第二节金刚石钻进技术参数的选择
时间:2012-04-12 00:56来源:未知 作者:admin 点击: 次

金刚石钻进技术参数包括钻压、转速和泵量。

　　影响金刚石钻进技术参数的因素很多，诸如岩石的物理力学性质、钻头类型和结构参数、钻孔直径、孔身结构和深度、钻探设备的性能和功率、冲洗被类型、以及各种参数之间的合理配合等等。选择金刚石钻进技术参数时，要根据具体条件，对上述因素进行综合分析，采取相应对策，才能获得最佳钻进技术经济指标。
　　当前，作为切削材料，已经不限于天然金刚石和人造金刚石单品，以及由其制成的表、孕镶钻头。聚晶、复合片、烧结体等 作为切削具制成的钻头，已在软、中、硬的岩层中推广使用。后者与前者在碎岩机理方面存在明显差异，因此，不能简单地认为，金刚石钻进，就是低钻压、高转速的工艺过程。评价金刚石钻进技术参数是否合理的主要标志是z钻速、钻头进尺和单位进尺切削具的消耗量。使每米钻头的费用达到最佳值时，表明所选择的钻进技术参数是比较合理的。
 一、 钻压
　　切削具在轴向载荷的作用下，施力于岩石。由于切削具的形状、尺寸不同，产生的应力区亦不同。仅就应力区而言，吃入深 度、破碎区和压力成正比。但压力过大，将产生钻柱弯曲、钻头损坏。甚至因扭矩过大，造成钻杆脱扣、扭断、饶钻、或胎体脱 落等孔内事故，或助长钻孔偏斜等等，对钻进都是极其不利的。
(一)钻压的确定
　　具体确定钻压值时，可根据岩石的压入硬度、抗压强度和金 刚石的抗压强度，同时也应考虑到钻速、钻头类型和钻头结构等 因素。
　　1、 根据岩石压入硬度确定钻压作用于钻头上的钻压，应 使每粒工作金刚石与岩石接触应力大于岩石的抗压入硬度。其关系式为；
Py／mF≧6c     （10-1)
式中：Py一一临界钻压(N);
　　F一一单粒金刚石与岩石接触面积(mm)，见表10-7，
　　m一一工作金刚石粒数，
　　6c一一岩石压人硬度(Pa)ι
　　2、根据金刚石的强度确定钻压作用于钻头上的钻压，应使每粒工作金刚石的接触压力小于金刚石的强度，其关系式为 t
Py/mF≦6D (10-2)
式中I 6D一一金刚石的抗压强度(P时，见表10-8。
 
 
表 10-7   金刚石与岩石接触面积
 
金刚石颗粒度（粒∕克拉）
金刚石直径（mm）
接触面积（mm）
金刚石颗粒度（粒∕克拉）
10
2.1
0.16
-5.753333333
20
1.8
0.14
-12.54666667
30
1.5
0.12
-19.34
60
1.25
0.1
-39.45
125
1
0.08
-82.89333333
 
　　3、 根据岩石抗压强度确定钻压在一般情况下，为保证金 刚石有效地破碎岩石，必须使金刚石接触面上的单位压力大于岩石的抗压强度，单位压力值应小于金刚石的抗压强度。三者之间 的关系可用下式表达：
6r＜6p＜6D            （10－3）
　　式中：6p--金刚石与岩石接触面上的单位压力(Pa) J
　　6r一一岩石抗压强度(Pa)，见表10-9。
　　人们通过理论推导和实践经验，总结出不同类型切削具计算钻压的公式：
Py=k·σr·m·F              (10—4)
　　 （1 ）对于表镶金刚石钻头，所施钻压可根据经验公式 (10-4)求出， 式中I Py-一-施加于钻头上的钻压(N)，
　　k一一工作金刚石的调整系数，一般为2/3---3/4. m-一钻头唇面金刚石的镶撒量；
　　F一一单粒金刚石与岩石的接触面积(mm2)。
　　（ 2 ）对于聚晶或复合片钻头，所施钻压可根据经验公式 (10一5)求出。
　　Py= f ·6r，Q·F  (10一5)
　　式中I f一一调整系数， 0.5-0.7，
　　Q一-钻头唇面镶嵌聚晶或复合片数量，粒。
　　（ 3 ）对于孕镶金刚石钻头，所施钻压可根据经验公式 (10-6)计算z
　　Py = P·A （10-6)
　　式中 P一一推荐的单位压力(Pa)，见表10-10，
　　A一一钻头工作唇面与岩石的接触i面积(mm)o
表10-8人造金刚石单晶抗压强度表
目
（﹟）
抗    压    强    度    （N∕粒）
MBD6
MBD8
MBD12
SMD
SMD25
SMD30
SMD35
80∕100
49.98（5.1）
66.64（6.8）
99.96（10.2）
 
 
 
 
70∕80
58.8（6）
78.4（8.07）
117.6（12）
 
 
 
 
60∕70
64.58（7.1）
92.12（9.4）
136.16（14.2）
105.84（10.8）
126（12.9）
151.9（15.5）
177.38（18.1）
50∕60
83.32（8.4）
108.78（11.1）
158.76（16.2）
125.44（12.8）
148.96（15.2）
179.34（18.3）
208.74（21.3）
45∕50
97.02（9.9）
 
 
147.98（15.10
176.4（18）
210.70（21.5）
245.98（25.1）
40∕50
 
 
 
161.7（16.5）
192.08（19.6）
230.3（23.5）
268.25（27.4）
注：括号内表示kg∕粒。
 
表10-9 常见岩石抗压强度表
岩石名称
抗压强度（Pa）
岩石名称
抗压强度（Pa）
橄榄岩
2.04×107（250）
白云岩
0.54×108(1574)
蚀变正长岩
2.84×107 (290)
矽质岩
1.63×108 (1660)
变质安山岩
3.24×107 (330)
强矽化粉沙岩
1.61×108 (1646)
风化花岗闪长岩
3.57×107 (360)
细粒斜长花岗岩
1.67×108 (1720)
结晶灰岩
3.92×107 (400)
矽质页岩
1.71×108 (1748)
蚀变闪长岩
5.14×107 (551)
花岗闪长岩
1.64×108 (1698)
白云质粉沙岩
6.18×107 (631)
细粒花岗岩
1.80×108 (1833)
大理岩矽卡岩互层
6.38×107 (648)
千枚岩
1.80×108 (1837)
二云母石英岩
6.41×107 (654)
细粒矽化硬质岩
1.83×108 (1869)
纯橄榄岩
5.49×107 (560)
石英片岩
1.84×108 (1875)
深灰色矽质页岩
7.4×107 (755)
石英闪长岩
1.88×108 (1920)
斜长黑云母片岩
7.68×107 (784)
球状流纹岩
2.52×108 (2572)
辉长岩
8.11×107 (828)
闪长岩
1.96×108 (2002)
菱镁岩’
9.44×107 (953)
粉沙岩
2.19×108 (2231)
致密灰岩
9.44×107(956)
伟晶岩
2×108 (2047)
钠长斑岩
1.2×107 (1024)
辉绿岩
2.49×108 (2540)
安山岩
1.23×107 (1220)
硅质板岩
2.6×108 (2661)
绢云母片岩
1.31×107 (1252)
黑云母石英闪长岩
2.03×108 (2070)
煌斑岩
1.31×107 (1320)
绿泥石化闪长岩
2.23×108 (2310)
黑云母花岗岩
1.31×107 (1342)
矽化灰岩
2.36×108 (2410)
蚀变凝灰岩
1.13×107 (1152)
周口店花岗岩
2.16×108 (2200)
绢云母钠长岩
1.38×107 (1426)
含铁石英岩
2.42×108 (2470)
角闪石闪长岩
1.41×107 (1440)
矽化流纹岩
3×108 (3068)
闪长玢岩
1.40×107 (1430)
石英磁铁矿
2.97×108 (3028)
中粒斑状花岗岩
1.5×107 (1530)
石英镜铁矿
2.23×108 (3300)
细中粒花岗岩
1.52×107 (1548)
黄铁铅锌矿
3.51×108 (3586)
粗粒花岗岩
1.53×107 (1560)
　
　
注： 括号内为 kgf∕cm2
    
表10－10金刚石孕镶钻头单位压力推荐表
岩石硬度
单位压力(Pa)
中硬----硬
4.1—6.48×106 (50—70kg)
硬
60—80×106   (70—90 kg)
硬----坚硬
8.82---9.8×106 (90—100kg)
 
　　孕镶钻头的自锐工作原理，决定了恒钻速钻进的特点。其是否处于恒速状态，是鉴别正常钻进的主要标志。在一定的地层和技术条件下，孕镶钻头能否实现恒速钻进，很大程度上取决于钻压的选择是否合理。钻头维持恒速钻进的最低钻压，称为恒钻速最小钻压。钻压小于恒钻速最小钻压时，将出现钻速下降现象， 即钻头处于"打滑"状态。此时，应及时调整增大钻压，使之处于新的恒钻速状态。
　　4、根据合理钻速确定钻压金刚石钻进中的关键问题之一是使工作唇面的金刚石切入岩石保持合理深度。
　　钻头中的金刚石出刃量是非常微小的。表镶钻头大致是几百µm，孕镶钻头只几十µm。当金刚石切入岩石深度过大肘，孔底排粉间隙太小，恶化孔底和冷却条件，引起岩粉堵塞，钻头磨损和钻速下降，甚至发生烧钻事故。当金刚石切人岩石深度过小时，则钻头易"打滑"、抛光，钻速降低，影响正常钻进。通过对钻速快慢的分析，确定金刚石合理的切入岩石深度，以达到既有适当的高钻速，又有较小的钻头磨损率。通过大量的统计数字表明，在7级灰岩中钻进，当钻压为8800N时，钻速为4.62m/h左右，钻进lh零5min，钻头磨耗1000µm;而当钻压为5899N时， 钻速为3.47m/h，钻进1h23min，钻头才磨耗30µm左右。
 
〈二〉影响钻压的有关因素
　　1、使用新钻头，切削单元锋利，初磨阶段应轻压慢转，待钻头与孔底之间，内径同岩心之间磨合后，再调整到正常的钻压与转速值。在正常钻进过程中，切勿随意变更压力。确系切削具磨钝，方可适当增大钻压。
　　2、钻柱对压力的影响在钻进过程中，施于钻头上的轴向载荷，主要来自岩心管上部钻柱的重量。在孔深100m以内钻进 时，多采用钻机加压。而大于100m，则用减压钻进。
施加于钻头上的轴向载荷可用公式（10-7)计算：
Py=W x L+ W'  （10-7)
　　式中：W一--钻杆单位长度重量， N/m， 一--钻杆单位长度重量， N/m，
　　图10-1钻杆旋转时与孔 壁摩擦示意图
　　W '一一钻机油缸施加的轴向压力，N。    
　　利用钻杆自重加压的条件下，施加于钻头上的压力可用（10一8）式计算z
　　Py=W·L (10-8)
　　式中：L一一钻杆总长，m。 一一钻杆总长，m。
　　在减压钻进的条件下，施加于钻头上的压力可用(10-9) 式计算
　　Py=W·L-P’  .    (10-9)  
　　式中P’一一钻机提升力，N。
　　2、转速对钻压的影响由于钻柱与钻孔不同心，钻柱高速 旋转所产生的离心力对孔壁存在侧向压力凡，见图10一1，它与转速的 平方成正比。由于钻柱与孔壁之间存在摩擦，当钻柱向下移动时，侧压力Fn必然产生一个向上的摩擦力 Fuo其大小与Fn、钻杆与孔壁间的摩擦系数有关。摩擦力Fu.抵消部分钻柱重量，造成压力损失。
　　根据公式推导和实测转速所造成的钻柱重量损失，大致是表10-11所列数值。

表 10—11转速对压力补偿值
转速
压力补偿值(规程规定值)
600
800
1000
1200
1／4
1／3
1／2
1／2






　　2、 泵压对钻压的影响因为金刚石钻进的孔壁间隙小，粗径钻具在孔内尤如活塞，必然被冲洗液的反作用力往上推，抵消部分钻柱压力。在浅孔中，泵压的影响更为明显。泵压的反作用力又称举升力，它与钻头上的液压降有关，可按下式计算z
举升力=5.06 ×钻头液压力降×(1.2×钻头直径 一1.2)  (10--10)
　　综合上述，影响钻压的因素很多，又很复杂，难于用准确的 公式推算出来。但有了全面了解，就能作出正确判断。从实践中 总结出的经验是z采用控制钻速的办怯来控制钻压，原则是，钻头磨损正常，钻速平稳。
 
二、转.速 
　　转速亦是影响金刚石钻进效率的主要因素之一。研究转速与钻速和钻头磨损之间的关系，对正 确选择转速具有重要意义。
1、在细砂岩、灰岩、花岗岩中钻进，转速和钻速的变化规 律，呈线性关系，如图10--2所示。
 
　　2、在不同的钻探条件下，转速与钻速的变化规律，如图１０－３所示．图中表明：
　　（１）、较高的钻压下，转速对钻速的影响更为显著，成正比关系。
　　（２）、钻压偏低未达到碎岩应力时，钻头反而有被抛光的趋势，钻速随转速的增加而下降。
　　3、转速与钻头的磨损关系，其规律如图10-4所示。表示了随转速的提高，钻头磨损显著降低。这是因为随线速度提高，单位时间内的磨损量虽然有所增加，但是钻头单位时间内的进尺量亦随转速增加而增加。钻头的磨损呈增长低于碎岩效率的提高， 从而表现为转速增加，而相对磨损量下降。
　　4、于转速的选择，大体遵循以下几个原则：
　　（1）在中硬至硬、中等研磨性的完整岩层中钻进，一般可 采用较高转速
　　（2）在坚硬致密的岩层中钻进，主要靠压碎岩石，宜采用 较低转速，
　　（3）在复杂地层中钻进，宜采用较低转速，
　　（4）此外，转速与切削具磨损之间的关系比较复杂，其间 存在一个合理值，即在一定的转速下，切削具的磨损量最小z而钻速适中，钻头进只最佳。转速过快或过慢，切削具的磨损量都 会增加，钻速虽高，但钻头进只量减少。
转速与线速度的关系可用（10-11)式计算：
v=∏Dn∕60·10-3  (10--11)
式中I V一一圆周线速度， (m/s).
∏一一圆周率(3.1416). D一一钻头外径(mm) •
n一一钻头转数(r/min)。
　　钻头转速一般根据圆周线速度计算，由于镶嵌在其上的金刚 石出刃只有几十µm至几百µm，因此，要获得较好的钻进效率， 主要靠提高单位时间内的切削岩石的次数。
　　一般孕镶钻头，采用2--4m/s的线速度，推荐转数见表10-­12.而表镶钻头，一般采用1--3m/s的线速度。
表10-12金刚石孕镶钻头适用转数推荐表
钻头公称直径 （mm）
36
46
59
75
91
适用转数 (r∕min)
1000---2000
750---1500
600---1200
400---850
350---700
 
三、泵量
　　泵量系指将冲洗介质，如清水、泥浆等泵入孔底的量。在金 刚石钻进过程中，冲洗液起冷却切削具、排出岩粉、保护孔壁、 润滑和减震作用。因此，泵量对金刚石钻进具有特殊的意义。
（一）金刚石钻进对冲洗液量的特殊要求
　　1、金刚石钻头唇面排粉漫流间隙小，极易形成岩屑重复破 碎、岩粉堵塞，甚至形成坚实的"岩粉垫"，使孔底排粉和冷却 条件恶化。对钻头水力学提出了特殊要求。
　　2、金刚石热稳定性差，温度过高将导致金刚石石墨化，胎体变形，机械性能降低。
　　3、钻孔环状间隙小，约2--3mm，水力损失大，无用循环功耗大，亦影响钻头水马力的利用。有必要研究孔内水力能量的有效利用。
　　4、表镶钻头钻进时，是靠漫流通道冷却唇面金刚石和排粉。 因此，调整水口和漫流水路断面之间的关系，是保证提高水力效应、冷却和冲洗效果的关键。
　　孕镶钻头钻进时，钻头漫流通过小，冲洗被对金刚石冷 却和清除岩粉的效果差，加强水口的水力作用是水路设计的主要研究对象。
　　在钻进过程中，钻头与岩石摩擦，导致钻头唇面温度升高。
图10-5、10-6是花岗岩和粉砂岩在不同规程钻进时，钻头温升的变化规律。

上述结果表明：
　　（1）温升随钻压、转速的增加而增高，基本上呈正比线性关系;
　　（2）在正常钻进规程条件下，胎体温度大致在20-120℃ 左右，
　　（3）当采用较强的钻进规程时，钻头结构和水马力设计， 是降低胎体温升的重要因素。
〈二〉泵量对钻速的影响

如图10-7所示。在粉砂岩和花岗岩中钻进，泵量对钻速的影响是：
　　1）对钻速产生明显的影响。
　　2）当泵量减少到一定程度后岩石种类和泵量亦有关系。在细砂岩中钻进，泵量降至 5L/min，钻速才下降，而花岗岩泵量降至lL/min，钻速才发生明显变化。
〈三)冲洗液的返流速度
　　冲洗液排粉和冷却钻头的效率，和返流速度有关。虽无怯准 确算出将岩粉从孔底送到地表所需冲洗液量，但可以返流速度为 　　依据。一般按公式00一12)计算z
　　Q=6·V·A 　　　（１０－1２）
　　式中：Q一一冲洗液量(L/皿in)， 一一冲洗液量(L/皿in)，
　　V一一坏状间隙上返流速，对金刚石钻进>0.4<0.7m/s甚 至l.Om/s，
　　A一一钻孔环状断面(cm2)。
　　可用。(10一13)式计算液体返流中岩粉悬浮时的最大颗粒直 径。
　　R= （0.0055V2•γl）÷ （γ 1一γ)    (10-13)
　　式中：R一一最大颗粒直径， (mm) ， v一-液体返流速度， (cm/s)， 一一最大颗粒直径， (mm) ， v一-液体返流速度， (cm/s)，
　　γ1一一颗粒比重，     γ一一冲洗掖比重。
影响冲洗被量的因素较多，具体选择时，还应考虑下列因素：
　　（1）   岩层的完整度钻进坚硬致密岩层，钻速低，岩粉少，颗粒细，液量可小些。尤其是孕镶钻头，尚需岩粉作自锐介质。
　　（2）   钻进软、中硬的岩层，钻速较高，或易糊钻的岩层，为了快速排粉，液量宜大一些。
　　（3）   钻进研磨性岩层，由于高速摩擦，产生的热量较多，液量应大一些。
　　（4）   钻进漏失地层，为补偿损失部分的掖量，应大于正常情况。
　　（5）   钻头类型孕镶钻头由于金刚石出刃量小，唇面与孔底岩 石接触面积大，过水条件差，又多采用高转速钻进，为及时冷却金刚石和胎体，避免金刚石石墨化和重复破碎岩粉，应采用较大 水量。对表镶钻头，金刚石出刃量比孕镶钻头大，排粉和冷却条 件较好，冲洗液量可稍小一些。
　　根据经验，金刚石钻进常用的冲洗被量览表10-13。建议根据上述因素和钻速高低，结合实际情况，适当调整冲洗被量。
　　在金刚石钻进过程中，观察泵压变化，可以发现孔内某些变 化的征兆。根据实践经验，一般在直径46或59mm、孔深300m左 右，采用清水钻进硬岩层，正常泵压约5.01 X 105-1.01 X 106pa
表10—13金刚石钻进常用冲洗液推荐表
钻头直径（mm）
36
46
59
75
91
冲洗液量（L∕min）
20—30
25—40
30—45
40—60
50—70
　　（泥浆钻进时略高一些），钻进软岩层，约8.08 x 105-1.212 x 106Pa之后，孔深每增加100m，约增加2.03 x 105pa。在钻进 过程中，泵压产生小幅度的升高或下降，系孔底换层征兆。泵压 突然大幅度升高，伴随钻速下降或不进只，可能发生岩心堵塞。因此，当发现泵压异常时，须采取相应技术措施，以防烧钻、断钻杆、脱扣等事故的发生。

湘公网安备 43012102000050号