浅谈金刚石钻进工艺

闫鹏飞 刘世家

摘要：通过对金刚石钻进工艺参数的分析与计算，选择出最优金刚石钻进方案。从而提高钻进效率，减少钻进事故，降低钻探成本。

关键词：金刚石；钻进；工艺；参数

0 引言：

随着科技的进步，地质钻探技术也随着突飞猛进。其中，钻进工艺也得到了长足的发展。本文着重对金刚石钻进工艺进行了研究与参数的分析。通过研究和分析来确定具体钻探条件下使用何种钻进工艺更能提高钻进效率，减少钻进事故，降低钻探成本。

1 金刚石钻头的选用

金刚石钻头是目前最锐利的钻头，但在实践中并不适合所有地层与岩层使用。金刚石钻头必须和所钻的岩性相适应，这是提高金刚石钻进经济技术指标的关键环节之一。

尤其是金刚石钻头结构参数较为复杂，选择时应根据所钻岩层性质综合考虑到金刚石品级、胎体性能、唇面形状、内外径补强和水路设计等因素。

2 金刚石钻头钻进规程参数

金刚石钻进规程的主要参数是钻速、钻头总进尺和单位进尺的金刚石耗量。

2.1 钻压

1）表镶金刚石钻头的钻压P

P=Gp （dN）

式中，G—钻头上的金刚石粒数；

p—单位金刚石上允许的压力，dN/粒。

细粒金刚石：p≈1.0～1.5dN/粒；中粒金刚石：p≈1.5～2.0dN/粒；粗粒金刚石：p≈2.0～3.0dN/粒；特优质级金刚石：p≈5.0dN/粒；

2）孕镶金刚石钻头的钻压W

W=Fq （dN）

式中，F—钻头实际工作唇面面积，cm2；q—单位底唇面面积上允许的压力，dN/cm2。

中硬岩石：q≈40～50dN/cm2；坚硬岩石或金刚石质量高者：q≈60～70dN/cm2。

选择和施加钻压时还应注意以下几点：

（1）岩石性质 钻进软的弱研磨性或破碎、非均质岩层时，宜选下限钻压。

（2）金刚石 钻头上的金刚石质量好、数量多、粒度大时，宜选用上限钻压。

（3）钻头类型 钻头口径大、壁厚与岩石接触面积大、胎体较软时，宜选用上限钻压。

（4）应注意施加钻压的阶段性 每个新钻头的钻进回次应分为磨合阶段和正常钻进阶段。在磨合阶段应使用低钻压、低转速，让钻头唇面形状与孔底及岩芯根部吻合。

（5）孔底实际钻压 一般地表测得的钻压值都是钻具自重加上或减去油压的指示值，而由于钻孔弯曲、泵压的脉动和岩性不均质造成钻具振动，使孔底实际的瞬时钻压可能是地表指示钻压的0～3倍。因此，对于深孔、斜孔和非均质岩层应采用较小的钻压。

2.2 转速

转速是影响金刚石钻头钻速的重要因素，转速越快，钻速也越高。转速与金刚石磨损的关系比较复杂，若其他条件不变，钻头转速存在着临界值，即在某一转速下金刚石磨损量最小。

1）表镶金刚石钻头的线速度

表镶金刚石钻头所用的金刚石粒度较大，出刃量也较大，允许有较大的切入量，所以转速应低于孕镶钻头。推荐的线速度1～2m/s。

2）孕镶金刚石钻头的线速度

孕镶金刚石钻头所用的金刚石粒度很小，出刃量小，主要靠高转速来获取钻进效率。推荐的线速度1.5～3m/s。

选择合理的转速时，还应考虑以下几点：

（1）岩石性质 如果岩层较破碎、软硬不均、孔壁不稳定时，宜选用下限转速。

（2）钻孔 如果钻孔结构简单、环空间隙小、孔深不大时，应尽量选用高转速。

（3）设备和钻具 在实际工作中常因钻机的能力和钻杆柱的质量限制了选用高转速。

3、冲洗液泵量

冲洗液在金刚石钻进中除了完成排粉、冷却、护壁功能外，还将起到润滑钻具、帮助孕镶钻头自锐的作用。

一般根据液流上返速度确定金刚石钻进所需的泵量Q：

Q=6Vf （L/min）

式中，v—环隙空間的上返流速，金刚石钻进要求v≥0.3～0.5m/s；F—钻孔的环空面积，cm2。

由于表镶、孕镶金刚石钻头钻进时钻孔环状间隙小，冲洗液的流动阻力大，所以采用较低泵量和较高泵压。泵量过大不仅增大工作泵压，容易冲蚀孔壁和岩芯，还会过量抵消钻压，引起钻具的振荡。

同时还应综合考虑下述内容：

1）岩层性质 钻进坚硬致密的岩层时，单位时间产生的岩粉量少，可选择下限泵量，反之亦然。钻进强研磨性岩层时，需要较大泵量冷却，但携带岩粉磨粒的高速液流会严重冲蚀胎体，诱发金刚石颗粒过早脱落。因此，应该选择合理的泵量。

（2）钻头类型 孕镶金刚石钻头出刃微小，钻头唇面与岩面只存在漫流区，主要靠多个水口循环，常以高转速钻进，宜用较大的泵量。而表镶钻头的出刃较大，排粉和冷却条件较好，可选用较小的泵量。

（3）防止烧钻 防止金刚石钻头烧钻是生产中一项重要的工作。试验表明，用于冷却钻头所需的泵量并不大，只需泵量达每厘米钻头直径0.2～0.3L/nin就可满足胎体迅速散热的需要。但当转速为800r/min，钻头唇面压力为10Mpa时，钻头每转一圈，胎体温度升高1.73℃.所以钻进中若冲洗液停止循环1～2min，便可能造成烧钻事故。

4、钻进技术参数的配合

钻进效率是随着钻压和转速的增大而提高的。但钻压和转速的增大又不能是无限的，当它们超过一定的限度时，就会导致钻头的强烈磨损甚至烧毁。因此，在钻进时应选择钻压、转速和泵量的最优参数值。

在金刚石钻进中，钻压和转速的共同作用所形成的钻进效果，可以认为是一个稳定的常数。因此，当其中某项作用加大时，另一项作用就一定要减小。所以技术参数间必须相互协调配合。

钻头转速增大，许用钻压必须降低。钻压增大时，许用转速必须降低。对钻压和转速的确定，不能同时都选最大值，否则会导致钻头严重磨损或烧毁。

技术参数由正常值增大到临界值时，随着胎体的急剧升温，功率消耗也急剧增大，其临界值基本上是个常数，约为6.125±0.785KW。当胎体升温5～6倍时，功率消耗增大2～3倍。当技术参数达到临界值时，机械钻速也趋向一个常数不再增大。在实现钻进监控仪表化后，功率也将被列入技术参数项目。