度试验结果

由表1和表2可知,岩石的压入硬度与摆球硬度测得的可钻性定级结果相差较多。因此,采用两者的回归方程式(1)来确定岩石可钻性K值,可为确定生产定额和选择钻进方法提供依据。

K=3.198+8.854×10-4Hy+2.578×10-4Hn。

(1)

式中;Hy为岩石的压入硬度;Hn为岩石的摆球回弹次数。将表1和表2的结果代入并计算确定了岩石的平均可钻性,结果如表3所示。

表3 岩石可钻性等级

通过测试甘青隧道地层岩石样品的硬度、矿物组成与粒度,分析其研磨性,根据分析结果指导孕镶金刚石钻头结构设计和参数选择。图2为岩样薄片的显微镜下照片。

a. 125.00～128.00 m处岩样1; b. 221.00～224.00 m处岩样2; c. 488.00～491.00 m处岩样3; d. 520.00～523.00 m处岩样4。

孔深125.00～128.00 m处岩样1(图2a)为似斑状结构,斑晶为斜长石、普通角闪石和黑云母,基质为细粒半自形粒状结构,块状构造,岩石主要矿物组成为斜长石(体积分数65%～70%)、石英(5%～10%)、角闪石(20%)和黑云母(5%),副矿物有磷灰石、榍石等,定名为蚀变斑状角闪石英闪长岩。斑晶中存在局部绿泥石化蚀变,蚀变的普通角闪石粒径为0.50～1.80 mm,斜长石斑晶的粒径为0.50～0.80 mm,岩石基质的粒径为0.10～0.30 mm。

孔深221.00～224.00 m处岩样2(图2b)为泥状结构,水平层理构造。岩石整体以黏土矿物、隐晶质矿物集合体和极少量长英质碎屑颗粒组成,分选较好,整体颗粒粒径小于0.003 mm,长英质碎屑粒径为0.003～0.010 mm,定名为钙质粉砂质泥岩。

孔深488.00～491.00 m处岩样3(图2c)为似斑状结构,斑晶为斜长石、普通角闪石及少量黑云母,基质为细粒半自形粒状结构,块状构造。岩石主要矿物组成为斜长石(65%～70%)、石英(5%)、角闪石(20%)和黑云母(不足5%),副矿物有磷灰石、榍石等,定名为斑状角闪石英闪长岩。斑晶中存在部分绿帘石化和绿泥石化蚀变,蚀变的普通角闪石粒径为0.50～1.50 mm,自行板柱状斜长石斑晶的粒径为0.50～1.00 mm,基质矿物粒径为0.10～0.30 mm。

孔深520.00～523.00 m处岩样4(图2d)为似斑状结构,斑晶为斜长石和普通角闪石,基质为细粒半自形粒状结构,块状构造,岩石主要矿物组成为斜长石(70%)、石英(5%)、角闪石(20%)和黑云母(5%),副矿物有磷灰石、榍石等,定名为蚀变斑状角闪石英闪长岩。完全被褐帘石化褐碳酸盐化蚀变后的斑晶粒径为0.50～2.00 mm,被高岭土化的斜长石斑晶粒径为0.50～1.50 mm,基质矿物蚀变程度与斑晶相当,其粒径为0.10～0.30 mm。

如图2所示,通过对4组岩样进行薄片分析可以得出,甘青隧道中的地层岩石粒径较小,胶结强度高,研磨性较弱。根据岩样测得的硬度、矿物组成、粒径及研磨性设计金刚石钻头的结构设计和参数的选择。

3 孕镶金刚石钻头的设计和优化

钻头设计在很大程度上会影响钻进作业的工作效率、钻探质量和钻探成本。通常情况下,孕镶金刚石钻头的设计内容包括钻头的底唇面形状、胎体硬度和壁厚、工作层高度、金刚石的粒度和体积分数等[17-18]。本文优选了金刚石品级、粒度和体积分数,设计了不同胎体硬度和底唇面形状的孕镶金刚石钻头。通过比较钻头的实际使用情况来研究影响孕镶金刚石钻头性能的因素。

3.1 孕镶金刚石钻头结构设计

针对甘青隧道的岩层特点,在钻头的底唇面设计上采用了两种结构,分别是环槽尖齿结构和滚齿结构。

图3所示为环槽尖齿唇面孕镶金刚石钻头的三维设计简图,水口数为10。钻头设计内径为64.00 mm,外径为96.00 mm,设计胎体高度为15.00 mm。此结构能使井底形成易于脆性破坏的环形岩脊,从而使比压集中,并在孔底形成破岩自由面,提高造屑粒度,有利于金刚石出刃,从而提高破岩效率[19]。

a. 立体图的正视图;b. 立体图的内视图;c. 钻头结构尺寸图;d. 钻头唇面结构图。Φ.直径。长度单位:mm。

图4所示为滚齿唇面孕镶金刚石钻头的三维设计简图,主水口数为8。设计内径为64.00 mm,外径为96.00 mm,设计胎体高度为12.00 mm。此结构在钻进过程中有利于排除岩屑,避免岩石重复破碎,提高钻头唇面的冷却效果,防止烧钻。同时,能增加钻头钻取孔底岩石的自由面,形成剪切破碎,提高碎岩效率。

a. 立体图的正视图;b. 立体图的内视图;c. 钻头结构尺寸图;d. 钻头唇面结构图。Φ.直径;R.半径。长度单位:mm。

3.2 金刚石参数优选

孕镶金刚石钻头的工作层是由钻头胎体和孕镶在其中的金刚石组成的,钻头胎体是包镶金刚石并固定于钢体的重要连接部分[20],钻头碎岩依靠的是金刚石出露形成切削刃,因此,孕镶钻头的金刚石体积分数、品级和粒度优选是钻头设计的重要内容。

本文针对甘青隧道的岩石性质,选取金刚石粒度为40～50目,金刚石品级为MBD8(JR5),金刚石体积分数为20%。

4 现场试验

在甘青隧道S2Z-45孔进行了现场试验,试验孔段为26.00～521.00 m,共使用了4只钻头,钻头的使用情况如表4所示。

表4 甘青隧道孕镶金刚石钻头使用记录

在现场钻进时,对每种钻头的使用情况分别进行了记录,选取了若干个钻进回次,记录相应钻头的回次进尺长度和纯钻时间,从而计算钻头的钻进效率。

表5所示为硬度为HRC 15～20的环槽尖齿型孕镶金刚石钻头使用记录。图5所示为使用后的钻头唇面磨损情况。通过测量,磨损后的钻头内径为63.50 mm,外径为95.14 mm,胎体高度由15.00 mm磨损到10.52 mm;水口出现轻微磨损,环槽尖齿型钻头的磨损高度为4.48 mm,说明每磨损1.00 mm钻头前进71.65 m;唇面尖齿部分完全磨损、金刚石出露良好。

表5 甘青隧道HRC 15～20环槽尖齿型钻头使用记录

图5 甘青隧道HRC 15～20环槽尖齿型钻头磨损情况

从图5可以看出,钻头底唇面被磨平,尽管仍能使用,但钻头的钻进效率已经出现下降。根据表5计算可得,硬度为HRC 15～20的环槽尖齿型孕镶金刚石钻头的平均钻速为1.17 m/h。

表6所示为硬度为HRC 10～15的滚齿型孕镶金刚石钻头使用记录。经过计算可得,钻头在21个回次中的平均钻速为1.18 m/h。值得注意的是,钻头在前半段(孔深392.00～419.00 m)10个回次的纯钻时间明显更短,因此对前10个回次的钻进速度进行计算,结果显示,滚齿型孕镶金刚石钻头在前半段的钻进速度能够达到1.44 m/h,明显高于整个钻头的平均钻速以及环槽尖齿型孕镶金刚石钻头的平均钻速。图6所示为在前半段使用后的钻头唇面磨损情况。通过测量,磨损后的钻头内径为63.26 mm,外径为95.06 mm,水口出现轻微磨损;胎体高度由12.00 mm磨损至5.43 mm,磨损高度为6.57 mm,说明每磨损1.00 mm钻头前进9.59 m。金刚石出露良好。

表6 甘青隧道HRC 10～15滚齿型钻头使用记录

图6 甘青隧道HRC 10～15滚齿型钻头在孔深392.00～419.00 m磨损情况

表7所示为硬度为HRC 8～10的滚齿型孕镶金刚石钻头使用记录。经过计算可得钻头的平均钻速为1.04 m/h。图7所示为使用后的钻头唇面磨损情况。通过测量,磨损后的钻头内径为63.00 mm,外径为95.12 mm,胎体高度为2.02 mm。胎体磨损达到9.98 mm,水口出现轻微磨损,金刚石出露良好,每磨损1.00 mm钻头前进6.60 m。由于钻头胎体硬度相对较低,钻头磨损严重,胎体的严重磨损导致钻头在工作时与地层的接触面积增大,钻压恒定的情况下,比压减小,导致钻速明显降低。由于胎体硬度低,钻头的钻进速度降低。与环槽尖齿型钻头相比,滚齿型钻头的磨损情况更为严重。

表7 甘青隧道HRC 8～10滚齿型钻头使用记录

图7 甘青隧道HRC 8～10滚齿型钻头磨损情况

对现场钻进试验的数据进行统计,计算不同底唇面形状和胎体硬度孕镶金刚石钻头的使用寿命和钻进速度。结果表明,滚齿型钻头的使用寿命远低于环槽尖齿型钻头。但HRC 10～15滚齿型钻头的钻进速度较高,尤其是在使用初期,其钻头的钻速达到1.44 m/h。 现场试验后的钻头实物见图8。

图8 现场试验使用后的钻头实物图

5 结论

1)本文采用动载硬度试验法和静载硬度试验法来确定甘青隧道岩石的可钻性,对地层岩样制作薄片并进行显微镜观察,分析判断了岩石的类别和性能,确定岩层大部分由闪长岩组成,为弱研磨性,可钻性等级为8级,为孕镶钻头的设计提供依据。

2)针对甘青隧道的岩石性质对金刚石参数进行优选,选取金刚石粒度为40～50目,金刚石品级为MBD8(JR5),金刚石体积分数为20%,并分别制备了胎体硬度为HRC 15～20、底唇面为环槽尖齿型的孕镶金刚石,以及胎体硬度为HRC 8～10和HRC 10～15的滚齿型孕镶金刚石。

3)通过现场钻进试验及数据分析,表明滚齿型钻头的使用寿命远低于环槽尖齿型钻头。HRC 10～15滚齿金刚石钻头的钻进速度比HRC 15～20环槽尖齿型钻头的钻进速度更高,尤其是在使用初期,胎体硬度为HRC 10～15的滚齿型孕镶金刚石钻头使用初期最高钻速能够达到1.44 m/h。试验结果表明,HRC 15～20的环槽尖齿型钻头在弱研磨性的闪长岩中使用性能最佳。