坚硬致密地层孕镶金刚石钻头设计
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坚硬致密地层孕镶金刚石钻头设计
摘要：在分析坚硬地层特点的基础上 ,指出了钻进该地层所存在的问题 ,提出了用于打滑地层钻进的新型孕镶金刚石钻头的设计思路 ,在钻头工作层中采用主 、辅两种磨料 ,并对这两种磨料的工作机理 、处理工艺以及该新型钻头的制造进行了阐述 。钻头的室内钻进试验结果表明 :在钻进极坚硬致密的锆刚玉时 ,相对于普通金刚石钻头 , 新型孕镶金刚石钻头的钻进时效提高 1. 93倍 ,平均磨损量增加 38 %,具有高时效 、相对寿命长的优点 ,是打滑地层钻进的理想钻头 。
关键词:坚硬地层 ;新型孕镶金刚石钻头 ;主磨料 ;辅磨料 ;钻进试验
坚硬致密弱研磨性的岩层(又称打滑地层)在中国广泛发育,具有以下 3 个特点:①岩石硬度大,石英含量高。其岩石压入硬度一般可达 5000 M Pa ,其中部分在5500～ 6 500 M Pa
间 , 个别甚至高达7 000 MPa 。②强度高 这类岩层的造岩矿物细,粒度多为0. 01～0. 20 m
m , 硅质胶结 ,颗粒之间结合力大,结构致密,整体强度高 。其单轴抗压强度达150 M Pa 或更高。 ③研磨性弱。由于钻进时效低 ,岩粉少且颗粒细 ,对钻头胎体磨损甚微 ,金刚石难以出刃。在钻进坚硬致密弱研磨性岩层时 , 普通金刚石钻头容易出现“打滑” 现象, 即钻进时金刚石钻头在岩石上打滑而不进尺 ,或进尺极慢, 时效常在 0. 1 ～0. 2 m /h 间;回次进尺仅
0. 2 ～ 0. 5 m , 钻头使用寿命 2 ～ 3 m 。由于打滑现象的发生, 即使这种岩层只有几米或十几米也要耗费大量时间和钻头, 导致整个钻孔施工周期延长 , 勘探成本增高 , 经济效益下降。因此 ,解决该类岩层钻进打滑问题具有实际意义[ 1] 。1 打滑地层钻进现状及存在的问题为解决钻进时钻头打滑问题, 前人已进行了多方面的研究[ 2-3] ,进行了多次实验及生产实践 , 产生了很多克服钻头打滑的方法 :①金刚石钻头人工出刃法 。主要有打磨法 、喷砂法、唇面酸蚀法、孔底投砂研磨法等,该法所需辅助工作时间增加不多 ,但如果投砂量过多,或投砂研磨的时间掌握不好,会导致钻头的磨损加快, 降低钻头寿命 。 ②软胎体钻头法。但如果该法中胎体过软 , 就会造成整个金刚石钻头的胎体强度不够 ,甚至钻头变形而无法使用。 ③异形唇面钻头法。如高低刃及同心圆尖齿唇面钻头等 。但该类钻头在钻进一段时间后, 尖齿磨平, 钻速下降很快,尖齿磨平后其优势不复存在,与普通钻头没有两样。 ④弱包镶金刚石钻头法。该法对金刚石采用弱包镶工艺。该类钻头在钻进中金刚石从胎体中适时脱落 ,磨损胎体, 有利于金刚石出刃 ,能提高钻头的时效 ,但钻头的寿命降低 ,因此也不是解决打滑地层钻进的根本方法 。
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前言
钻头是石油钻探中最主要的破岩工具，其质量的优劣、与岩性和其它钻井工艺条件是否适应，将直接影响钻井速度、钻井质量和钻井成本。目前钻井中使用的钻头有牙轮钻头、PDC
钻头及金刚石钻头。随着科学技术的进步，钻探技术在各领域的应用越来越广泛，钻进深度越来越深，岩石越来越硬。发展高效破岩工具，提高钻井速度，越来越成为研究的焦点。
随着钻进深度的增加，在钻进过程中遇到极坚硬岩层也越来越多。坚硬地层可分为两大类：强研磨性硬地层和弱研磨性硬地层。强研磨性硬地层主要是硅质胶结的石英砂岩、长石砂岩。弱研磨性硬地层主要包括硬泥岩、含燧石结核亮晶灰岩、高抗压白云岩等。牙轮钻头在钻进这两种坚硬地层时，破岩效率低，钻进速度慢；PDC 钻头由于是利用刮削方式破碎岩石，是一种适合软到中硬地层的高效钻头，在硬地层中切削齿不能有效吃入地层而不能适应坚硬地层的钻进；孕镶金刚石钻头虽能担负坚硬地层的钻进工作，但也存在以下诸多问题。在钻进致密而研磨性较低的硬地层时，孕镶金刚石钻头时常出现打滑现象而进尺极慢甚至不进尺，机械钻速时常在 0.1-0.2m/h 左右，钻进需要耗费大量的时间和钻头；其原因是金刚石在很短的钻进时间很快被磨钝，不能有效的切削岩石，同时胎体在少岩屑或无岩屑情况下不能及时磨损使金刚石出露[1]。在钻进强研磨性硬地层时，有时会出现胎体磨损太快，导致钻头寿命太低；其原因是岩屑对钻头胎体磨损严重，使还没有磨蚀破裂的金刚石颗粒过早失去包镶而脱落，脱落的金刚石又加剧胎体的磨损。这两种情况是造成当前孕镶金刚石钻头钻进硬地层效率低、成本高的主要原因。因此，解决这两类坚硬岩层钻进效率和钻进寿命问题具有实际意义。
本课题针对坚硬强研磨性和坚硬弱研磨性两类地层钻进效率低、钻头寿命短的问题，开展新型孕镶金刚石钻头参数设计的优化研究。在定量评价坚硬致密地层的可钻性与研磨性的基础上，通过理论分析与试验研究，对孕镶金刚石钻头的金刚石参数、胎体配方进行优选，使之与岩石性质相适应，以期达到提高金刚石钻头在坚硬地层的钻进效率和工作寿命的目的，从根本上降低钻进成本。这对深井钻探、海洋钻探、科学钻探等的发展必将产生深远的影响。
为解决钻进坚硬致密弱研磨性地层时钻头打滑问题，许多国内外科研工作者和生产商进行了多方面的研究：如提高金刚石强度、粒度；降低金刚石浓度；改变胎体耐磨性；优化钻头底唇面形状与结构；增加钻头水口数目等。中南工业大学等研制出了弱包镶法金刚石钻头以克服钻头打滑现象。其基本原理是：利用弱包镶方法使胎体中一部分金刚石被包镶的程度较弱，钻进中会提前从胎体中脱落。脱落的金刚石会磨损胎体，有利于金刚石出刃。同时金刚石提前脱落后，钻头唇面变得粗糙，由此产生一系列作用机理，使金刚石钻头能较好地自锐出刃[2]。
现行的弱包镶防打滑钻头均采用热压法制造出来的，热压法弱包镶防打滑钻头的设计方法是：先在金刚石表面用机械方法裹上一层弱包镶粉末，使其粒化；然后将粒化的金刚石与胎体粉料均匀混合，再进行装模烧结。这样研制出来的钻头，由于金刚石与胎体之间有一层粘结较差、强度较低的弱包镶层，从而减弱了胎体对金刚石的包镶能力，使钻头在胎体磨损不很大的情况下，金刚石就会从胎体中自行提前脱落下来，从而实现金刚石的换层。使用弱包镶金刚石钻头时，不会出现钻头不进尺现象，减少了钻进的提钻次数，大大提高了纯钻时间。据中南工业大学钻头研制单位的资料，在遂昌金矿中使用过的弱包镶钻头，其平均寿命为28m，平均时效为2.8m/h，取得了较好的钻进效果。 3
1 新型孕镶金刚石钻头的设计
为解决钻进时钻头打滑的问题, 结合前人的工作[ 1-3] ,打破从钻头的结构形状 、胎体的软硬性能 、金刚石体积分数等方面来改善钻头性能的常规思路,提出了打滑地层新型孕镶金刚石钻头的设计思路,并通过试验验证其运用效果 。该设计思路拟在钻头工作层中选用 2
种磨料分别作为主、辅磨料 。主磨料为主要碎岩材料,用以切削岩层 ,辅磨料为次要碎岩材料 ,主要用以实现胎体自锐,主 、辅磨料二者的有机结合使钻头性能得以改善 ,并提高钻头寿命和钻进时效 ,解决坚硬致密弱研磨性岩层钻进时存在的“打滑”问题。
1.1 主磨料采用高品质金刚石
主磨料的单颗粒抗压强度大, 耐磨损 , 切削岩石能力强, 并使用真空镀工艺在金刚石表面沉积强碳化物合成元素———金属 W 。该层金属 W 镀覆层有如下功效:①隔膜作用。在高温烧结钻头时将金刚石与氧气和胎体材料隔开,使金刚石不受氧气的氧化和胎体材料的侵蚀, 降低金刚石的损耗 。 ②改善金刚石表面性能 。使金刚石与胎体材料的润湿性能大大提高, 烧结时能提高金刚石与胎体材料的结合力 ,使金刚石牢牢地包裹在胎体材料中 ,不容易脱落 ,作为钻头工作层的主切削材料, 工作时间延长, 能大大提高钻头寿命。
1.2 辅磨料采用低品质金刚石或其他磨料
用滚动式造粒工艺在辅磨料的表面包裹一层 WC 粉末,该层 WC 粉末与辅磨料的结合力差, 可使辅磨料与胎体材料隔开 ,从而使辅磨料并不是牢固地包裹在胎体材料中。钻进时,
辅磨料易从胎体材料中脱落而进入孔底 ,磨损胎体,使主磨料适时出露而切削岩石。
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2 钻头工作层中主、辅磨料的处理工艺
2.1 主磨料表面真空镀覆金属 W
取适量的 WO3 粉料, 用 HF 丙酮溶液湿润 , 加入氢化钛粉末及金刚石颗粒, 混匀后放入真空蒸镀设备中镀覆 。镀覆温度为 820 ℃,保温时间为 1 h 。真空镀覆金属 W 的金刚石表面形貌如图 1 所示。
图1 真空镀覆 W 的金刚石表面形貌
2.2 辅磨料表面包裹 WC 粉末
基于滚动式造粒工艺可以使金刚石颗粒长大的原理, 设计了滚动式金刚石造球机 。选用滚动式造粒工艺, 将 WC 粉末包裹在金刚石的表面 , 使金刚石粒径增大。裹覆 WC 粉末的金刚石形貌如图 2 所示 。滚动式造粒工艺的制作过程是以金刚石为核,使其滚动,同时逐渐加入 WC 粉末和湿润黏结添加剂 ,使充分滚动的金刚石核逐渐包裹上 WC 粉末,金刚石越滚越大, 最后达到所要求的粒径 ,取出后经过筛选即可使用。 5
图2 裹覆 WC 粉末的金刚石
设计的滚动式金刚石造球机的参数如下 :最大装料量为 0. 5 kg ;工作转速为 0 ～ 100
r /min ;容器倾斜角度为 30 ～ 60°。滚动式金刚石造球机的结构示意图见图 3 。
图3 滚动式金刚石造球机结构示意图
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3 新型孕镶金刚石钻头的制造
为验证打滑地层新型孕镶金刚石钻头的实际钻进效果 ,设计了打滑地层新型孕镶金刚石钻头, 并采用热压法制造该新型钻头。
3.1 钻头结构
钻头结构见图 4 所示。
图4 钻头结构图
3.2 钻头配方设计
根据文献[ 2-3] , 将钻头配方设计如下 :骨架成分为 WC ,质量分数为 40 %;黏结成分为
Ni 、90Cu 、Fe 、Co 、M n , 质量分数为 60 %;粉末粒径为 0. 071mm(200 目);金刚石体积分数为 75 %;其中主 、辅磨料的比例可调 。
3.3 热压烧结设备
实验中采用热压烧结法制造钻头 , 主要烧结设备的技术参数如下 。 ①烧结炉:KG
PS100-1 型中频感应电源 , 加热功率为 100 kW , 中频频率为 1 000H z 。 ②压力机:YH41-40C 型单臂压力机 , 吨位为40 T 。 ③测温仪 :CIT 型红外测温仪, 测量范围为700 ～ 1 300 ℃。
3.4 混料
混合粉料的制备方法采用机械球磨混料法, 用感量为 0. 000 1 g 的分析天平, 按事先设计好的配方混料, 装入混料瓶中球磨, 球磨时间大于 24 h 。将混合好的粉料置入称量瓶中 ,
并放入真空干燥器中保存、待用。 7
3.5 热压烧结工艺
热压烧结的步骤为:将组装好的模具放入中频炉热压机的工作台上 ,然后送电升温,当加热功率为20 ～ 30 kW 时, 烧结 5 ～ 6 min 后先施加一定的初压(约 20 M Pa),在烧结
8 ～ 9 min 后升到烧结温度, 此时应立即施以全压, 并在该压力下保温 3 ～ 5 min 。保温保压结束后 , 即可停电降温, 但压力不卸, 当温度降到 700 ℃时, 卸除压力, 并将钻头的烧结模具移至保温箱中或放在空气中冷却到室温。
硬地层取芯中的岩石可钻进性与钻进方法
地层取芯中的岩石可钻进性与钻进方法
引言：
在地层取芯中不同岩石理化特性有很大差异。从宏观到微观通过研究岩石的理化特征，以及相应的钻进手段对对岩石钻进的影响对岩石钻进时钻进效率进行分析，做到高效钻进。
本文主要讨论的是硬地层取芯中的诸多问题。首先我们探讨岩石的可钻性。对不同岩石的理化性质进行逐步分析。然后介绍目前常见的取芯钻进方式，在不同岩石和不同钻进方式之间建立对应关系，对不同岩是做到对症下药逐个击破。钻进效率最优。
最后，会讨论一些钻进时的辅助手段，从另一个侧面提高钻进效率做到百尺竿头更进一步。
岩层的钻进方法
钻进方法的分类方法很多，有的根据钻进目的分类，有的根据碎岩方式分类，还有的根
据冲洗介质的种类以及循环方式分类。
根据钻进目的可分为地质钻进、石油钻进、水进钻进、工程施工钻进等。
根据机械碎岩方式可分为回转钻进、冲击钻进、螺旋钻进、振动钻进等。 在回转钻进中，根据所用的钻头不同又可分为金刚石钻进、硬质合金钻进、牙轮钻进以及钢粒钻进等
岩石的力学性质
岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来的特性。主要有变形特性、强度特性和表面特性。
变形特性：弹性、塑性和脆性
强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度
表面特性：硬度和研磨性
岩石强度：岩石在载荷作用下变形到一定程度就发生破坏。破坏前岩石所能承受的最大载荷，单位面积上的最大载荷。根据受力条件不同，岩石强度又可分为抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、抗压强度。有单向应力状态下的强度，多向应力状态下的强度。
岩石的硬度：岩石表面对工具压入的反抗特性。岩石硬度与抗压强度有一定联系，又有很大区别。岩石抗压强度是岩石整块抗破碎的能力。岩石抗压入硬度为单向抗压强度的（1+2π）倍。测定压入硬度实际上使岩样产生局部破碎，而这种局部破碎是在多向受压状态下进行的。
岩石的研磨性：在用机械方法破碎岩石的过程中，钻头与岩石产生连续的或间断的接触和摩擦。钻头破碎岩石的同时，其自身也受到岩石的磨损而逐渐变钝。岩石磨损钻头的能力。
国内外金刚石钻头的部分技术进展
７８ 探矿工程（岩土钻掘工程） ２０１１年第３８卷第５期
国内外金刚石钻头的部分技术进展
沈立娜，阮海龙 （北京探矿工程研究所，北京１０００８３）
摘要：收集和介绍了一些国内外金刚石钻头技术研究的发展前沿，从新材料新工艺的应用、新设计思路、先进设 计手段等方面对金刚石钻头设计和制造技术的最新进展加以论述，可为国内金刚石钻头的设计制造提供参考。 关键词：金刚石钻头；前沿技术；复合片；水口 中图分类号：Ｐ６３４．４ １ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—７４２８（２０１１）０５—００７８—０３ Ｓｏｍｅ Ｔｅｄｍｉｅａｌ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｄｉａｍｏｎｄ Ｂｉｔ Ｂｏｔｈ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ａｎｄ Ａｂｒｏａｄ／ＳＨＥＮ Ｌｉ— ，ＲＵＡＮ Ｈａｉ．１ｏｎｇ（Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎ－ ｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｒｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ Ｐ叩ｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｆｒｏｎｔｉｅｒ ｏｆ ｄｉａｍｏｎｄ ｂｉｔ ｂｏｔｈ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ．Ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉａｍｏｎｄ ｂｉｔ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｅｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｅｗ ｐｍｅｅｓｓ ａｎｄ ｎｅｗ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｎｅｗ ｄｅｓｉｇｎ ｉｄｅａｓ ａｎｄ ａｄｖａｎｃｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉａｍｏｎｄ ｂｉｔ；ｆｒｏｎｔｉｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ＰＤＣ；ｗａｔｅｒｗａｙ
目前国内外无论是小口径地质岩心钻探，还是
大口径油气田开发钻井，金刚石钻探仍是主要的手
段。随着钻探工程向深部、硬岩、复杂地层发展，同
时要求更高的钻孔质量与钻进效率，对各种高性能
合理选择孕镶金刚石钻头初探
２００２年第１期 №１． ０眈 黑龙江水利科技 Ｉｌｅｉｌｏｎ￣ｌａｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｄ￣ｍｏｌｏｇｙ。ｆ Ｗｍ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ４ｌ・
文章编号：１００７—７５９６（２００２）０１—００４１—０２
合理选择孕镶金刚石钻头初探
于彦民，杨金山，秦紫东
（黑盘江省水利水电勘测设计研究院黑克江哈尔滨１５００８０）
摘要在小口径金刚石钻进中，台理选择金剐石钻头．可提高钻进效率，降低钻探成本 文章就选择金刚石钻头的原则盈经验参 数进行阐述。 关键词金剐石 品级；粒度；浓度；研磨性 中图分类号：Ｆ６３４ 文献标识码：Ａ
近十年来，在钻探工作中．随着科学技术的发展和施工 方法的不断创新及应用，特别是人造金剐石的研制成功，使
金刚石钻进迅速发展，钻探效率得到了很大程度的提高，降 低了成本，改善了工人的劳动条件，提高了钻探质量 因此 合理选择金剐石钻头是保证金刚石钻进有效、顺利进行的一 个重要因素。
１金刚石钻进机理
孕镶金刚石钻头破碎岩石的机理是在硬岩中，以微压裂、 压碎体积剪切破碎岩石。在软岩中，则以微切削来破碎岩石。
简单地说，钻头在工作过程中，胎体磨耗和金刚石磨耗存在一 定的差异，使金刚石不断出露，产生自锐（一般正常出露为颗 粒的１／４—１ｔ３），以保证钻头始终具有恒定的破岩能力。
２选择金喇石钻头的基本原剿
金刚石钻头适应性很强，种类很多．它除了受钻进技术 参数影响外，还受自身因素影响。根据实际情况，合理选择
金刚石钻头需要考虑的因素主要是岩石的性质、金剐石质量 和钻头的结构技术参数等。钻头结构技术参数包括胎体的 内外径和底面几何形状，以及金剐石的浓度、水槽数量及太
小等。若金剐石钻头选择不当会造成钻头早期磨损和非正 常磨损，因而缩短了钻头的使用寿命，增加金刚石的消耗量，
使钻探成本增加。因此．为了发挥金剐石钻头钻进的最优效 果，必须根据岩石的性质、强度、研磨性和完整程度等合理选
SDB系列金刚石钻具使用说明书(半合管)
SDB系列金刚石钻具使用说明书
概述
SDB系列钻具是深厚砂卵石覆盖层和基岩金刚石钻进专用系列钻具。是配有普通内管和半合式内管互换的两级单动机构的双层岩心管钻具。包括SDB150、SDB110、SDB94、SDB77三级口径。它适用于未胶结的砂卵石覆盖层及所有基岩地层金刚石岩心钻探，配合植物胶类钻井液岩心采取率高，可随钻取原结构岩样。
特点
本系列钻具的结构包括导向除砂打捞机构，单向阀机构,双级单动机构，内管机构和外管机构五大部分。（见图1 SDB系列钻具结构图）
1、SDB系列钻具的管材规格是：
2、SDB系列金刚石钻头的特点：
SDB系列金刚石孕镶钻头是具有特殊技术参数的专有技术特色钻头。其特点是寿命长、回次进尺长。还有SDB系列硬质合金钻头、电镀钻头、复合片钻头。
3、SDB系列钻具的结构特点
（1）双级单动机构
为了提高钻具的单动性能，保障单动机构的可靠性，SDB系列钻具设计了两级单动机构。同时起单动作用。 （2）内壁磨光的内管和半合管
SDB系列钻具的内管有两种：一种是内壁磨光的普通内管，另一种是内壁磨光的半合管。可以根据需要互换。半合管是在钻进松散、破碎地层时为了取原结构岩心（样）时才使用。
（3）单向阀
单向阀使冲洗液在正循环钻进时畅通，而在下钻过程中封闭，防止钻具在接近孔底时，孔内高粘度的冲洗液悬浮的砂子进入钻杆和内外管之间，堵塞过水通道。单向阀的上阀座上面有打捞头，用于打捞钻具。
（4）缩短了岩心管，增设了沉砂管和隔砂管。
为了保证钻具有良好的单动性，缩短了内外管长度。但钻进基岩时，可根据用户需要同时增加内外管长度。在沉砂管内设有隔砂管，进入沉砂管内的钻井液，由于高速转动时的离心分离作用，岩屑分离下沉，避免进入单向阀和内外管之间，起到了除砂作用。
金刚石钻头分类
For personal use only in study and research; not for commercial use
词目：表镶
英文：surface set diamond bit
释文：金刚石钻头的一种。钢质的圆筒状钻头体,上部车有丝扣,下部烧结有,金刚石的颗粒是在钻头胎体的表面上。胎体的外径略大于钢体直径、内径略小于钢体内径,内外侧和底部都有可以过水的沟槽,在钻进时流过冲洗液带走和冷却钻头。表镶金刚石钻头都是包镶的天然金刚石,故价格昂贵,因而只用在一些特殊难钻进的硬地层。用表镶金刚石钻头较多。
词目：孕镶
英文：impregnated diamond bit
释文：金刚石钻头的一种。里均匀着金刚石颗粒的钻头。钻进时胎体磨损,金刚石不断出露克取岩石,可以一直将胎体全部磨完,都有新出露的金刚石进行工作,类似于金属材料。胎体有一定高度,外径略大于钻头体外径、内径也略小于钻头体内径,胎体的外侧面、内侧面和底面均有水槽,以便通过冲洗液排除和冷却钻头。大多数的孕镶金刚石钻头是使用的,称为人造孕镶金刚石钻头。人造金刚石比天然金刚石价格便宜很多,也能较广泛地用在硬地层中钻进。
词目：电镀
英文：electro-plated diamond bit
释文：又称铸造金刚石钻头。中国独有的利用电镀原理而制成的金刚石钻头。金刚石的胎体是在里被一层一层镀覆在钻头体上,电镀覆盖电解金属的同时,撒布金刚石颗,金刚石就被包裹在电镀金属层里。长时间的反复补砂和镀覆就形成了钻头的工作层。电镀时钻头钢体也采用塑料模具定型,使镀层沿钻头轴线方向增长,并保证胎体的内外径尺寸和小槽等。电镀金刚石钻头所用的金刚石也多是,的成分主要是镍,与普通有相同的适用条件。
词目：钻头胎体
英文：matrix
释文：包镶金刚石和连接空白钻头体的钻头冠部合金或金属称胎体。它一般用难熔金属碳化钨粉末或铸造碳化钨为骨架材料；以易熔金属如Cu、cu-Ni、zn、Sn、Mn等为粘结剂,在模具内以高温条件下压结，温度一般为1000～1200℃。钻头的工作能力在很大程度上取决于胎体的性质,要有相当的强度、抗冲击韧性,特别是硬度与耐磨性要与所钻岩层性质相适应。孕镶金刚石钻头随钻进胎体要相应磨损,使金刚石不断裸露出来以破碎岩石,因此胎体硬度与耐磨性是孕镶钻头的一个重要指标。调节胎体骨架金属的成分、粒度,以及粘结金属的成分、比例和烧结工艺可改变胎体硬度和耐磨性,保证在各类岩层中都能取得最好的钻进效果。按胎体的硬度进行了分类分级,共分软、中硬、硬3类,6级,见表。坚硬致密的弱研磨性地层应选用软胎体,即(HRC)在35以下；在强研磨性地层、裂隙地层则应选用硬胎体,即HRC硬度在35～45之间。
低温电镀孕镶金刚石石油取心钻头研制与应用
第２７卷第ｌ期 ２ ０ ０ ２年１月 地球科学 中国地质大学学报 Ｅａｒｔｈ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｖｏｉ ２７ Ｎ０．】 Ｊａｎ ２ ０ ０ ２
低温电镀孕镶金刚石石油取心钻头研制与应用
李大佛，李天明，陈洪俊 （中国地质大学长江钻头套司．湖北武汉４３００７４）
摘要：该钻头用于坚硬地层取心．河南油田 往常用园拄聚晶、三角聚晶钻头 及烧结孕镶 金刚石钻头．取心敖率低、钻速慢、成本高．近两年采用低温电镀孕镶金刚石钻头取心后．平均 单筒进尺由原来的４．２０ ｍ／筒提高到７．６２ ｍ 简．平均取心机械钻速由原来的０．２１ ｍ／ｈ提高 到的０．８４ ｍ／ｂ．该钻头生产工艺完全改变原来高温（１ ０００℃ 上）烧结为低温（室温）电镀工 艺－极大地避免了金刚石热损伤，采用高强度大颗粒的金刚石．提高了取心机械钻速． 关键词：低温；电镀；石油钻头． 中图分类号：Ｐ６３４．４—３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—２３８３（２００８）０１一［】｝２０—０７ 作者简介：李大佛（１９３７），男，教授．１９６６年毕业于华中理工大学机械系．长期从事机械钻 探与电镀技术的教学、科技及产品开发工作Ｅ—ｍａｉｌ：ｄａｆｏｌｉ＠ｄｏｎｇ．ｃ㈨
低温电镀孕镶金刚石地质钻头在我国国土资源 部门早已大面积推广应用，实践证明，该类钻头适应 地层宽、时效高、寿命长、成本低．但是在油田大口 径、大面积地推广使用，还是最近两年的事．此类钻 头主要用于河南南阳油田张店矿区和安棚矿区坚硬 地层取心，通过近２００只８．５ 的电镀孕镶金刚石石 油取心钻头的使用，均获得了十分理想的经济指标． 和以往常用的圆柱聚晶、三角聚晶钻头以及烧结孕 镶金刚石取心钻头相比：平均单筒取心进尺由原来 的４．２０ ｒｎ／筒提高到７．６２ ｍ／筒，平均取心机械钻速 由原来的０．２１ ｍ／ｈ提高到０、８４ ｍ／／ｈ，仅据１９９９年 在南阳油田１４口井的统计．节约钻井成本３２７．２万 元，而且大大减轻钻井工人的劳动强度．现就钻头研 制与应用效果论述如下．
高胎体金刚石钻头设计制造中的几个关键技术
２０１２年第３９卷第６期 探矿工程（岩土钻掘工程） ７７
高胎体金刚石钻头设计制造中的几个关键技术
肖丽辉 ，李国民 ，刘宝林
（１．中煤科工集团重庆研究院，重庆４０００３９；２．中国地质大学（北京）地质超深钻探国家专业实验室，北京１０００８３）
摘要：为满足深部钻探需求，市场上出现了多种高胎体金刚石钻头。在野外钻进中，与普通金刚石钻头相比，高 胎体金刚石钻头的使用寿命虽有提高，但并没有取得预期的理想效果。通过分析国内外几种高胎体金刚石钻头的 优缺点，找出了影响高胎体钻头寿命的关键技术，并对这几点关键技术作了进一步的分析与研究。 关键词：高胎体金刚石钻头；胎体；保径；水口 中图分类号：Ｐ６３４．４ １ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—７４２８（２０１２）０６—００７７—０３ Ｓｅｖｅｒａｌ Ｋｅｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｄｉａｍｏｎｄ Ｄｒｉｌｌ Ｂｉｔ ｗｉｔｈ Ｈｊｇｈ Ｍａｔｒｉｘ／ＸＩＡＯ Ｌｉ—ｈｕｉ ．ＬＩ Ｇｕｏ—ｒａｉｎ ，ＬＩＵ Ｂａｏ—ｌｉｎ （１．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００３９，Ｃｈｉｎａ；２．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂ ｏｎ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｅｏｓｅｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｍａｔｒｉｘ ｄｉａｍｏｎｄ ｄｒｉｌｌ ｂｉｔｓ ｐｒｅｓｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｒｋｅｔ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｄｅｅｐ－ｈｏｌｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ． Ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｄｒｉｌｌｉｎｇ．ａｌｔｈｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｍａｔｒｉｘ ｄｉａｍｏｎｄ ｂｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｆｕｒｔｈｅｒ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎ— ｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｏｎｅｓ，ｉｔ ｄｉｄ ｎｏｔ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｒｅｄ ｅｆｆｅｃｔｓ．Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｍａｔｒｉｘ ｄｉａ— ｍｏｎｄ ｂｉｔｓ ｂｏｔｈ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ．ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｂｉｔ ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｉｆｅ ｈａｖｅｎ ｂｅｅｎ ｆｏｕｎｄ ａｎｄ ｆｕｒｔｈｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｅｒｅ ｍａｄｅ ｏｎ ｔｈｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉ【ｇｈ—ｍａｔｒｉｘ ｄｉａｍｏｎｄ ｂｉｔ；ｍａｔｒｉｘ；ｒａｄｉｕｓ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ；ｗａｔｅｒ ｗａｙ
如何合理的使用金刚石钻头
技术与经济 《内蒙古煤炭经济》 ２０１０年第２期
如何合理的使用金刚石钻头
潘永平，杨一华
（内蒙古煤田地质局１５１队；包头财经学校，内蒙古包头０１４０３０）
摘要：本文针对金刚石钻头如何合理使用，结合多年生产实践，总结出系列措施，达到了提高生产效率的目的。
关键诃：金刚石钻头；钻头磨合；排队使用；参数优化
中图分类号：ＴＩＭ２１．２５ 文献标志码：Ｃ 文章编号：１００８—０１５５（２０１０）０２—００７０—０３
金刚石钻头中所含的金刚石分为天然及人造
的两种，其主要特性在于金刚石性脆，耐冲击性差，
热敏感性强，故其使用条件比其他钻头的综合要求
要严格得多。对于“如何合理的使用金刚石钻头”，
实际生产中不少人不能有效解决这一难题。笔者
总结多年钻探工程施工的实践经验，提出如下解决
办法：只要对钻进环境、钻进参数以及其他相关方
面进行严格的选择和科学的控制，就能解决这一技
术难题，并能有效延长钻头寿命，达到提高综合钻
进效率的效果。
一、金刚石钻头对孔底清洁的要求
为了有效发挥金刚石钻头的作用，不让钻孔底
的坚硬杂物损伤金刚石钻头唇面上的金刚石，必须
保持钻孔底干净无杂物。在配好钻具以及准备将
金刚石钻头下入钻孔前，一定要加配备取粉管的特
殊钻具，并且采用与金刚石钻头形状相似的硬质合
金钻头对钻孔进行修整。同时还要选用较大的水 泵压力以及较大的泵量，开动泥浆泵作一定时间的 良好循环，直到冲洗液把孔底的大岩屑、碎金属等
杂物冲上来，沉落在取粉管中。如此工序重复进
行，直到确信钻孔底部没有坚硬的杂物为止，方可
将带有金刚石钻头的钻具下入孔内。下钻时钻具
进入钻孔的速度不宜太快，更不能冲击式下入，以
防再次将孔壁上的破碎硬岩冲入孔底。
二、新金刚石钻头的磨合 选用的新的金刚石钻头直径必须小于非金刚
石钻头，在新金刚石钻头使用前应用旧金刚石钻头
扫孔，在下入新金刚石钻头后要进行初步瞎合钻
进。具体办法是，刚开始钻进时转盘的回转速度宜
孕镶金刚石钻头+高速螺杆在LZ2井小塘子组的应用
５４ 西部探矿工程 ２０１２年第１Ｏ期
孕镶金刚石钻头＋高速螺杆在ＬＺ２井小塘子组的应用
徐华 ，易世友 （中石化西南石油局重庆钻井公司，重庆４０００４２）
摘要：阆中一南部地区三叠系上统小塘子组主要岩性为灰色石英粉砂岩、细砂岩，石英含量高，胶结 致密，研磨性极强。牙轮钻头在该地层使用时间短，进尺少，磨损严重，风险高。ＬＺ２井选用国产孕镶 金刚石钻头＋高速螺杆钻井技术进行探索，取得了良好的提速提效指标，为该区块小塘子组地层钻井 开辟了一条有效途径，积累了宝贵经验。 关键词：小塘子；孕镶；高速螺杆；提速提效；研磨 中图分类号：Ｐ６３４文献标识码：Ｂ文章编号：１００４—５７１６（２０１２）１Ｏ一００５４一Ｏ２
１应用背景 阆中一南部地区三叠系上统小塘子组（对应元坝区 块须家河组一段），主要岩性为灰色石英粉砂岩、细砂 岩，石英含量高，胶结致密，研磨性极强，是该地区可钻 性最差的地层。石深１井、ＬＺ１井使用常规牙轮钻头钻 至该地层时，单只钻头纯钻时间短，进尺少，而且钻头异 常磨损严重，钻头使用风险大。石深１井钻达该层位初 期选用江钻ＨＪ５３７Ｇ型号钻头使用１０．５０ｈ、进尺３．９７ｍ 就发生外径磨小、油囊暴露、巴掌磨断、牙轮全掉的事 故。处理事故后下入２只牙轮钻头短时间也严重磨损， 然后换用孕镶齿钻头钻井速度很低，再次下人２只江钻 ＨＪＴ７３７ＧＨＬ牙轮钻头，使用时间５ｈ左右，钻头出井已 经严重磨损，最后采用金刚石取芯钻头取芯钻进通过该 段。ＬＺ１井在该层位进尺３０ｍ，使用牙轮钻头７只，且每 只钻头均磨损严重。足见该段地层研磨性之强，常规的 钻井方式难以满足提速提效和安全钻进的要求。 ２应用依据可行性分析 ２．１主要问题 地层可钻性差、研磨性极强，牙轮钻头短时间严重 磨损，当钻头巴掌或牙轮被地层严重磨损后，将会降低 本体强度而发生结构性破坏，从而导致钻头事故的发 生，而整个过程现场操作很难判断。 钻头使用时间短、进尺少，井较深，绝大部分时间用 于起下钻，纯钻利用率非常低，机械钻速低。 ２．２技术思路 针对类似小塘子组可钻性差高研磨性地层，国外使 用孕镶金刚石钻头＋高速涡轮取得了较好的提速效果。 孕镶金刚石钻头具有抗磨能力强、抗压能力大、抗冲击 能力较好、寿命长的特点。高速涡轮配合孕镶金刚石钻 头钻井，克服了使用孕镶钻头机械钻速低的问题，机械 钻速可提高１．２～２倍，在研磨性越强、可钻性越差的地 层提高幅度越大；孕镶金刚石钻头＋高速涡轮使用寿命 长，单只钻头成倍增加，减少起下钻时间，纯钻效率与机 械钻速度能够得到显著提高，与牙轮钻进相比较，孕镶 金刚石钻头＋高速涡轮单趟钻进平均可节约５～８次起 下钻。 由于进口孕镶钻头与涡轮费用很高，国内使用中一 直是提速不提效的尴尬结果。借鉴进口孕镶金刚石钻 头＋高速涡轮钻井技术。针对阆中一南部地区三叠系 上统小塘子组石英砂岩，选用国产孕镶金刚石钻头＋高 速螺杆钻井，减小了钻头风险，增加单只钻头进尺，提高 机械钻速，提高钻井生产效率，能够取得理想效果。 ３实施方案与措施 该地区小塘子组地层深度在３９００～５１００ｍ，段长 ７０￣２００ｍ，一般井眼尺寸为 ３１１ｍｍ，地层相对稳定， 油气水压力比较清楚，钻井液密度１．６０～２．２ｇ／ｃｍ３。 （１）钻头加工，为增加钻头的抗研磨性，孕镶金刚石 钻头设计是应考虑加强保径和增加布齿密度。为增加 钻头寿命，可以增加孕镶体厚度。如果裸眼段长，可以 适当缩小孕镶钻头尺寸考虑加工钻头尺寸比井眼尺寸 小２￣３ｍｍ，保证孕镶金刚石能安全顺利到底，避免出 现长段划眼。 （２）螺杆的选择，为配合孕镶钻头，当然选择高速螺 杆，主要有３头螺杆，目前国内单头螺杆使用非常少，所
探索拾零(四)——谈硬岩孕镶金刚石钻头原创性的新进展
２００７年第２期 探矿工程（岩土钻掘工程）
探索拾零 （四） 谈硬岩孕镶金刚石钻头原创性的新进展
严成容 （香港鸣峰行） 中图分类号：Ｐ６３４．４ ｌ 文献标识码：Ｃ 文章编号：１６７２—７４２８（２００７）０２—０００１－０３ 笔者和桂林地质矿产研究院合作研制孕镶人造 金刚石钻头等产品，并开拓港澳市场，几经周折，已 逾２１个春秋。其系列产品的雏型，于２０００年完成。 经过几年来的生产实践，在港澳这一国际橱窗中，显 出了它不凡的英气。 在刘广志院士的鼓励下，于２００４年底，拙作“探 索拾零（序）”及“探索拾零（一）——香港经营金刚 石钻具十八年面世，２００５年中，探索拾零（二）—— 香港钻探工程面面观”和“探索拾零（三）——孕镶 人造金刚石钻头自由谈”面世，这是系列产品和实 践相结合的一篇学术性总结。其中，突出地交待了 笔者１９９３年中在新界的石门地盘试验中，吴牛仔机 长的清脆对比演示，使我悟到：在坚硬致密脆性非均 质性的岩（矿）层（多见于火成岩类，如花岗岩等） 中，自然地存在着许多薄弱部位，为孕镶人造金刚石 钻头的高速钻进提供了极可宝贵的前提。 详细地说，绝大多数坚硬致密脆性岩（矿）层 （如花岗岩等）都由不同成分、特性、组织、结构的矿 物所组成；而构成岩（矿）层的各矿物间的镶嵌结 构、形式、强度也不相同。所以，这类岩（矿）层自然 地存在着许多薄弱的部位，如不同矿物（长石、石 英、云母等）强度、硬度的差异；各镶嵌介面及其强 度也不相同等等。这些客观存在着的薄弱部位（因 其非均质性所致），使切削具——金刚石单晶可以 轻易地楔入（“吃入”）并伴以撬、掰和扫移等方式去 破碎岩（矿）层，而可见势如破竹的钻进速度。相 反，在坚硬致密脆性均质性的岩（矿）层中（如火山 凝灰岩等），因其为隐晶，甚至为非晶质的单一矿物 构成，具有极高的均质度和强韧的结合力，需经费劲 的“压入一压碎”，以产生体积破碎，故其钻速很低。 显然，坚硬致密脆性的岩（矿）层，因有均质和 非均质之别，造成其破碎方式及钻进速度的天渊之 别。认识并正确地运用它，必将促使生产的发展和 社会的进步。 直至１９９９年深秋，是桂林地质矿产研究院领导 的远见，给我新的机遇而得以重操故业，把６年前的 “悟得之念”转化成实际的产品并实现了合作双方 长期的追求——在坚硬致密脆性的岩（矿）层中，以 “高钻速为前提，形成每米进尺的综合技术经济指 标最优化”的自主创新。这，也是质的飞跃。 在系列产品中，硬岩钻进的各种钻头渗透着原 创性的因素，值得深入探察。