金剛石鉆頭失效原因及改進(jìn)

　　目前金剛石繩索取心鉆進(jìn)工藝以其鉆進(jìn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、鉆孔穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被鉆探行業(yè)所普遍采用。同時(shí)這種鉆探工藝對(duì)金剛石鉆頭也提出了更高的要求，需要更高的鉆進(jìn)效率以及更長(zhǎng)的使用壽命。在江西省武寧縣石門(mén)寺鎢礦勘察復(fù)雜地層條件下鉆進(jìn)，常規(guī)金剛石鉆頭由于孔底情況復(fù)雜，經(jīng)常發(fā)生超前磨損或非正常磨損而失效，從而導(dǎo)致鉆進(jìn)效率低、壽命低的情況，難以達(dá)到鉆探工藝的要求。
　　1、金剛石鉆頭失效分析
　　1.1 內(nèi)外保徑早期磨損
　　 (1)巖層研磨性強(qiáng)；
　　 (2)由于巖心破碎，鉆進(jìn)過(guò)程中巖心不能順利進(jìn)入內(nèi)管，或發(fā)生巖心堵塞現(xiàn)象,造成巖心在鉆頭內(nèi)徑處消耗，從而導(dǎo)致鉆頭內(nèi)保徑超前磨損失效。
　　1.2 水口沖蝕嚴(yán)重
　　 (1)巖層研磨性強(qiáng)，沖洗液含砂量高；
　　 (2)鉆頭胎體偏軟。
　　1.3 胎體掉塊
　　 (1)下鉆時(shí)遇探頭石或脫落巖心，因掃孔而磕裂；
　　 (2)鉆進(jìn)過(guò)程中遇硬、脆、碎地層，鉆具振動(dòng)幅度大，導(dǎo)致鉆頭胎體產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而發(fā)展成掉塊。
　　1.4 鋼體磨損嚴(yán)重
　　 (1)孔壁穩(wěn)定性差、易坍塌、掉塊，導(dǎo)致鋼體外部磨損；
　　 (2)巖心破碎不能順利進(jìn)入內(nèi)管，在卡簧座與鉆頭鋼體間相磨，導(dǎo)致鋼體內(nèi)部磨損。
　　1.5 鉆頭不進(jìn)尺
　　 (1)鉆頭胎體硬度太高，遇硬夾層拋光打滑；
　　 (2)胎體太軟，工作層過(guò)度消耗。
　　2、金剛石鉆頭的設(shè)計(jì)及制造
　　2.1 胎體性能及制造工藝的設(shè)計(jì)
　　 金剛石鉆頭胎體的性能指標(biāo)主要有硬度、耐磨性、抗沖蝕性、抗彎強(qiáng)度、抗沖擊韌性以及對(duì)金剛石的包鑲能力等。針對(duì)復(fù)雜地層，胎體硬度應(yīng)選擇在偏中等的HRC32~ HRC38之間，以確保在軟層或硬層均能獲得良好的鉆進(jìn)效率和使用壽命。胎體的其他性能指標(biāo)需比常規(guī)金剛石鉆頭提高20% 以上，以確保鉆頭能夠承受井底復(fù)雜情況的考驗(yàn)，為此采取以下方法。
　　 (1)使用納米級(jí)的超細(xì)胎體粉末材料。使用該材料與傳統(tǒng)材料制作的胎體相比較,能在胎體硬度相對(duì)較低的情況下獲得更高的耐磨性與抗沖擊韌性。這樣更有利于鉆頭在工作過(guò)程中保持很好的金剛石出刃而胎體損耗較慢，使鉆頭鉆進(jìn)效率與使用壽命大大提高。
　　 (2)使用氫還原脫氧處理胎體粉末材料。該工藝使金屬粉末表面氧化物的被還原以及變形粉末的再結(jié)晶，使粉末顆粒相互結(jié)合提高粘結(jié)強(qiáng)度，使胎體獲得更高金剛石包鑲能力、力學(xué)強(qiáng)度以及與鋼體的粘結(jié)牢度。
　　 (3)采用低溫?zé)釅簾Y(jié)工藝。金剛石在溫度超過(guò)800℃時(shí)就會(huì)發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生熱損傷使強(qiáng)度下降。該工藝的制造溫度不超過(guò)720℃，能最大程度地減少金剛石因高溫而產(chǎn)生的熱損傷，保護(hù)金剛石的碎巖能力。
　　2.2 金剛石濃度、粒度的選擇
　　 金剛石濃度、粒度的選擇對(duì)鉆頭壽命以及鉆進(jìn)效率具有重要的影響作用。
　　 濃度偏高，鉆頭胎體端面的金剛石與巖石的接觸面積增大，單粒金剛石所承受的壓力較小，相應(yīng)壓入巖石的深度減小。當(dāng)金剛石上的壓強(qiáng)小于巖石的抗壓強(qiáng)度時(shí)，金剛石就不能壓入巖石，表現(xiàn)為鉆頭打滑不進(jìn)尺。相反，濃度偏低一是不能布滿唇面的環(huán)狀面積，出現(xiàn)大面積的金剛石空白區(qū)，二是造成單粒金剛石上的壓強(qiáng)太大，在新的金剛石未出露之前，已出露的金剛石就過(guò)早地磨損或崩刃、脫粒，導(dǎo)致鉆進(jìn)狀況惡化，甚至停鉆。
　　 金剛石鉆頭的粒度設(shè)計(jì)與巖層的完整度、硬度、鉆進(jìn)參數(shù)、金剛石的其他參數(shù)(濃度)有關(guān)。具體設(shè)計(jì)金剛石粒度可按預(yù)期鉆速v進(jìn)行考慮。
　　
　　 式中: v――預(yù)期機(jī)械鉆速，cm /min;――每粒金剛石的質(zhì)量,―― 鉆頭上施加的壓力，kg; n――鉆頭轉(zhuǎn)速，r /min; M――金剛石的濃度，% ;――工作金剛石與巖石接觸面上的單位壓力，kg /cm2;――每粒工作金剛石與巖石接觸的面積cm2;――鉆頭端面有效系數(shù)。
　　 在復(fù)雜地層條件下，巖心鉆探的預(yù)期鉆速選擇在時(shí)效1.5 ~ 2.5m，以確保鉆孔的穩(wěn)定性和安全性。可采用不同粒度的金剛石混鑲，濃度選擇在70%~80%。由于其金剛石粒度大小不一，在鉆進(jìn)過(guò)程中造成眾多的出刃高度不等的金剛石，在切削巖石時(shí)形成眾多的微切削溝槽，其深度參差不齊，形成若干自由面，從而提高鉆頭的破巖效率。
　　2.3 鉆頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
　　 在復(fù)雜地層條件下，鉆頭的唇部造型應(yīng)采用尖槽同心圓結(jié)構(gòu)。該造型增加了鉆頭底面的自由切削面，增強(qiáng)鉆頭對(duì)巖石的研磨能力，而且尖齒的側(cè)面還能對(duì)巖石產(chǎn)生擠壓破碎作用，具有更好的破巖效率。同時(shí)該造型能使鉆頭在工作過(guò)程中獲得更好的穩(wěn)定性，以防止出現(xiàn)孔斜等情況發(fā)生。
　　 為減輕胎體的沖蝕磨損狀況，在難以降低鉆井液含砂量時(shí)，適當(dāng)增加水口寬度或增加底噴水眼，通過(guò)增加鉆頭的過(guò)水面積以減弱鉆井液的沖蝕性。
　　2.4 保徑的加強(qiáng)
　　 在復(fù)雜地層條件下，金剛石鉆頭的保徑能力是鉆頭使用壽命的關(guān)鍵。尤其是內(nèi)保徑，通常發(fā)生提前磨損，導(dǎo)致巖心變粗不能順利進(jìn)入內(nèi)管而產(chǎn)生堵心。目前人造孕鑲金剛石鉆頭通常采用圓柱狀聚晶保徑。聚晶的特點(diǎn)為耐磨性強(qiáng)，但克取巖石的能力弱。
　　 在強(qiáng)研磨性地層中，常規(guī)的保徑方式由于圓柱狀聚晶工作面小而很快磨損導(dǎo)致鉆頭失效。為此，保徑層采用方聚晶，通過(guò)增加聚晶的工作體積來(lái)加強(qiáng)保徑能力，能起到非常好的效果。為避免因聚晶過(guò)多參與碎巖過(guò)程而導(dǎo)致鉆速降低,在聚晶的排列上采用三角形排布，靠近鋼體端排布多，向工作層端遞減。
　　4、結(jié)論
　　 (1)采用納米級(jí)超細(xì)金剛石胎體粉末材料，并用氫還原脫氧工藝對(duì)粉末材料進(jìn)行處理后進(jìn)行燒結(jié)，提高了胎體的耐磨性、抗沖擊韌性、抗沖蝕性以及對(duì)金剛石的包鑲能力等性能指標(biāo)。
　　 (2)使用低溫?zé)釅簾Y(jié)工藝，減少了金剛石因高溫而產(chǎn)生的熱損傷，保護(hù)了金剛石的碎巖能力。
　　 (3)選用合適的鉆頭底唇面造型，提高了鉆頭的碎巖能力及鉆進(jìn)過(guò)程的穩(wěn)定性。
　　 (4)采用方聚晶保徑，并改進(jìn)保徑層的結(jié)構(gòu)，大大加強(qiáng)了鉆頭的保徑能力。
　　 (5)選用混鑲粒度的金剛石及合適的金剛石濃度，提高了鉆頭對(duì)復(fù)雜地層的適應(yīng)性。