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關鍵詞:
鉆頭設計,打滑層
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資料類型：
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上傳時間：
2013-08-19
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資料簡介
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JC35導讀：實現“打滑層”巖層的正常鉆進應從鉆頭的設計和鉆頭的使用兩個方面進行摸索和實踐，本文僅給出了一些解決問題的思路和方向，供業內同行借鑒和參考，并與同仁探討。下面對于其定義和操作問題詳細的簡述。
一、“打滑層”的定義
孕鑲人造金剛石鉆頭在鉆進各類不同巖層中，經常出現“打滑”現象。所謂“打滑”就是在鉆進中機械鉆速低，甚至出現不進尺現象。能產生這種現象的巖層很多，如堅硬的石英層、花崗巖、燧石巖、灰巖、大理巖等。能否說產生這種現象的巖層都是“打滑層”呢？當然不是。發生“打滑”現象的原因是多種多樣的。例如：某礦區巖石為灰巖、大理巖等，在該區施工的勘探隊只能使用電鑄鉆頭鉆進，換用熱壓燒結的孕鑲人造金剛石鉆頭就不進尺，金剛石也不出露，究其原因是因井內漏失不能使用乳化液，使鉆機轉速不上去，鉆頭實際回轉線速度只有0.5—0.8米/秒，造成胎體耐磨的熱壓燒結鉆頭唇面金剛石不出刃而不進尺，類似這類情況的巖層不應被叫做“打滑層”。
二、“打滑層”鉆頭的設計原則
“打滑層”的特點是巖石特別堅硬，結構致密，強度高，研磨性弱。根據這些特點合理設計鉆頭參數才能取得好的鉆進效果。其基本原則是：
1、選用高品級人造金剛石。
高品級人造金剛石具有晶形好，單粒抗壓強度高，熱穩定性好等特點，鉆進堅硬巖石具有特別明顯的優點，是低品級金剛石所*的。
2、選用中粒度人造金剛石。
就金剛石生長的特點和當前的合成技術水平來說，隨著單晶粒度的增大，晶體內包裹體含量增加、因晶格畸變導致單晶不規則生長的趨勢增加，這就意味著全粒度范圍中以50/60、60/70、70/80、80/100等中等偏細粒度金剛石單晶晶形zui完整、雜質含量zui低，也就是說，在相同品級的單晶中，這一粒度具有比粗粒度（35/35、40/45、45/50）更優良的在單位面積上的抗壓強度（比壓）和抗沖擊強度指標，這可以從同為MBD12品級的45/50與50/60兩個粒度的抗壓強度（Kgf）/網孔面積（um）比值的差異得到證明：
45/50粒度的抗壓強度（Kgf）/網孔面積（um）比值為16/390=0.041
50/60粒度的抗壓強度（Kgf）/網孔面積（um）比值為14/275=0.051
前者遠小于后者。
在同等條件下的碎巖工作中，具有更優良比壓的中等偏細粒度金剛石單晶具有更好的鋒利度和耐用度，而粗粒度金剛石由于單位面積上的強度指標低，造成金剛石棱角易于被磨鈍且又不能及時脫粒，新切削刃不能及時出露，從而發生“打滑”現象。
當然，過細的金剛石粒度同樣會因出刃不足造成鉆頭打滑，什么樣的粒度可以滿足正常鉆進的要求，可以通過模擬鉆頭鉆進工藝參數間的關系予以評估和粗略計算。
鉆頭的鉆進行為可以用下列方式描述：鉆頭鉆進中其唇面上的某一金剛石切刃是以螺旋線的形式在工作，即同時在兩個方向上產生分位移和分力：其一是沿鉆孔軸向Y，其二是與軸向垂直的切向X，二者的合位移和合力Z表現了此切刃實際的工作狀態。此狀態可以按幾何模型展開如勾、股、弦關系，并存在如下關系式：
X2+Y2=Z2
以此關系式代入相應數據進行推導，可以評估和粗略計算鉆頭某些設計參數的合理與否，如選用金剛石粒度、濃度、強度等，下面以確定粒度為例進行推導。
假設設計一φ75金剛石取芯鉆頭，按正常的鉆進工藝為：鉆頭轉速300-500r/min、進尺速度3-5m/h、鉆壓150Kgf/cm2，以zui大外徑處的某一金剛石切刃為對象計算其單位時間內在X、Y、Z三個方向上的位移S，設時間t=1min、鉆頭轉速v1=300r/min、進尺速度v2=4000mm/h，則X、Y、Z三個方向上的位移S分別為：
SX=75×π×300=70685mm
SY=4000÷60=66.667mm
SZ=√706852＋66.6672=70685.8mm
金剛石切刃對巖石的加工是磨削、切削、耕犁、壓碎等多種方式綜合作用的結果，并且實際是一種群刃工作狀態，準確的計算其一次切深工作參數是困難的,因此這里僅以理想化的狀態，即單刃、切削狀態來量化相應數據以求得結論。根據上述數據，求得鉆頭每轉進尺深度為：
S=SY/V1=66.667/500=0.133mm
可以認為,此時單金剛石切刃一次切入巖石深度zui大為0.133mm。
經驗認為，金剛石單晶的在胎體中的包鑲深度達到60%時，就能保證不異常脫落，出刃高度的50%作為切削中的容屑高度是適宜的，因此金剛石切刃的一次切深設計可以為該金剛石粒徑的20%。按此思路，代入上述一次切入巖石深度的數據，則此金剛石單晶顆粒直徑為：
D=0.133×4=0.532mm
此數據相當于45/50粒度
3、選用混粒度孕鑲。
為提高鉆頭廣譜性，采取不同粒度混鑲是一個有效途徑。這樣對“打滑層”鉆進和非打滑層鉆進都是可以的，消除了因巖層變換頻繁上鉆換鉆頭的現象。
4、選用較低濃度的金剛石含量。
由于濃度低金剛石顆粒相對減少，分布在唇面上每粒金剛石的鉆壓就會增加，有利于金剛石切入巖石，從而提高機械鉆速。
5、選用金剛石合理分布方式。
采取金剛石合理分布方式達到鉆頭唇面均衡磨損，可以增加鉆頭使用壽命。
6、選用中等硬度胎體。
以往由于金剛石品級不高，鉆進往往采用軟胎體以便于金剛石的出露，這無疑是正確的，但由于人造金剛石品級的不斷提高，在采用高品級金剛石繼續采用軟胎體，勢必造成金剛石的過早脫粒，既不利于進尺，有造成浪費，因而，根據胎體硬度與使用金剛石品級相匹配原則，應選用中等硬度胎體匹配高品級金剛石鉆進打滑巖層。
7、選用自由面較多的唇面形狀。
鉆進巖層完整的打滑層時，較多自由面的唇面形狀如梯齒型、鋸齒型、尖齒型等將有利于巖石破碎，此時金剛石碎巖方式將由簡單的耕犁、壓入、壓碎、刮削等表面破碎形式轉變為更率的崩裂等體積破碎形式，有利于提高鉆速。同時，考慮到鉆速的恒定問題，要求鉆頭唇面形狀隨時間推移變化盡可能小，梯齒型唇面形狀是較為理想的選擇。
8、采用金剛石單晶保徑。
由于打滑層巖石特別堅硬，使用針狀合金或聚晶保徑往往會嚴重影響進尺，而金剛石單晶對于堅硬的井壁有刮削作用，有利于提高鉆速。
9、選用扇形水口。
扇形水口對于繩索取心鉆頭尤為重要，扇形水口和直水口對比，可以使鉆頭內外唇面均衡磨損。水口數量在滿足排粉、冷卻的條件下，水口數量不宜過多。
10、鉆頭進行予出刃處理。
予處理對于鉆進“打滑層”特別重要，使鉆頭下井不經“初磨”就可以直接進尺，減少了初磨時間，提高了鉆速。
三、“打滑層”鉆進操作應注意的幾個問題
1、由于“打滑層”巖性特別堅硬，在鉆進中鉆壓是關鍵的參數，沒有足夠的比壓，金剛石的尖刃就不能壓入巖石，在高轉速下，金剛石切刃很快被拋光而失去鉆進能力。
鉆壓P=F·p
其中：F為環狀唇面面積cm2，
p為單位壓力值N/cm2。打滑層要求鉆壓比鉆進其它巖石要大，一般采用882.6~1078.7N/cm2左右。
2、“打滑層”鉆頭轉數不宜過快。過快的轉速將影響對金剛石鉆頭唇面切削刃的冷卻，而在“打滑層”鉆進中金剛石出刃普遍較低，這種影響將更明顯，容易導致切削刃的提前磨損、磨純出現出刃拋光，發生人為的打滑現象，一般線速度控制在1.5~2m/s之間。
3、泵量要小。鉆進“打滑層”由于鉆進速度較低，井底產生的巖粉也相對少。泵量偏大將使井底的巖粉數量進一步減少，對于金剛石出露很不利，易發生打滑現象。而且泵量過大引起泵壓較高，能抵消一部分鉆壓，鉆壓的減輕也會發生打滑現象。
計算泵量的經驗公式：Q=K·D
式中：Q-泵量L/min
D-鉆頭外徑cm、
K-系數（一般選擇4~6）
4、由于“打滑層”巖石特別堅硬，一般井壁間隙較小，因而在選擇擴孔器時要注意鉆頭外徑與擴孔器外徑的尺寸配合，擴孔器外徑一般比鉆頭外徑大0.2~0.3mm為宜,不應超過0.4mm,否則就會影響進尺。
5、鉆進“打滑層”時，擴孔器種類的選擇，應選用金剛石單晶擴孔器（是電鍍的），不應選用聚晶擴孔器，其原因同鉆頭保徑材料一樣。
6、在鉆進“打滑層”中不能使用彎曲的鉆桿鉆具，鉆頭的同軸度要符合設計要求，保證鉆具回轉的穩定性，以防鉆頭金剛石異常脫粒現象的發生。其具體指標是：鉆桿每米彎曲不許超過1mm，鉆具每米彎曲不許超過0.75mm,鉆頭同軸度偏差不能大于0.2mm。
7、沒有進行予出刃的鉆頭下井之前，應向井內投入少量的石英砂（粒度0.5~1mm）鉆頭下井后采用小泵量,輕鉆壓,慢轉數鉆進5~10分鐘后換用正常參數鉆進。
8、在鉆進中，出現“打滑”現象時，普通雙管鉆進時應立即上鉆，對鉆頭進行出刃處理。繩索取心鉆進時，可減少泵量增加孔底巖粉量，促使金剛石重新出刃后恢復正常參數鉆進。這種操作方法，要求操作者必須是有經驗的，否則易造成燒鉆。
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