超研磨性地层钻头的设计与实践

发表日期：2015/1/15 13:51:00 来源：中国超硬材料大卖场

湖南第一地质队，钻进中遇到一种中粗粒石英砂岩，研磨性极强。一个新的直径Ø75mm岩心钻头，只钻进了230mm，即全部消耗掉了。该地质队要求支援，给予解决。作者做了如下工作：

1、 岩石可钻性测量

测定方法如下：

1.1用直径Ø31/18mm的钻头，在石英砂岩芯（Ø54mm）上，及在标准岩样（耐酸瓷砖）上钻进。钻进规程为：时效2.0m/h；钻头转速980rpm。

1.2每钻进100mm后，用精密天平测量钻头的磨损量（重量损失），并用下式计算出岩石研磨性B 。

钻进砂岩的钻头磨损量

B= ————————————————————————

（钻进瓷砖₁钻头磨损量+钻进瓷砖₂钻头磨损量）/2

也就是用钻头钻进砂岩的磨损量与钻进瓷砖磨损量的平均值比表示岩石的研磨性。无疑B值越高，石英砂岩的研磨性越大。

1.3用金刚石锯片，同时切割钻出来的砂岩芯与瓷砖岩芯（Ø18mm），并以它们的切割深度比A 值表示岩石的钻进难易程度（如图1所示）。

瓷芯切割深度

A= ————————×8

岩芯切割深度

A>8，说明岩芯比瓷砖硬；

A<8，说明岩芯比瓷砖软。

1.4测量结果

用以上方法测量这种石英砂岩的结果如下：

A=6

B=7

这说明石英砂岩比瓷砖容易钻进，但研磨性极大，是瓷砖的7倍。

2、分析

石英砂岩研磨性极大的原因有三：

①砂岩中的石英粒硬度很大；

②砂岩中的石英粒子的胶结强度很低；

③中粗粒石英岩中的石英粒子粒度为0.1-0.5，正好与钻头胎体中金刚石粒子的间隔相匹配，很容易切人胎体。正是由于这些原因，才使钻头磨损特别快。

3、 设计思想

对于研磨性如此大的地层，用加强胎体硬度的办法是不能解决问题的。故作者采用加大金刚石密度的办法来提高钻头研磨性。做出了如下计算：

一个cm³内的金刚石粒数η为

1000×C

η= ——————— （1）

α×d³

式中：

C——胎体大金刚石浓度%；

α——计算系数；

d——金刚石粒度mm

金刚石如为立方体α=1；如为球形体α=0.52；实际上金刚石的形状是介于立方体与球形体之间的多面体，因此它的α值应处于1于0.52之间。故作者取它们的平均值α=1+0.52/2=0.76

这个结果与实测值也是符合的。

所以

1000×C

η= —————粒/ cm³（2）

0.76 d³

单位长度的金刚石粒度数ρ应：

Ρ=³√η 粒/ cm （3）

两粒金刚石间的间隔为：

10-ρ×d

ε= ——————mm （4）

作者为了加大金刚石密度决定选用：

金刚石粒度为70/80（d=0.196）浓度为27%。根据公式（2）、（3）、（4）计算结果如下：

1000×0.27

η= ————————=47182粒/ cm³

0.76×0.196³

ρ=³√η =√47182 =36 粒/ 厘米

10-36×0.196

ε= ——————————=0.08 mm

ε值小于石英粒度0.1~0.5mm

根据以上计算，最后确定金刚石的参数如下：

金刚石粒度：JR₃；

粒度70/80；

浓度：27%；

胎体硬度为HRC=40°

4、实践

作者为该地质队烧制10个Ø75mm的钻头。由于金刚石的间隙为0.08mm，小于砂岩中石英的直径0.1~0.5mm，金刚石抵住了石英砂对胎体的磨削，使用结果，每个钻头寿命都超过了30m。钻头寿命延长了将近130倍。

5、结论

对于研磨性极强的地层，如中粗粒砂岩活混凝土等，都可用加大金刚石密度的方法，提高钻头寿命。

关键词：超研磨性地层钻头

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超研磨性地层钻头的设计与实践

发表日期：2015/1/15 13:51:00 来源：中国超硬材料大卖场

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