金刚石钻进参数的优选

金刚石钻头选型确定后,其钻进效率主要取决于钻压、转速、泵量等参数的选择。选择依据是岩石性质、设备和钻具、钻头类型、孔深、孔径及钻进工艺。

(一)钻压

金刚石钻进的机械钻速与钻压有密切关系。在一定范围内钻速随钻压增大而增加,但增加的趋势随孔底碎岩机理的不同而不同。如图6-43所示,金刚石钻进可分为三个岩石破碎区。

图6-43 钻压对钻速和金刚石磨耗的影响

当钻压很小(达不到岩石破碎强度极限)时,主要靠金刚石与岩石的摩擦引起岩石表面研磨破碎,钻速极低。这属于表面破碎区(图6-43中Ⅰ区)。

当钻压增大到岩石抗压入强度时,岩石产生体积破碎,钻速随钻压呈直线增长(图6-43中Ⅲ区)。单位进尺的金刚石耗量也随钻压而增大。

由表面破碎Ⅰ区过渡到体积破碎Ⅲ区经过疲劳破碎Ⅱ区(图6-43中Ⅱ区)。在此区域内,钻进速度比Ⅰ区高,但钻压仍达不到岩石体积破碎值,只是沿接触面边缘产生裂隙或部分破碎,依靠多次重复使裂纹扩展才能破碎岩石——疲劳破碎。

体积破碎开始时(Ⅲ区)的钻进压力被称为临界压力。岩石越硬,金刚石颗粒越粗,临界压力值越大;随着转速增大,临界压力值将增大。如果钻压大于允许值,钻速虽有提高,但由于岩屑颗粒增大,胎体底唇面与孔底的间隙减小,岩粉被重复破碎,致使金刚石过多出露和早期脱落,甚至可能导致烧钻事故。因此,在Ⅲ区以后机械钻速的增长将小于钻压增长,甚至出现钻速下降,单位进尺的金刚石耗量急剧增大。因此钻压存在着如图6-43阴影区的最佳区域。

孕镶金刚石钻头的金刚石均匀分布在胎体中,且粒度很小,钻压W可以用钻头单位面积上的压力值进行计算。

W=F·P (6-9)

式中:W为钻头钻进压力,kN;F为钻头实际的工作唇面面积,cm2;P为单位底唇面积允许的压力,kN/cm2。

不同可钻性岩石的P推荐值为:可钻性7级以下的中硬岩石0.40～0.55kN/cm2;7～9级硬岩石0.60～0.75kN/cm2;10级以上坚硬岩石0.8～0.9kN/cm2。

不同口径规格金刚石钻进压力参考值如表6-12所示。

表6-12 不同口径金刚石钻进钻压参考值　单位:kN

(二)转速

转速是影响金刚石钻进效率的另一个重要因素。在一定条件下,转速越高则钻速也越高(图6-44),只是不同岩石的增幅不同,岩石越软,增幅越大。

图6-44 金刚石钻进中钻速与转速的关系

1—角闪片麻岩;2—混合岩化的片麻岩;3—均质混合片麻岩;4—闪长岩;5—花岗岩;6—石英岩

转速与金刚石磨耗的关系比较复杂。若其他条件不变二者之间存在一个合理值。转速过小或过大,金刚石的磨耗量都较大。选择转速时必须注意防止钻杆柱进入共振状态,使金刚石的单位磨耗量急剧增加。

通常以线速度来规定钻头的转速:表镶钻头1.0～2.0m/s;孕镶钻头1.8～3.0m/s;复合片钻头0.5～1.5m/s。不同口径规格的金刚石钻进转速参考值如表6-13所示。

表6-13 不同口径金刚石钻进转速参考值 (单位:r/min)

(三)冲洗液量(泵量)

金刚石钻头的出刃量很小,如果冲洗液量不足,使孔底积聚大量岩屑将减少金刚石的切入深度,造成金刚石前面的岩屑被挤压在金刚石下被重复破碎,并会垫起钻头阻碍其破碎岩石(图6-45)。金刚石钻进中,如果孔底断水干摩擦2min钻头便会烧毁。冲洗液在金刚石钻进中除了完成排粉、冷却、护壁功能外,还将起到润滑钻具、帮助孕镶钻头自锐的作用。应从以下三方面来优选金刚石钻进的泵量:

图6-45 钻头下的岩粉挤压情况

1—钻头胎体;2—岩屑;3—金刚石

1.冷却钻头的需要

设送到钻头处的冲洗液温度为t1,经过钻头唇部吸收了摩擦热而上升到t2,流量Q维持洗井液温度不再升高。按照热平衡有如下计算式

L摩=1000CQ(t1-t2) (6-10)

式中:C为冲洗液比热,J/kg·K;Q为冲洗液量,L/s,取1L的质量等于1kg;L摩为消耗于摩擦的功,kJ。

于是得出冲洗液量为:

Q=1000L摩/C(t1-t2) (6-11)

因为L摩=p·f·u

所以Q=1000pfu/C(t1-t2)(6-12)

式中:p为钻头钻压,N;f为钻头与岩石的摩擦系数,0.3～0.5;u为钻头回转线速度,m/s。

试验得出,温度t2与t1的差值不超过10K,即可保证钻头安全工作。因此,计算时取t2-t1=10K。冲洗液的比热C取水的比热值4.2×103J/kg·K。

2.钻头底唇面下及时排粉的需要

冲洗液从钻头底唇面与岩石间缝隙流过的称之为“缓流”或“漫流”,其阻力大,流速低;从水口流出的称之为“急流”,阻力小,流速高。孕镶金刚石钻头的冷却与排粉作用主要靠急流。满足排粉的急流冲洗量计算式如下:

Q=6SkUkε (6-13)

式中:Sk为水口断面面积和,cm2;Uk为水口处急流水流出的速度,m/s;ε为孔底结构形状系数。

试验得出急流水流速应不低于1.5～2.0m/s才有效。系数ε取1.0～1.5,孔底断面为平底形与弧形的取1.0,阶梯形和锯齿形的取1.50。

3.岩粉离开孔底上返的需要

岩粉离开孔底沿孔壁、钻具间环状间隙上返所需的冲洗液量为:

Q=6SnUn (6-14)

式中:Sn为钻孔与钻具之间的最大环状断面面积,cm2;Un为冲洗液流上升的速度,m/s。不低于0.3～0.7m/s。

从上述三种计算所得的冲洗液量中选取最大值作为应用量。因为按照岩粉升速计算得到的值为最大,且条件简单,所以普遍应用于钻探生产中。

金刚石钻进中不同口径的冲洗液量推荐值如表6-14所示。

表6-14 不同口径金刚石钻进冲洗液量参考值

(四)泵压

泵压是冲洗液流经钻进循环系统的总阻力,是个被动参数。通过泵压变化可以判断孔底钻进工况。一般情况下,清水钻进泵压递增率为0.2MPa/100m。泵压小幅度上升或下降是孔底换层征兆;泵压猛然大幅增高,伴随钻速下降或不进尺,可能是岩心堵塞;如果突然明显下降,多为钻具折断、脱扣及孔底漏失所致。

为了降低深部钻探的高泵压,多采用增大钻孔与钻具间环状间隙的办法来解决。例如,N系列口径的绳索取心钻头外径增大至Φ77mm～Φ78mm;H系列口径的增大至Φ97mm～Φ98mm。钻头外径增大2～3mm,3000m孔深的泵压约降低1.5～2.0MPa。

总之,不同的破碎岩石机理对钻进参数要求不同。软至中硬岩层宜选低转速、低钻压、大泵量;硬岩层钻进宜选高转速、中钻压、中泵量;坚硬岩层钻进宜选低转速、高钻压、小泵量。在优选钻进参数时还应考虑以下因素:

1)钻孔弯曲、孔径不均和岩层破碎情况下,应适当减小钻压和转速;钻孔结构简单,环空间隙小,孔深不大,应尽量选高转速。

2)深孔施工受钻机驱动能力和钻杆柱质量限制,应控制钻压和转速。

3)钻头胎体较软或耐磨性较低应采用较小钻压;反之,采用较大钻压。

4)钻头金刚石质量好、浓度高、粒度大,应选较大钻压和高转速;反之,采用较小钻压。同样浓度的钻头,金刚石颗粒大的用较小钻压、较低转速,反之,采用较大钻压、高转速;转速高、钻速快、岩层研磨性强和岩屑颗粒粗时,应选大泵量,反之亦然。

5)孕镶钻头的冲洗液量应大于表镶钻头,复合片钻头可超过表镶或孕镶钻头冲洗液量的20%～50%,钻杆住密封不好时,应适当增加冲洗液量。

6)采用冲击回转或孔底动力机钻进时,冲洗液量需满足孔底动力要求。