旋轉(zhuǎn)井壁取芯器鉆頭性能探討

　　旋轉(zhuǎn)式井壁取芯器是一種從靠近裸眼井地層中直接獲取井壁巖芯的測(cè)井儀器，它適用于全井段中各種地層的井壁取芯作業(yè)。由于該儀器對(duì)原狀地層破壞較小，取得的巖心數(shù)量多、顆粒完整，并可以直接用于巖電實(shí)驗(yàn)和含油性分析化驗(yàn)，求取飽和度、孔隙度、滲透率等儲(chǔ)層參數(shù)，極具實(shí)驗(yàn)和分析價(jià)值，備受地質(zhì)學(xué)家的青睞[1]。但是在實(shí)際取芯作業(yè)過(guò)程中，在鉆壓和地層一定的情況之下，選擇適合該地層并且性能好的鉆頭往往能節(jié)約取芯時(shí)間，提高取芯作業(yè)時(shí)效性，并一定程度上降低取芯作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。文章對(duì)12種取芯鉆頭的各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行分析，同時(shí)配合這些鉆頭分別在不同的鉆壓下對(duì)五種巖石樣本（石灰?guī)r、花崗巖、粗砂巖、細(xì)砂巖和泥質(zhì)砂巖）進(jìn)行取芯實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，由此確定每種鉆頭的地層適用性。

　　1 旋轉(zhuǎn)井壁取芯鉆頭簡(jiǎn)介

　　1.1 取芯鉆頭工作原理

　　旋轉(zhuǎn)式井壁取芯器的鉆頭是一種空心的金剛石鉆頭。它靠螺紋連接在該儀器的高溫液壓馬達(dá)的鉆桿上[2]。它是以鋒利、耐磨以及能夠自銳的天然金剛石或者人造金剛石為切削齒，在馬達(dá)鉆桿的帶動(dòng)下獲得較高的鉆速和鉆頭進(jìn)尺。在鉆取地層巖芯時(shí)鉆頭上的每粒金剛石在鉆壓作用下壓入巖石，使切削面下方的巖石處于極高的應(yīng)力狀態(tài)，造成局部破裂，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)扭矩的作用下產(chǎn)生切削作用，破碎巖石的體積大體上等于金剛石吃入巖石的位移體積，最后通過(guò)不斷的切削作用，形成一顆完整的巖芯。

　　1.2 取芯鉆頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

　　旋轉(zhuǎn)井壁取芯金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)大同小異，主要包括鋼體、胎體、切削刃和水口。文章探討的12種鉆頭的鋼體均為17-4PH型馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，具有良好的抗腐蝕、耐疲勞性。胎體是鑲嵌金剛石顆粒的基體，是由一定粒度的硬質(zhì)合金粉加上適當(dāng)?shù)囊兹劢饘僮髡澈蟿瑝褐茻Y(jié)而成。金剛石鉆頭的切削刃根據(jù)金剛石顆粒鑲嵌在胎體上的形式有表鑲式，孕鑲式和表孕鑲式三種。金剛石鉆頭的水口是構(gòu)成鉆頭水動(dòng)力的通道，它使金剛石在鉆進(jìn)過(guò)程中保證供給鉆頭工作面足夠的水利能量，既能清除巖屑，又能很好的冷卻和潤(rùn)滑鉆頭上的金剛石。

　　2 模擬取芯實(shí)驗(yàn)

　　2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說(shuō)明

　　為了能夠準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)每種鉆頭的優(yōu)缺點(diǎn)和它們各自的地層適用性，特將12種鉆頭分別在0～40 kg的鉆壓下，分別對(duì)石灰?guī)r、花崗巖、粗砂巖、細(xì)砂巖和泥質(zhì)砂巖共5種不同地質(zhì)特性的巖石樣本進(jìn)行模擬鉆取巖芯實(shí)驗(yàn)，觀察不同鉆頭在不同鉆壓下的取芯效果，同時(shí)記錄取芯過(guò)程中的扭矩、轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù)的實(shí)時(shí)變化情況，最后整理出所有的數(shù)據(jù)和曲線圖，以此確定每種鉆頭的地層適用性。

　　2.2 旋轉(zhuǎn)井壁取芯鉆頭部分重要技術(shù)參數(shù)分析

　　2.2.1 鑲嵌金剛石的目數(shù)

　　對(duì)比1號(hào)和6號(hào)鉆頭，前者金剛石目數(shù)A粒/克拉，后者B粒/克拉，且A>B，其余參數(shù)一致。圖1為這兩種鉆頭對(duì)石灰?guī)r取芯時(shí)的鉆壓-扭矩對(duì)比圖。

　　從圖1可以看到，1號(hào)和6號(hào)兩種鉆頭只是鑲嵌的金剛石目數(shù)不一樣，在取芯實(shí)驗(yàn)時(shí)，1號(hào)的扭矩明顯高于6號(hào)，即1號(hào)比6號(hào)更利于對(duì)石灰?guī)r的取芯，取芯時(shí)間必然是T1 　　2.2.5 鉆頭的內(nèi)外徑

　　由于旋轉(zhuǎn)井壁取芯儀器取出的巖芯是有規(guī)定的，最大直徑25 mm，最大長(zhǎng)度50 mm[2]，所以鉆頭的內(nèi)外徑只要能滿足這個(gè)要求即可。但是作為研發(fā)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，內(nèi)徑一定是為了滿足巖芯的直徑要求，外徑的大小則需要根據(jù)具體情況而定，不同內(nèi)外徑造成了不同的切削面積。例如在鉆取相同的地層并在鉆壓一定的情況之下，切削面積越大，則取芯遇到的阻力也越大；切削面積越小，則取芯遇到的阻力也越小。圖5為1號(hào)、2號(hào)和6號(hào)鉆頭鉆取細(xì)砂巖時(shí)的鉆壓-扭矩對(duì)比圖。

　　從圖5可以看到，在鉆取硬度較低的細(xì)砂巖時(shí)，隨著鉆壓的增大，1號(hào)鉆頭的扭矩明顯小于2號(hào)鉆頭，6號(hào)鉆頭則更大。這是因?yàn)檫@三種鉆頭的內(nèi)徑相同，但1號(hào)鉆頭的外徑小于2號(hào)鉆頭，則1號(hào)鉆頭的切削面積小于2號(hào)鉆頭，在鉆取軟地層時(shí)受力面積較小，性能相對(duì)差一些。6號(hào)鉆頭的外徑雖然小于2號(hào)鉆頭，但是6號(hào)鉆頭的切削面與其他鉆頭不同，存在一個(gè)特定的角度，相比別的鉆頭而言在鉆取巖芯時(shí)更合適，扭矩也更大。

　　2.2.6 鉆頭的胎體

　　鉆頭的胎體需要一定的硬度，主要根據(jù)鉆頭金剛石鑲嵌的形式來(lái)選擇，例如表鑲鉆頭的胎體應(yīng)該較硬，孕鑲鉆頭的胎體應(yīng)該較軟。但是還有一個(gè)要注意的是，在對(duì)較硬巖石取芯時(shí)，即使同樣的表鑲鉆頭由于胎體的硬度不一樣，取芯結(jié)果也是有差異的，1號(hào)和9號(hào)鉆頭同時(shí)對(duì)花崗巖取芯后就能顯示出來(lái)了。1號(hào)鉆頭為X基胎體，其硬度要大于9號(hào)鉆頭的Y基胎體，在同樣鉆壓、鉆取時(shí)間的條件下，鉆取硬度較大的花崗巖后，9號(hào)鉆頭的金剛石磨粒就脫落了幾個(gè)，而1號(hào)鉆頭的金剛石顆粒還未出現(xiàn)脫離現(xiàn)象。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)與篩選，最終將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成了如表1所示的取芯鉆頭地層適用性星級(jí)評(píng)定表。

　　結(jié)論

　　（1）對(duì)12種旋轉(zhuǎn)井壁取芯空心金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行理論分析，同時(shí)密切結(jié)合模擬取芯的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)每種鉆頭適用哪些地層巖石給出了相對(duì)具體的結(jié)論。（2）由于實(shí)際取芯地層條件復(fù)雜多樣，建議在現(xiàn)場(chǎng)工作中應(yīng)多準(zhǔn)備幾款應(yīng)對(duì)不同地層的鉆頭，盡量針對(duì)不同的地層使用其對(duì)應(yīng)的鉆頭以達(dá)到最優(yōu)取芯效果。（3）建議鉆取50～80顆巖芯后便更換一次鉆頭（根據(jù)實(shí)際情況），這些鉆頭應(yīng)該在每口井作業(yè)之后立即檢查是否壞齒、金剛石掉落或變鈍、鉆頭胎體是否損壞等，任何上面所說(shuō)的情況都可能使鉆取巖芯速度減慢或不能取芯。（4）取芯鉆頭在保存時(shí)，應(yīng)存放在專用的存儲(chǔ)箱內(nèi)，盡量避免由于鉆頭之間相互摩擦碰撞造成的切削刃損壞。