鄒德永, 袁 軍, 邢 晨, 孟祥雨,2, 劉笑傲

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中海油能源發(fā)展安全環(huán)保分公司,天津 300456)

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針對金剛石鉆頭的巖石研磨性測定方法

鄒德永1, 袁 軍1, 邢 晨1, 孟祥雨1,2, 劉笑傲1

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中海油能源發(fā)展安全環(huán)保分公司,天津 300456)

針對石油鉆井地層巖石研磨性試驗(yàn)評價(jià)問題,根據(jù)金剛石鉆頭的磨損機(jī)制,改裝試驗(yàn)裝置,研制標(biāo)準(zhǔn)磨損件,優(yōu)選試驗(yàn)規(guī)程,提出以標(biāo)準(zhǔn)磨損件研磨破碎單位體積巖石的磨損體積作為巖石研磨性指標(biāo),建立一套巖石研磨性測定方法。試驗(yàn)測定石油鉆井地層代表性巖石的研磨性指標(biāo)。通過研磨性試驗(yàn),優(yōu)選出標(biāo)準(zhǔn)磨損件的金剛石體積分?jǐn)?shù)為25%，粒度為0.3 mm,胎體配方為酚醛樹脂55%、Cu 25%、Cr2O38%、ZnO 6%、SiC 5%、空隙1%(體積分?jǐn)?shù))。優(yōu)選出的試驗(yàn)鉆壓為500 N,轉(zhuǎn)速為198 r/min,排量為0.2 L/s。試驗(yàn)中代表性巖石的研磨性指標(biāo)數(shù)值為0.80～45.78,取以2為底的對數(shù)值作為研磨性級值,將中國石油鉆井地層巖石的研磨性分為6級。

金剛石鉆頭; 巖石研磨性; 測定方法; 標(biāo)準(zhǔn)磨損件; 研磨性指標(biāo); 研磨性分級

金剛石鉆頭研磨破巖過程中巖石研磨性對鉆頭的磨損有著重要的影響,但至今未形成普遍認(rèn)可的石油鉆井地層巖石研磨性的測定方法和分級指標(biāo),嚴(yán)重制約了金剛石鉆頭的發(fā)展和石油鉆井技術(shù)水平的提高[1]。目前國內(nèi)外學(xué)者通常采用銑磨法研究巖石的研磨性,以金屬材料作為磨損件,但是磨損件在巖石表面做摩擦運(yùn)動(dòng),不能反映實(shí)鉆工況和鉆頭的動(dòng)態(tài)破巖過程[2-7],同時(shí)金屬試件容易產(chǎn)生黏連現(xiàn)象,在硬巖石表面打滑,金屬試件的磨損不能反映金剛石鉆頭的磨損實(shí)質(zhì)。筆者針對石油鉆井地層的特點(diǎn),結(jié)合金剛石鉆頭的磨損機(jī)制,通過試驗(yàn)研究,形成一套適合石油鉆井行業(yè)的巖石研磨性測定方法,為新型破巖工具的優(yōu)化設(shè)計(jì)及合理使用提供科學(xué)依據(jù)和方法。

1 研磨性試驗(yàn)原理

采用標(biāo)準(zhǔn)磨損件鉆磨巖石是直接實(shí)現(xiàn)試件與巖石相互研磨的研究方法。將標(biāo)準(zhǔn)磨損件加工成微鉆頭結(jié)構(gòu),在給定的鉆壓和轉(zhuǎn)速條件下研磨鉆進(jìn)巖石,并以一定排量的清水冷卻微鉆頭及清洗巖屑,保證微鉆頭始終處于正常的研磨狀態(tài)。微鉆頭鉆孔法能夠很好地反映實(shí)鉆的工況,模擬金剛石鉆頭的動(dòng)態(tài)破巖過程。

標(biāo)準(zhǔn)磨損件在鉆磨巖石過程中巖石與磨損試件相對滑動(dòng)摩擦,巖石和破碎巖屑摩擦磨損試件。在充分冷卻的條件下,忽略磨損件和巖石摩擦產(chǎn)生的熱能,當(dāng)磨損件在巖石礦物顆粒的摩擦作用下達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí),磨損件材料微粒從接觸端面脫離,試件產(chǎn)生磨損量[8]。試件磨損體積ΔV與摩擦功(μPL)成正比[9],關(guān)系式為

ΔV=fμPL.

(1)

其中

L=2πRnt.

因此式(1)可寫成:

ΔV=2πRntfμP.

(2)

式中,ΔV為試件磨損體積,cm3;f為體積研磨功耗系數(shù),cm3·(N·m)-1;μ為摩擦系數(shù);P為鉆壓,N;L為摩擦路程,m;R為磨損件研磨半徑,m;n為轉(zhuǎn)速,r/min;t為研磨時(shí)間,min。

體積研磨功耗系數(shù)f和摩擦系數(shù)μ都與巖石性質(zhì)有關(guān),可以合并為一個(gè)系數(shù)ω,式(2)可寫成:

ΔV=2πRntωP.

(3)

式中,ω為巖石研磨性系數(shù),表征標(biāo)準(zhǔn)試件做單位研磨功的磨損體積,cm3·(N·m)-1。

由式(3)可以看出,若已知標(biāo)準(zhǔn)磨損件研磨半徑R、試驗(yàn)鉆壓P和轉(zhuǎn)速n以及研磨時(shí)間t的標(biāo)準(zhǔn)試件的磨損體積ΔV，便可求出巖石研磨性系數(shù)ω。

2 試驗(yàn)裝置改裝

從模擬試驗(yàn)的角度確定巖石研磨性試驗(yàn)裝置應(yīng)當(dāng)滿足室內(nèi)設(shè)定的試驗(yàn)規(guī)程,使用標(biāo)準(zhǔn)磨損件對巖石進(jìn)行研磨鉆進(jìn)試驗(yàn),記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù),確定巖石研磨性指標(biāo)[10]。為了完善裝置的動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)功能,在ZXTM-40型號鉆銑床的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對其進(jìn)行改裝,試驗(yàn)裝置由旋轉(zhuǎn)加壓組件、圓盤增壓組件、位移測量組件、巖樣加持組件、冷卻清洗組件、標(biāo)準(zhǔn)磨損件和基座等部分組成,如圖1所示。

圖1 巖石研磨性試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental apparatus for rock abrasiveness

壓力控制組件:標(biāo)準(zhǔn)磨損件鉆磨巖樣所需初始鉆壓和轉(zhuǎn)速由主軸頭提供,改裝后的主軸頭可以自由下落,旋轉(zhuǎn)過程中與機(jī)箱無摩擦,能夠保證鉆壓恒定。為了滿足標(biāo)準(zhǔn)磨損件鉆進(jìn)硬巖樣,形成鉆進(jìn)過程的研磨條件,增加了圓盤增壓組件,圓盤由齒輪嚙合連接到主軸上,通過增加砝碼實(shí)現(xiàn)主軸壓力加載的功能。

巖樣夾持組件:巖樣夾持組件為壓緊可調(diào)式,兩端和側(cè)面配有絲杠,利用巖石強(qiáng)度固定夾緊巖樣,適合不同尺寸的巖樣,巖樣下面配有可調(diào)支架,可以滿足不同厚度巖樣試驗(yàn)的要求。

冷卻清洗組件:為了保證標(biāo)準(zhǔn)磨損件處于正常的研磨狀態(tài),并且始終鉆磨新鮮巖面,配備了水箱、三相電泵、軟管和密封膠套等冷卻清洗組件。

基座:基座表面加工了限位槽,通過螺絲固定巖樣加持組件,同時(shí)基座底部配有滾珠絲杠,可以前后左右移動(dòng),避免了試驗(yàn)過程中反復(fù)拆卸換孔,減輕了工作量。

3 標(biāo)準(zhǔn)磨損件研制

3.1 標(biāo)準(zhǔn)磨損件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

借鑒金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)特征,標(biāo)準(zhǔn)磨損件設(shè)計(jì)為微型取心鉆頭結(jié)構(gòu),由研磨部件和鋼體支撐部件組成,示意圖見圖2。為了保證研磨部件的強(qiáng)度,試件唇面厚度設(shè)計(jì)為5 mm,研磨部件高度設(shè)計(jì)為5 mm;為了充分冷卻試件及清洗巖屑,水槽寬度設(shè)計(jì)為5 mm,研磨部件和鋼體支撐部件內(nèi)外各設(shè)1 mm間隙。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)磨損件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagrams of standard wear specimen

設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)磨損件應(yīng)當(dāng)具備以下兩個(gè)特點(diǎn):一是在試驗(yàn)規(guī)程下能夠有效地鉆進(jìn)巖石;二是有明顯的被磨損效果,這不同于現(xiàn)場鉆頭追求的高破巖效率和長使用壽命特點(diǎn)。金剛石鉆頭主要由金剛石磨削材料和碳化鎢胎體材料組成。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)磨損件以金剛石作為磨削元件,金剛石具有極高的硬度,能夠提高試件研磨鉆進(jìn)巖石的能力;以酚醛樹脂代替碳化鎢作為胎體材料,酚醛樹脂具有良好的耐高溫性,可以降低試件的硬度,提高試件的易磨損性能[11]。

標(biāo)準(zhǔn)磨損件鉆進(jìn)巖石過程中,研磨部件中的金剛石在鉆壓和扭矩作用下研磨破碎巖石。當(dāng)磨鈍的金剛石顆粒脫落后,支撐該部分金剛石的胎體材料磨損剝落,促使鑲嵌在胎體中的新金剛石不斷出露,既可以保證金剛石有效出露,又能夠避免胎體磨損過快導(dǎo)致金剛石過早脫落,如此循環(huán),標(biāo)準(zhǔn)磨損件不斷研磨鉆進(jìn)巖石,同時(shí)自身產(chǎn)生磨損量,很好地反映了鉆井過程中金剛石鉆頭的磨損實(shí)質(zhì)。

3.2 研磨部件配方設(shè)計(jì)

應(yīng)用DR-1型干眼儀對所有入選患者進(jìn)行淚膜脂質(zhì)層光干涉圖像形態(tài)的觀察。干眼儀（Tearscope plus）又稱作淚膜干涉成像儀，是利用光在淚膜脂質(zhì)層表面形成干涉條紋的原理，動(dòng)態(tài)觀察角膜中央脂質(zhì)層形態(tài)圖像。檢查時(shí)首先將患者下頜置于頜托上，前額靠緊額帶，眼睛注視前面的黃色指示燈，適當(dāng)移動(dòng)手柄，將燈光對準(zhǔn)患者角膜中心，此時(shí)囑患者不要眨眼，根據(jù)屏幕出現(xiàn)的圖像進(jìn)行結(jié)果分級。根據(jù)Yokoi分類標(biāo)準(zhǔn)[4]，將淚膜脂質(zhì)層結(jié)果分為5級，其中1～2級為正常，3～5級為干眼。隨訪中所有檢查均由同一名經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)師操作，測量其右眼3次取平均值作為最終結(jié)果。

研磨部件胎體由骨架材料和黏結(jié)金屬組成,骨架材料為酚醛樹脂,黏結(jié)金屬以銅粉(Cu)為主,加入適量的三氧化二鉻(Cr2O3)、氧化鋅(ZnO)和碳化硅(SiC)等輔助磨料。銅粉具有良好的黏結(jié)能力,能夠提高胎體對金剛石的包鑲強(qiáng)度。加入少量的Cr2O3和ZnO可以活化熱壓作用,降低熱壓溫度;加入少量的SiC可以提高標(biāo)準(zhǔn)磨損件的散熱效果,避免試驗(yàn)過程中金剛石的熱損傷[12]。胎體配方組分設(shè)計(jì)方案見表1。

金剛石體積分?jǐn)?shù)和粒度決定了研磨部件中金剛石顆粒的出露和自銳能力,對鉆進(jìn)效率有著明顯的影響。對于石油鉆井地層,金剛石粒度一般為0.15～0.6 mm[13];為了保證胎體對金剛石顆粒的包鑲強(qiáng)度,金剛石體積分?jǐn)?shù)最高不應(yīng)超過30%[14]。金剛石粒度設(shè)計(jì)為0.15、0.2、0.3、0.45和0.6 mm,體積分?jǐn)?shù)為10%、15%、20%、25%和30%。

表1 研磨部件胎體配方組分體積分?jǐn)?shù)

3.3 標(biāo)準(zhǔn)磨損件燒制

標(biāo)準(zhǔn)磨損件采用熱壓工藝燒制合成,鋼模內(nèi)的金剛石和胎體材料粉末的燒制同時(shí)進(jìn)行,能夠改善胎體粉末的可塑性,加速胎體粉末的致密化過程,提高試件的性能[15]。

熱壓工藝包括熱壓溫度、固化溫度、燒制壓力和保溫時(shí)間等。設(shè)計(jì)熱壓溫度的依據(jù)是胎體成分中骨架材料和黏結(jié)金屬的含量,酚醛樹脂的分解溫度一般為230～400 ℃,由于配方設(shè)計(jì)中骨架材料含量較高,為了保證胎體對金剛石的包鑲強(qiáng)度,避免胎體性能降低,熱壓溫度設(shè)計(jì)為180 ℃,最終固化溫度設(shè)計(jì)為190 ℃。燒制壓力對胎體密度和耐磨性有明顯影響,考慮胎體各成分含量比以及對試件易磨損的要求,燒制壓力設(shè)計(jì)為8 MPa。保溫過程是金屬粉末在模具內(nèi)黏結(jié)骨架材料和金剛石的過程,需要稍長的時(shí)間,為了保證良好的黏結(jié)性能,保溫時(shí)間設(shè)計(jì)為30 min[16]。標(biāo)準(zhǔn)磨損件實(shí)物見圖3。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)磨損件實(shí)物Fig.3 Sample diagrams of standard wear specimen

3.4 研磨部件配方優(yōu)化

灰板巖和花崗巖是石油鉆井地層常見的兩種不同硬度的代表性巖石,選取這兩種巖石作為試驗(yàn)對象。設(shè)定鉆壓為400 N,轉(zhuǎn)速為95 r/min,在兩種巖石上研磨鉆進(jìn)10 min,測定試件的磨損量,優(yōu)化研磨部件配方。

3.4.1 胎體配方優(yōu)化

根據(jù)表1中所列的胎體配方設(shè)計(jì)方案,采用熱壓工藝燒制6種磨損件(不含金剛石),硬度見表2。胎體配方對試件性能的影響如圖4所示。

表2 不同配方的胎體硬度

圖4 試件磨損量隨胎體配方變化Fig.4 Weight loss change of specimen with matrix formula

由圖4可以看出,對于同一種巖石,隨著胎體硬度增加,試件的磨損量減小,相同配方條件下,試件在花崗巖上的磨損量大于在灰板巖上的磨損量。分析原因認(rèn)為,花崗巖比灰板巖的硬度大,花崗巖中礦物顆粒對試件的磨損嚴(yán)重,試件磨損量大。1、2號配方胎體硬度低,試件鉆進(jìn)花崗巖困難,試件唇面有輕微斷裂及小塊脫落;3、4號配方胎體有足夠高的硬度,試件磨損量明顯,試件唇面形狀保持良好,兩種試件在同一種巖石上的磨損量差別很小,而4號胎體的整體性能優(yōu)于3號胎體;5、6號配方胎體硬度高,雖然在花崗巖中鉆磨效果明顯,但是在灰板巖上的磨損不明顯,磨損量很小。選取4號胎體配方作為研磨部件的最優(yōu)胎體配方。

3.4.2 金剛石參數(shù)優(yōu)化

采用4號胎體配方,根據(jù)表2中金剛石參數(shù)設(shè)計(jì)方案,熱壓燒制了25種磨損試件,在灰板巖和花崗巖上進(jìn)行研磨鉆進(jìn)試驗(yàn)。金剛石參數(shù)對試件性能的影響如圖5所示。

由圖5(a)可以看出,當(dāng)金剛石粒度一定時(shí),隨著體積分?jǐn)?shù)的增加,試件在灰板巖和花崗巖上的鉆進(jìn)深度呈先增大后減小的趨勢,試件磨損量總體趨勢減小。這是因?yàn)樵谙嗤６葪l件下,金剛石體積分?jǐn)?shù)增大意味著出露的金剛石數(shù)量增多,試件的破巖能力增強(qiáng),耐磨性增強(qiáng),即相同時(shí)間內(nèi)試件的鉆進(jìn)深度增大,磨損量減小,當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)超過25%后出露的金剛石過多,單顆粒金剛石的切削力很小,整體破巖能力降低,而試件胎體對金剛石的包鑲能力很強(qiáng),試件磨損量很小。綜合考慮試件鉆進(jìn)深度和磨損量的關(guān)系,選取25%為最優(yōu)金剛石體積分?jǐn)?shù)。

圖5 試件鉆進(jìn)深度和磨損量隨金剛石參數(shù)的變化Fig.5 Change of drilling depth and weight loss with diamond parameters

由圖5(b)可以看出,當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)一定時(shí),試件鉆進(jìn)深度和磨損量隨金剛石粒度的變化規(guī)律與其隨金剛石體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律大體相似。金剛石粒徑越大,相同體積分?jǐn)?shù)下出露的金剛石數(shù)量越少,當(dāng)金剛石粒度達(dá)到0.3 mm時(shí),試件鉆進(jìn)深度達(dá)到極值點(diǎn),試件鉆進(jìn)效果最好,而試件磨損量在0.3 mm粒度處出現(xiàn)拐點(diǎn),當(dāng)金剛石粒度大于0.3 mm后,試件磨損量增大幅度明顯減小，故0.3 mm可作為金剛石粒度優(yōu)化結(jié)果。

4 試驗(yàn)規(guī)程確定

為了模擬金剛石鉆頭的動(dòng)態(tài)破巖過程,試驗(yàn)規(guī)程包括鉆壓、轉(zhuǎn)速以及保持標(biāo)準(zhǔn)磨損件與巖石新鮮面研磨等3個(gè)方面。石油鉆井中鉆壓一般為每個(gè)切削齒1 000 N,當(dāng)用清水冷卻時(shí),完全滿足試件正常研磨的要求[17]?？紤]到試驗(yàn)?zāi)康氖菧y定巖石的研磨性,不必提高鉆壓獲得高鉆速,試驗(yàn)鉆壓設(shè)計(jì)為200、300、400、500和600 N。金剛石鉆頭不受熱沖擊影響的正常工作溫度低于350 ℃,研磨線速度為1 m/s時(shí)的工作溫度接近350 ℃[18]。結(jié)合試驗(yàn)裝置條件,314 r/min轉(zhuǎn)速下的研磨線速度只有0.4 m/s,遠(yuǎn)比達(dá)到350 ℃的線速度低,試驗(yàn)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為95、150、198、232和314 r/min,該轉(zhuǎn)速范圍與金剛石鉆頭正常鉆進(jìn)的工作范圍相近。

4.1 排 量

試驗(yàn)過程中,為了保證標(biāo)準(zhǔn)磨損件與巖石新鮮面相互研磨,采用清水冷卻鉆頭及清洗巖屑,清水排量應(yīng)當(dāng)滿足攜帶巖屑所需要的最小排量Qmin,其計(jì)算公式[19]為

(4)

式中,Qmin為最小排量,L/s;dh為標(biāo)準(zhǔn)磨損件外徑,cm;dp為鋼體支撐部件外徑,cm;va為最小環(huán)空返速,m/s。

由標(biāo)準(zhǔn)磨損件結(jié)構(gòu)可知,dh為2.5 cm,dp為2.3 cm,為了充分冷卻試件,避免重復(fù)研磨,設(shè)定va為2 m/s,計(jì)算得到Qmin為0.15 L/s。

清水由三相電泵供給,根據(jù)最小排量Qmin可以確定電泵規(guī)格,選取最大排量為0.2 L/s的AB-12型號三相電泵即可滿足試驗(yàn)要求。

4.2 鉆 壓

設(shè)定清水排量為0.2 L/s,在不同鉆壓條件下對灰板巖和花崗巖進(jìn)行研磨鉆進(jìn)試驗(yàn)。恒定轉(zhuǎn)速條件下,標(biāo)準(zhǔn)試件在花崗巖上的鉆進(jìn)深度和磨損量隨鉆壓變化的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 鉆壓對花崗巖試件鉆進(jìn)深度和磨損量的影響Fig.6 Influence of bit weight on granite drilling depth and weight loss

由圖6可以看出:標(biāo)準(zhǔn)試件的鉆進(jìn)深度和磨損量隨鉆壓的增大而增大;當(dāng)鉆壓小于500N時(shí),隨著鉆壓增大,鉆進(jìn)深度增加幅度大,試件磨損量增大幅度小;當(dāng)鉆壓大于500N時(shí),鉆進(jìn)深度增加緩慢,試件磨損量趨于恒定。這是因?yàn)?隨著鉆壓增大,試件和巖石之間的摩擦力增大,試件磨損量增加,當(dāng)鉆壓較小時(shí),試件鉆進(jìn)花崗巖困難,磨損量小,當(dāng)鉆壓過大時(shí),試件唇面金剛石很容易被磨鈍,造成試件與巖石接觸面粗糙度減小,摩擦力減小,試件磨損量增加幅度減小。試件在灰板巖上的鉆進(jìn)深度很大,但磨損量增加很小。在保證標(biāo)準(zhǔn)試件有效吃入巖石及磨損明顯的條件下,為了避免試驗(yàn)過程中浪費(fèi)巖樣和現(xiàn)場巖心,優(yōu)選試驗(yàn)鉆壓為500N。

4.3 轉(zhuǎn) 速

圖7為恒定鉆壓條件下標(biāo)準(zhǔn)磨損件在灰板巖上的鉆進(jìn)深度和磨損量隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系曲線。

由圖7可以看出:隨著轉(zhuǎn)速的增大,標(biāo)準(zhǔn)磨損件鉆進(jìn)深度增大,在232r/min處出現(xiàn)拐點(diǎn),當(dāng)轉(zhuǎn)速大于232r/min后,鉆進(jìn)深度增加幅度減小;試件的磨損量隨轉(zhuǎn)速增加而迅速增大,當(dāng)轉(zhuǎn)速大于198r/min后,試件磨損量增加幅度急劇減小。分析其原因認(rèn)為,對于同一種巖石,當(dāng)轉(zhuǎn)速較小時(shí),相同時(shí)間內(nèi)試件摩擦巖石的路程較短,鉆進(jìn)深度和磨損量較小,隨著轉(zhuǎn)速的增大,試件與巖石之間的摩擦速度增大,加速了試件的磨損。當(dāng)轉(zhuǎn)速過大時(shí),試件與巖石接觸面高速旋轉(zhuǎn)摩擦,產(chǎn)生大量的熱能,降低了試件的性能,試件與巖石接觸的唇面胎體材料容易碳化,唇面粗糙度減小,試件鉆進(jìn)效率降低,磨損量增加幅度減小。為了保證試件始終處于正常的研磨狀態(tài),測定出巖石的純研磨性質(zhì),優(yōu)選試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為198r/min。

圖7 轉(zhuǎn)速對灰板巖試件鉆進(jìn)深度和磨損量的影響Fig.7 Influence of rotational speed on ash slate drilling depth and weight loss

5 巖石研磨性指標(biāo)確定

在鉆壓為500N、轉(zhuǎn)速為198r/min、排量為0.2L/s的試驗(yàn)規(guī)程下,研磨鉆進(jìn)10min,測定了10種石油鉆井地層代表性巖石的研磨性,結(jié)果見表3。在試驗(yàn)結(jié)果處理過程中引入體積磨耗比ωr,定義為標(biāo)準(zhǔn)試件研磨破碎單位體積巖石的磨損體積,ωr表征巖石對標(biāo)準(zhǔn)試件的研磨強(qiáng)度,是一個(gè)無因次值,計(jì)算公式為

(5)

式中,ΔW為標(biāo)準(zhǔn)試件磨損質(zhì)量,mg;ΔV1為巖石破碎體積,cm3;ρ為研磨部件密度,g/cm3;d1為標(biāo)準(zhǔn)試件外徑,cm;d2為標(biāo)準(zhǔn)試件內(nèi)徑,cm;h為鉆進(jìn)深度,mm。

表3 代表性巖石的研磨性試驗(yàn)結(jié)果

由表3可以看出,標(biāo)準(zhǔn)試件在灰板巖、綠板巖、石灰?guī)r、白云巖、大理石和花崗巖上的磨損量較小,在紅砂巖、中砂巖、黃砂巖和石英砂巖上的磨損量較大,這是因?yàn)榍?種巖石內(nèi)部礦物成分比較均一,后4種砂巖內(nèi)部含有石英顆粒,石英粒度及含量對巖石研磨性的影響程度遠(yuǎn)大于巖石硬度對巖石研磨性的影響。

單從磨損量看,試件在花崗巖上的磨損量比在石灰?guī)r和白云巖上的磨損量小,分析原因認(rèn)為,石灰?guī)r和白云巖硬度較低,試件在這兩種巖石上的鉆進(jìn)速度快,研磨過程中產(chǎn)生的巖屑多,巖屑顆粒在運(yùn)移過程中對試件唇面的摩擦力大,試件磨損量較大;花崗巖硬度大,呈致密塊狀構(gòu)造,試件研磨壓碎巖石困難,產(chǎn)生的巖屑少,研磨過程中巖石對試件唇面的摩擦阻力相對較小,金剛石脫落緩慢,試件磨損量較小,此外,試驗(yàn)規(guī)程穩(wěn)定,研磨時(shí)間較短,試件不容易形成疲勞磨損。由此可見，僅用標(biāo)準(zhǔn)試件的磨損量衡量巖石的研磨性過于片面,而體積磨耗比ωr能夠反映研磨過程中標(biāo)準(zhǔn)試件磨損和巖石破碎的情況,具有良好的可比性,并且分辨度高,對于不同的巖石差別明顯,可以作為評價(jià)巖石研磨性的指標(biāo)。

對于不同的巖石,研磨性指標(biāo)取值為0.80～45.78,最大值約為最小值的57倍,為了更好地區(qū)分不同巖石的研磨性,對研磨性指標(biāo)取以2為底的對數(shù)值,以此作為巖石的研磨性級值ωd,一般ωd取整數(shù)值,計(jì)算公式為

ωd=log2(104ωr).

(6)

巖石研磨性分級結(jié)果如圖8所示。由于灰板巖屬于低研磨性軟地層巖石,標(biāo)準(zhǔn)磨損件在試驗(yàn)規(guī)程下的破巖體積遠(yuǎn)大于試件自身的磨損體積,灰板巖的研磨性指標(biāo)小于1,研磨性級值為負(fù)值,因此對于研磨性指標(biāo)小于1的巖石,其研磨性級別取為Ⅰ級,對于研磨性指標(biāo)大于32的巖石,其研磨性級別取為Ⅵ級,這樣,石油鉆井地層巖石的研磨性可分為6個(gè)級別。

圖8 石油鉆井地層巖石研磨性分級Fig.8 Classification of formation rock abrasiveness in petroleum drilling

6 結(jié) 論

(1)標(biāo)準(zhǔn)磨損件為微型取心鉆頭結(jié)構(gòu),由研磨部件和鋼體連接部件組成,研磨部件以體積分?jǐn)?shù)為25%、粒度為0.3mm的金剛石為磨削元件,以酚醛樹脂55%、Cu25%、Cr2O38%、ZnO6%、SiC5%、空隙1%(體積分?jǐn)?shù))為胎體配方,標(biāo)準(zhǔn)試件的磨損能夠反映金剛石鉆頭的磨損實(shí)質(zhì)。

(2)優(yōu)選試驗(yàn)鉆壓為500N,轉(zhuǎn)速為198r/min,排量為0.2L/s,該試驗(yàn)規(guī)程反映了實(shí)鉆的工況條件,能夠保證標(biāo)準(zhǔn)試件有效地研磨鉆進(jìn)不同硬度的巖石,并且處于正常的研磨狀態(tài)。

(3)以標(biāo)準(zhǔn)試件研磨破碎單位體積巖石的磨損體積作為衡量巖石研磨性的指標(biāo),對于石油鉆井地層代表性巖石,研磨性指標(biāo)取值為0.80～45.78,取以2為底的對數(shù)值作為研磨性級值,將中國石油鉆井地層巖石的研磨性分為6級。

(4)形成了一套石油鉆井地層巖石研磨性的測定方法,能夠模擬金剛石鉆頭的動(dòng)態(tài)破巖過程,試驗(yàn)操作簡單方便,技術(shù)條件穩(wěn)定。

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(編輯 李志芬)

A modified determination method of rocks abrasiveness for well drilling using diamond bits

ZOU Deyong1, YUAN Jun1, XING Chen1， MENG Xiangyu1,2, LIU Xiaoao1

(1.SchoolofPetroleumEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China; 2.CNOOCEnergyTechnology-Safety&EnvironmentalProtectionCompany,Tianjin300456,China)

In order to classify the rocks abrasiveness in oil well drilling using diamond or PDC bits, a conventional equipment used for rocks abrasiveness testing was modified based on the wear mechanisms of diamond bits, and a new kind of standard wear specimen made of diamond bit materials was manufactured. The volume worn of the standard wear specimen for breaking per unit volume of rocks was taken as the abrasiveness index, and a new experimental method was proposed. An optimized diamond volume fraction of the standard wear specimen was determined as 25% with size of 0.3 mm diamond grains, and the matrix was formulated with phenolic resin 55%, Cu 25%, Cr2O338%, ZnO 6%, SiC 5% and with 1% volume of pores. For the standard wear testing, the suggested weight on the wear specimen is of 500 N, and the rotation speed is 198 r/min with a circulation rate of drilling fluid of 0.2 L/s. The abrasiveness index of the representative rock samples from different formations encountered in oil well drilling has been determined, which was found to be in the range of 0.80 to 45.78. The logarithm value of the abrasiveness index was used for the classification of the rocks abrasiveness, defined as the abrasiveness grade value. The rocks encountered in oil well drilling in China can be divided into six grades according to the abrasiveness grade values.Keywords: diamond bit; rock abrasiveness; determination method; standard wear specimen; abrasiveness index; abrasiveness classification

2015-12-10

教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20100133110002)

鄒德永(1962-),男,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)橛蜌饩こ獭-mail:zoudeyong@upc.edu.cn。

袁軍(1986-),男,博士研究生,研究方向?yàn)橛蜌饩畮r石力學(xué)與工程。E-mail:yuanjuncup@sina.com。

1673-5005(2016)04-0073-08

10.3969/j.issn.1673-5005.2016.04.009

TE 921.1

A

鄒德永，袁軍，邢晨，等. 針對金剛石鉆頭的巖石研磨性測定方法[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，40(4)：73-80.

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