金刚石粒径对孕镶金刚石钻头钻进花岗岩性能的影响

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摘要：金刚石粒径对孕镶金刚石钻头的钻进性能有很大影响。本文以花岗岩为对象进行微钻实验，考察了金刚石粒径为0.5mm、0.5mm和0.8mm混合、0.8mm和1.1mm混合的三个孕镶金刚石钻头的钻进性能。结果表明：金刚石粒径为0.5mm的孕镶金刚石钻头机械钻速最大，金刚石粒径为0.5mm和0.8mm混合与0.8mm和1.1mm混合的孕镶金刚石钻头次之，分别为2.44m/h、2.1m/h和2.13m/h ，总进尺为7.363m、7.482m和1.75m。表明在钻进花岗岩时，小粒径或中小粒径金刚石混合比粗粒径金刚石钻头具有更好的钻进性能。最后，结合实验数据，全面深入地分析和探讨了金刚石粒径对孕镶金刚石钻头性能的影响。

关键词：金刚石粒径；孕镶金刚石钻头；钻头性能

中图分类号：P619文献标识码： A

引言

“钻头不到，石油不冒”，众所周知，钻井是石油勘探开发的“龙头”，此话形象生动地道出了“钻头”在钻探开发中的重要地位[1]。随着我国人造金刚石技术和粉末冶金技术的发展，于1963年成功在六面顶液压机上合成金刚石，紧随其后在1969年制造出孕镶人造金刚石钻头，据统计，孕镶金刚石地质钻头的年产量已超过10万只，年钻探量达数百万米[2]。孕镶金刚石钻头因其在地质钻探、石材加工和建筑等领域的广泛应用，而深受科研工作者们的关注。孕镶金刚石钻头的钻进性能主要由金刚石参数、胎体耐磨能力、岩石性质及所选用的钻进规程决定。为了提高孕镶金刚石钻头的钻进性能，国内外科研工作者深入研究了金刚石参数对其的影响。在金刚石的粒径、品级和浓度三个参数中，粒径又扮演着举足轻重的角色[3-4]。评价分析钻头的钻进性能时，需要综合考虑多个因素，包括：机械钻速、总进尺，金刚石的出刃数目及密度和金刚石磨损与脱落的情况等。

本文选用了金刚石粒径为0.5mm、0.5mm和0.8mm混合、0.8mm和1.1mm混合的三个孕镶金刚石钻头进行微钻实验。

1实验部分

1.1实验设备

LWZ-1型微钻实验台、VISION1000数字显微镜工作站、WYY型压入硬度仪、INSTRON-1346型电液压伺服材料试验机

1.2岩石性质

实验所选用的岩石性质及参数如下表1.

表1岩石的性质及参数

如图1所示，试验采用的花岗岩是中~细粒它形~半自形粒状结构的含黑云母中~细粒二长花岗岩（俗称芝麻灰），其偏光显微镜的薄片分析如图2所示，其矿物成分如表2所示。

图1 微钻实验钻进岩样（180*140*140mm） 图2 细粒具有聚片双晶的斜长石

和细粒环带状斜长石 10 正交偏光

表2 实验用花岗岩性状及粒度分布

由实验可知：所选用的花岗岩为硬岩，研磨性偏弱，矿物粒度分布宽度适中。

1.3钻头参数及钻进规程

实验采用胎体为平面型的孕镶金刚石钻头，钻头结构参数如下表3

表3孕镶金刚石钻头结构参数

实验采用的钻进规程相关参数如下表4.

表4钻进实验参数

2实验数据与分析

2.1各钻头钻进情况

模拟现场钻探条件，以花岗岩为钻进对象，分别对1#（金刚石粒径0.5mm）、2#（金刚石粒径0.5mm和0.8mm混合，各占50%）和3#（金刚石粒径0.8mm和1.1mm混合，各占50%）钻头进行多回次钻进，单回次钻进约150mm，直至各钻头钻进困难为止，钻进情况如图3至图5所示。

图31#钻头钻进情况图42#钻头钻进情况

图53#钻头钻进情况

表5各钻头钻进结果

选取最佳的钻进规程，通过微钻平台，对3个钻头进行性能评价。由图8―图10可知，1#和2#钻头表压基本设定为105kgf/cm2，3#钻头表压从60kgf/cm2至105kgf/cm2呈现小幅增大。在钻进过程中1#、2#和3#钻头的最大钻速分布为5.51m/h、7.61m/h和4.68m/h，最小钻速分别为0.92m/h、0.33m/h和0.82m/h。从表5各钻头的钻进结果可知，金刚石粒径最小的1#钻头平均机械钻速最大，达2.44m/h，2#和3#钻头次之，分别为2.1 m/h和2.13 m/h。且1#和2#钻头的总进尺远大于金刚石0.8mm和1.1mm粒径混合的3#钻头。表明小粒径的孕镶金刚石钻头钻速快，小粒径或与中等粒径混合的孕镶钻头进尺大，说明在孕镶金刚石钻头钻进上述花岗岩的过程中，金刚石粒径小的孕镶金刚石钻头表现出更好的钻进性能。

在单回次钻进过程中钻速表现为波形变化的原因是多方面的，去除岩石和钻进规程的变化，还有钻头的变化。金刚石钻头工作层上的金刚石在钻进时是以换层的形式磨损的，金刚石每磨损一层，钻头钻进性能就出现回程的变化，钻头钻进的每个回次中金刚石出露率和钻头钻速都是不断变化的[4]，因此，实际研究中多采用平均钻速来评价钻头的宏观性能，而非单回次的钻速。

2.2各钻头钻进后胎体唇面分析

利用显微镜对各钻头钻进后的胎体唇面进行观察分析，结果如图6―图8所示。

图61#钻头钻进后胎体唇面 图72#钻头钻进后胎体唇面

图83#钻头钻进后胎体唇面

表6钻进后各钻头唇面金刚石分布情况

表6对各钻头钻进后唇面的金刚石分布情况进行统计分析，虽然统计上存在主观误差，但整体趋势明显。

由图6可以看出，0.5mm小粒径金刚石的1#钻头胎体唇面，有较多的蝌蚪状支撑体，金刚石分布均匀密集，颗粒小而多，出刃好，密度大，增加了金刚石压入岩石的作用点，钻进后金刚石脱落少，说明胎体对金刚石的包镶能力好，提高了钻头的整体性能。

由图7可知，金刚石粒径采用0.5mm和0.8mm混合的2#钻头胎体唇面，金刚石分布较均匀密集，出刃较好，与1#钻头相比，颗粒较大较少，密度也相应降低，有小块的无金刚石空白区，金刚石脱落数量大，且出现了少量的金刚石脱落后的连续区块。金刚石的出刃密度和胎体对金刚石的包镶能力都较1#钻头差，所以2#钻头的钻进性能低于1#钻头。

由图8可以看出，金刚石粒径采用0.8mm和1.1mm混合的3#钻头胎体唇面，金刚石分布不均且稀少，出刃较差，密度低，明显地出现了大片的无金刚石空白区和拉槽现象。胎体对金刚石的包镶远弱于1#和2#钻头，金刚石的脱落数量多，使得钻头过早的失效，较之1#和2#钻头，性能明显降低。

从以上实验的数据和分析可以看出：小粒径或中小粒径混合的孕镶金刚石钻头在钻进花岗岩的过程中表现出较好的优越性。

3金刚石粒径对孕镶金刚石钻头性能的影响

金刚石和胎体材料构成了孕镶金刚石钻头的工作层，两者共同影响钻头的整体性能，金刚石压入切削和破碎岩石，胎体材料包镶支撑金刚石。

3.1金刚石的出刃对钻头性能的影响

金刚石出刃前，岩石仅磨损胎体。金刚石出刃后，出刃大小在零和临界值之间变化，达到临界值后金刚石失效，表现为剥蚀、剪断或脱落，然后继续磨损胎体，新的金刚石出刃，失效，如此循环[5]。说明提高金刚石出刃至失效前的钻进效率可提高钻头的钻进性能。

在孕镶金刚石钻头的井底破岩过程中，钻头唇面上瞬时出刃的金刚石数目是随机的，金刚石对井底的实际覆盖系数是其在胎体唇面浓度的函数。金刚石的浓度越大，其覆盖系数越大，而覆盖系数直接与破岩效率相关。通常情况下，等量的金刚石在孕镶钻头胎体上，粒径越小，其唇面分布浓度越大[6]，如1#钻头。

胎体唇面上金刚石的出刃数目与金刚石浓度正比，与金刚石的粒径成反比。所以金刚石粒径越小，等量的金刚石在胎体唇面的颗粒越多，出刃密度越大，这也与实验相符。胎体唇面上出刃的金刚石，其出刃值在零与临界值之间随机分布，因此，出刃的金刚石越多，这种随机分布的宽度越大，相当于延长了金刚石钻头的钻进时间，有利于提高钻头的使用寿命。在本文实验中，1#和2#钻头金刚石粒径相对较小，钻头的使用寿命长。

考虑单颗金刚石的使用寿命，假定金刚石的出刃高度为其直径的1/3时失效[7]，那么粗粒径的金刚石失效后的体积明显较小粒径金刚石大，结果使得在金刚石浓度一定的情况下，未发挥钻进作用的金刚石的量变大，表现为进尺小。实验表明3#钻头的金刚石粒径大，进尺小。

另外，在出刃的金刚石中，并非所有的金刚石处于工作状态，参与工作的金刚石比例与钻头结构和金刚石参数有关，据文献[8]报导这一比例在10%左右。如果按这一比例计算，1#、2#和3#钻头出刃并参与工作的金刚石数目分布为18颗、7颗和4颗，2#和3#钻头工作的金刚石数目明显低于1#钻头，钻速低。

3.2金刚石与胎体的磨损对钻头性能的影响

孕镶金刚石钻头中金刚石与胎体的磨损主要有三种：研磨性磨损、粘附性磨损和冲蚀性磨损。其中，研磨性磨损是物理摩擦学研究的对象，充足的液量可以避免粘附性磨损，近期，科研工作者们开始对冲蚀性磨损的研究产生兴趣[7]。从磨损机理的角度来说，金刚石的磨损还包括疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损[9,10]。K.Thuro[11]认为冲蚀性磨损与金刚石的浓度和粒径有关，当金刚石浓度确定时，冲蚀性磨损与金刚石的粒径成正比。金刚石浓度越低，冲蚀性磨损越大，此时与金刚石粒径无关。本文实验中3#钻头粒径大，密度小，冲蚀性磨损大于1#和2#钻头，钻头性能下降。

从载荷的角度来说，出刃的金刚石首先与岩石接触，金刚石在钻头钻进过程中承受主要载荷。因此，胎体唇面上金刚石密度越大，越有利于减少载荷对耐磨性差的胎体的作用，保护胎体过早磨损，提高钻头的整体耐磨性，从而延长钻头的使用寿命。与此同时，粒径越小，胎体唇面上的金刚石密度越大，分布越密集，分散至单颗金刚石承受的力也小[5]，避免了单颗金刚石压力过大而发生脆性破碎。同时，金刚石的抗压强度和冲击韧性值越高，其工作时破碎断裂的可能性越小，金刚石工具的磨削性能越好[12]。

在金刚石作水平运动承受弯曲载荷时，粗粒径的金刚石承受较大的弯曲载荷，同时，粗粒径金刚石切入岩石的深度比小粒径钻头大，更易发生微破碎和脆性破裂。当选用的金刚石粒度过粗，金刚石钻头钻进一段时间后，金刚石的尖部一旦磨平，使金刚石与岩石的接触面积增大，降低了金刚石刻取岩石的单位面积压力，减少了金刚石每次切人岩石的深度，从而降低钻速[13]，本文实验中，3#钻头金刚石粒径大，钻速低，进尺小，过早的出现钻进困难的现象。

金刚石的磨损因破岩所致，主要经历初期形态、局部微破碎状态、大面积或整体破碎状态、抛光状态、脱落状态等[14,15]，而胎体的磨损由胎体唇部间隙中未及时排出的岩粉引起[5]，如图9所示[16]。小粒径金刚石，在胎体唇部分布密度大，覆盖唇面面积大，间隙少而小，相比粗粒径金刚石，降低了岩粉对胎体的研磨，提高了胎体的寿命。实验中，1#钻头和2#钻头粒径较3#钻头小，纯钻时间长，进尺大。在粉末冶金中，胎体的硬度和耐磨性成正比[17]，故适当提高硬度也可增强胎体的磨损性。

图9钻头磨损示意图

岩屑的体积与参加切削的金刚石粒径关系密切，通常情况下，金刚石的粒径越大，破碎的岩屑体积也越大[5]，而体积大的岩屑又加重了对金刚石和胎体的研磨，降低了金刚石和胎体的进尺时间，3#钻头的金刚石粒径大，纯钻时间短，缩短了钻头的使用寿命。

此外，在单粒金刚石的破岩机理中，A.A.格里菲斯指出：脆性玻璃破裂是由于应力集中在玻璃内部和玻璃表面微裂隙而引起的。因此在破岩过程中，这种微小裂隙不断发展扩大，裂隙经历了从微小裂隙变为小裂隙再变为大裂隙直至岩石断裂的过程。而孕镶金刚石钻头胎体唇面的金刚石压入岩石的前提是，金刚石的粒径小于或等于这种裂隙的大小。因此，粒径小的金刚石，首先压入岩石材料的缺陷处，形成微裂纹。并且，金刚石在唇面的分布密度越大，这种压入的几率增加，提高了破岩的效率，机械钻速大，1#钻头粒径最小，机械钻速最大。

单一粒径的金刚石孕镶钻头适用于钻进矿物粒径均匀的岩石，反之亦然[18]。实验所钻进的花岗岩粒度分布宽度适中，单一粒径的1#钻头钻速和进尺均很好，混合粒径的2#钻头进尺大，但钻速低。

4结论

通过对浠水花岗岩进行微钻实验和钻进情况的分析探讨，可以得出以下结论：

（1）当胎体中金刚石浓度相同时，金刚石的出刃数量和密度与金刚石的粒径成反比，本实验中0.5mm的小粒径金刚石出刃数量和密度较好；

（2）在本文钻进浠水花岗岩的研究中，采用金刚石粒径为0.5mm或0.5mm和0.8mm混合的金刚石钻头，钻进时间长，进尺大；

（3）当钻进本文花岗岩岩样时，金刚石粒径为0.5mm的孕镶金刚石钻头平均机械钻速最大；

（4）在本文研究中，金刚石粒径为0.5mm比0.8mm和1.1mm混合的孕镶金刚石钻头，钻进浠水花岗岩时表现出更好的钻进性能。

影响孕镶金刚石钻头钻进性能的因素十分复杂，本文的结论及分析仅建立在以花岗岩为