“松科二井”用硬岩长寿命钻头的设计与应用

2018-03-19沈立娜

钻探工程 2018年2期

李春，沈立娜

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

1 概述

“松科二井”将是全球第一口钻穿白垩纪陆相地层的大陆科学钻探井，其设计井深为6400 m，为ICDP迄今为止所资助项目之最深科学钻探井，也是我国目前第一深的科学钻探井。松辽盆地大陆科学钻探工程的实施，将获取大约4500 m的关键岩心。它与2007年10月完成的松科一井，将实现“两井四孔、万米连续取心”，构成全球首个近乎完整的白垩纪陆相沉积记录，从而获取白垩纪时期亚洲东部高分辨率气候环境变化记录。同时，也为大庆油田可持续发展奠定坚实的基础。这项研究将把传统地质学百万年的时间分辨率提高到万年的尺度，进而为预测未来全球时间尺度气候变化趋势提供更为科学的依据[1]。

“松科二井”钻探深度达到6400 m，将穿过营城组、沙河子组、火石岭组等地层，该地层岩性为酸性火山岩夹少量粉砂岩、砂岩、泥质岩及煤线，为火山喷发相及其间歇期形成的河湖相沉积。现有的普通金刚石钻头在4500～5000 m钻进过程中进尺缓慢，进尺效率约0.5 m/h，浪费了大量的时间和资源，同时也增加了钻探工程风险。

针对以上情况，我单位研制了“松科二井”用硬岩长寿命钻头，采用了高性能胎体材料，高强度焊接材料，以保证钻头在井内恶劣环境下的强度与寿命；采用了合理的钻头结构与水路结构，保证了钻头的钻进效率；并在“松科二井”进行了试验，取得了良好的效果。

2 钻头的设计

2.1 岩石室内试验

为了了解“松科二井”地层的特性，我们对“松科二井”钻探现场取得的岩样(见图1、图2)进行了室内分析和实验。

图1 “松科二井”岩石样品

图2 加工后的岩样

2.1.1 岩样分析

岩石样品经显微镜观察分析结果如下。

(1)矿物成分及含量。碎屑物：石英10%，长石15%，黑云母5%，岩屑30%；胶结物：粘土矿物35%，碳质物5%。

(2)结构构造。凝灰质细粒砂状结构，微层状构造。

(3)特征描述。岩石为凝灰质长石岩屑细砂岩，主要由细岩屑、长石、石英细砂粒和泥质胶结物组成，其中混有少量长英质晶屑，具凝灰质细粒砂状结构，微层状构造；砂粒呈次棱角状、次圆状，粒径0.06～0.3 mm，岩屑成分为粉砂岩和泥岩，呈碎屑状，粒径0.2～0.5 mm。晶屑呈棱角状、熔蚀状，表面碎裂纹发育，粒径大小与砂粒相似。黑云母呈碎片状、长条状，具定向分布。胶结物主要是粘土矿物，具隐晶质结构。其中分布细纹层状碳质物，构成微层理构造，见图3显微照片。

图3 凝灰质长石岩屑细砂岩正交偏光照片

依据岩石中矿物组成和组构特征，结合标本观察，该岩石镜下鉴定结果为凝灰质长石岩屑细砂岩。

2.1.2 岩样实验

采用综合分级法对制备的岩样进行了可钻性分级：

K=3.198+0.008854Hy+0.002578HN

(1)

式中：K——岩石可钻性等级；Hy——压入硬度值,kg/mm2；HN——摆球弹跳次数[2]。

利用岩石压入硬度计测试岩样的压入硬度，摆球硬度计测试岩样的摆球弹跳次数，代入式(1)计算岩石的可钻性等级，具体数值及岩样物理性质为：凝灰质长石岩屑细砂岩，压入硬度272.8 kg/mm2，摆球弹跳20.1次，可钻性6～7级。

2.1.3 岩样分析测试结论

由以上岩石成分及物理性质可以看出，岩样的压入硬度及可钻性都不高，不是非常难钻进的岩石，但是由于“松科二井”井深深达5000 m以上，井底的工况不同于浅层钻进，非常复杂，地表的动力很难有效地传达到井底，导致井底的碎岩效率低，表现为进尺慢、钻头磨损严重。针对这种情况，我们对钻头的胎体材料、焊接材料及钻头结构进行研究，优选高强度的胎体材料及焊接材料，提高钻头对“松科二井”深井复杂工况的适应性；重新设计钻头端面结构，保证钻头的进尺效率及寿命，研制适用于“松科二井”硬岩长寿命钻头。

2.2 高性能胎体材料的实验

选用4种强度较好的胎体材料，编号R1～R4，烧制实验标准块，进行胎体材料性能实验，包括表面洛氏硬度、抗冲击实验、抗弯强度实验及胎体耐磨实验。

2.2.1 表面洛氏硬度实验

采用热压法制备Ø30 mm×5 mm的标准试样；表面用80号砂纸打磨，除去粘结的石墨，直至试样表面平整并呈现金属光泽。利用全洛氏硬度计对式样进行洛氏硬度测试(HRC)，每个试块测5个点，取平均值；每种材料测3块，取平均值为该材料的表面洛氏硬度。具体数值见表1。

表1 不同胎体材料物理性能

2.2.2 抗冲击实验

采用热压法制备10 mm×10 mm×50 mm的标准试样；表面用80号砂纸打磨，除去粘结的石墨，直至试样表面平整并呈现金属光泽。利用摆锤式冲击试验机对试样进行抗冲击试验，摆锤冲断试样并指示冲击值后，对摆锤进行制动，记录数值，每种材料测3块，取平均值。冲击后的试样如图4，具体抗冲击韧性数值见表2。

图4 抗冲韧性击试验块

2.2.3 抗弯强度实验

采用热压法制备5 mm×5 mm×30 mm的标准试样；表面用80号砂纸打磨，除去粘结的石墨，直至试样表面平整并呈现金属光泽。将试样放置于胎体抗弯强度测试夹具中部，如图5所示，利用100 kN电子万能试验机对试样进行测试，待抗弯试样压断后，记录数值，每种材料测试4个试样，取平均值。具体抗弯强度见表2。

1—硬质合金上压块；2—抗弯试样；3—支点；4—下压块底座；5—上压板；6—导杆；7—弹簧；8—底座

图5胎体抗弯强度测试夹具

2.2.4 胎体耐磨实验

采用热压法制备Ø6 mm×8 mm的标准试样；将试样夹紧于耐磨试验机的卡头上进行初磨，直至试样被磨端面全部与砂纸均匀接触，将初磨后的试样用无水酒精或丙酮擦洗干净，放入干燥箱中，烘干30 min。利用耐磨试验机对初磨后的试样进行耐磨试验，具体操作过程如下：

(1)将烘干的试样放在精度0.1 mg电子天平上称重为W1；

(2)将试样固定在耐磨试验机卡头上，试样与回转盘上标准砂纸接触；

(3)装有标准砂纸的转盘以120 r/min的转速回转；

(4)试样在标准砂纸上做前进或后退运动，行程7.5 cm后设备自动停止；

(5)从卡头上卸下耐磨试样，进行清洗和烘干(在干燥箱中，温度75 ℃，烘干1 h)，冷却至常温；

(6)将烘干后并冷却的样品放在精度0.1 mg电子天平上进行称重W2；

(7)按公式(2)计算试样的磨耗率ML：

(2)

式中：ML——磨耗率；WO——试样检测前后的质量差，g；d——试样直径，cm；s——试样的摩擦行程，cm；γ——试样的密度，g/cm3。

每种材料测试3个试样，取平均值。具体耐磨性见表2。

2.2.5 测试结果

通过以上实验分别得出R1～R4的表面洛氏硬度、抗冲击韧性、抗弯强度与耐磨性，由表1可见，R4材料的性能最好，测试的性能均优于其他材料，故选取R4为制作硬岩长寿命钻头的胎体材料。

2.3 高强度焊接材料实验

选用几种强度较高的焊接材料，编号为H1～H4，其中H1是常规使用的焊料，为对比实验；以R4为焊接基材，以45钢为焊接母材，通过使用不同材料的焊料，测试相应的焊接强度，优选出适合焊接基材与母材的高强度焊接材料。

2.3.1 实验模型

依照《烧结双金属材料剪切强度的测定方法》(YS/T 485—2005)的剪切实验模型进行焊接强度测试，模型如图6所示。

2.3.2 试样制备

采用热压法制备R4材料的基材标准试样，尺寸为10 mm×10 mm×10 mm；用80号砂纸打磨试样表面，除去粘结的石墨，直至试样表面平整并呈现金属光泽；加工45钢母材标准试样，尺寸为10 mm×10 mm×50 mm；用无水酒精或丙酮擦洗2种材质的试样，以清除油渍和氧化物；采用气焊方式焊接，分别以H1～H4为焊接材料，将基材和母材焊接为一体，如图7所示。

图6 焊接实验模型示意图

图7 测试前后的焊接强度试块

2.3.3 测试结果

利用100 kN电子万能试验机对制备的试样进行焊接强度实验，沿竖直方向施加压力，直至基材和母材被剪切分开，记录剪切强度，每种焊接材料测试3个试样，取平均值，即为该材料的焊接强度，具体数值见表2。

表2 不同焊接材料与R4胎体焊接强度

由表3可知，H2焊料与R4胎体焊接强度最高，比常规焊料H1的焊接强度提高了60%左右，故选取H2为焊接硬岩长寿命钻头的焊接材料。

2.4 钻头结构设计

为提高岩心采取率，“松科二井”现场采用双管取心钻具、提钻取心的方式钻进，岩心筒长约30 m，故最长每30 m需提钻一次，这种取心工艺下，钻头寿命不再是影响钻进效率的主要因素，钻头的机械钻速则显得比较重要，设计钻头的主要目标是提高机械钻速，解决现场钻探效率低的问题。

“松科二井”井深达5000多米，地层致密，为了提高钻进效率采用螺杆为井下动力，由于螺杆的特性限定了泵的排量(30～35 L/s)，钻头考虑减小切削面积，增大过水面积，采用宽水路的设计；这样不但可以提高钻进效率，还保证了钻头端面过水通畅，及金刚石的充分冷却。

在上述思路的指导下，我们设计了异形端面钻头：减小钻头端面切削块的长度，用1～2块交错覆盖钻头端面，从而减小钻头端面的接触面积，研制的异形钻头如图8所示。

3 现场实验

异形钻头在“松科二井”进行了现场实验，平均机械效率为0.6～0.7 m/h，比现场上一回次使用的钻头提高了10%～15%，进尺24.07 m后由于堵心提钻。钻头提出孔口后，观察发现：由于采用2块与1块交错覆盖的方案，导致钻头胎块不同步磨损，重合覆盖的部分磨损量小，单块覆盖的部分磨损量大,磨损示意见图9。剩余寿命无法满足下一回次钻进需要(30 m)，不再下井使用。

图8异形钻头端面照片图9异形钻头端面磨损示意

异形钻头虽然没有取得预想的效果，但是验证了设计思路的正确性：“松科二井”深达5000多米的复杂工况下，减小切削面积，增大过水面积，可以提高钻进效率。由于钻头胎块不同步磨损，导致寿命较短，仅为24.07 m，下步工作改进钻头端面设计，保证钻进效率的情况下，尽量使钻头同步磨损，以提高钻头寿命。

4 钻头的改进

现场使用的普通扇形块钻头，在寿命方面表现良好，可以达到80 m左右，只是钻进效率偏低(0.5 m/h左右)，所以考虑在普通扇形块结构的基础上改进，以提高钻进效率。

在扇形块的中部加底喷眼，以及与底喷眼相连通的底水路与外水路，使得单个孕镶块类似字母U形，这种U形块相对于普通扇形块，优点在于减小钻头唇面面积，提高钻速；增加过水面积，保证过水的通畅，及金刚石层的冷却；防止孕镶块中部形成泥垫，影响钻进效率。钻头的平面布置如图10所示。

图10 钻头唇面布置图

U形块采用高品级35～40目人造金刚石，95%的金刚石浓度，热压工艺烧结成型，用高强度焊料焊接到加工好的钢体上。这种加工工艺由于不需要传统的高温烧结，可以降低制作成本，减少加工周期；并且减少金刚石的热损伤，保证一定的寿命和钻进效率。内外焊接无压烧结的聚晶块保径，以保证长时间钻进时的钻孔直径及岩心直径。