旋轉井壁取芯器鉆頭性能探討

王野梁

摘 要：介紹了旋轉井壁取芯器鉆頭的工作原理和結構特點。將12種取芯鉆頭的各項技術參數進行綜合對比。為了確定每種鉆頭對不同巖性地層的適用性能，設計了模擬地層取芯的實驗。采集12種取芯鉆頭分別在0～40公斤的鉆壓下對五種不同巖石樣本（石灰巖、花崗巖、粗砂巖、細砂巖和泥質砂巖）進行模擬取芯的實驗數據。將實時記錄的扭矩、鉆速和功率的變化曲線配合每種鉆頭的各項性能參數逐一進行分析，最終獲得每種鉆頭的適用性能星級評定表，為一線的旋轉井壁取芯作業提供幫助。

關鍵詞：井壁取芯 取芯器 性能參數 實驗數據 適用性

中圖分類號：TH132.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（c）-0090-03

旋轉式井壁取芯器是一種從靠近裸眼井地層中直接獲取井壁巖芯的測井儀器，它適用于全井段中各種地層的井壁取芯作業。由于該儀器對原狀地層破壞較小，取得的巖心數量多、顆粒完整，并可以直接用于巖電實驗和含油性分析化驗，求取飽和度、孔隙度、滲透率等儲層參數，極具實驗和分析價值，備受地質學家的青睞[1]。但是在實際取芯作業過程中，在鉆壓和地層一定的情況之下，選擇適合該地層并且性能好的鉆頭往往能節約取芯時間，提高取芯作業時效性，并一定程度上降低取芯作業風險。文章對12種取芯鉆頭的各項性能參數進行分析，同時配合這些鉆頭分別在不同的鉆壓下對五種巖石樣本（石灰巖、花崗巖、粗砂巖、細砂巖和泥質砂巖）進行取芯實驗得到的數據，由此確定每種鉆頭的地層適用性。

1 旋轉井壁取芯鉆頭簡介

1.1 取芯鉆頭工作原理

旋轉式井壁取芯器的鉆頭是一種空心的金剛石鉆頭。它靠螺紋連接在該儀器的高溫液壓馬達的鉆桿上[2]。它是以鋒利、耐磨以及能夠自銳的天然金剛石或者人造金剛石為切削齒，在馬達鉆桿的帶動下獲得較高的鉆速和鉆頭進尺。在鉆取地層巖芯時鉆頭上的每粒金剛石在鉆壓作用下壓入巖石，使切削面下方的巖石處于極高的應力狀態，造成局部破裂，同時在旋轉扭矩的作用下產生切削作用，破碎巖石的體積大體上等于金剛石吃入巖石的位移體積，最后通過不斷的切削作用，形成一顆完整的巖芯。

1.2 取芯鉆頭結構簡介

旋轉井壁取芯金剛石鉆頭的結構大同小異，主要包括鋼體、胎體、切削刃和水口。文章探討的12種鉆頭的鋼體均為17-4PH型馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，具有良好的抗腐蝕、耐疲勞性。胎體是鑲嵌金剛石顆粒的基體，是由一定粒度的硬質合金粉加上適當的易熔金屬作粘合劑，壓制燒結而成。金剛石鉆頭的切削刃根據金剛石顆粒鑲嵌在胎體上的形式有表鑲式，孕鑲式和表孕鑲式三種。金剛石鉆頭的水口是構成鉆頭水動力的通道，它使金剛石在鉆進過程中保證供給鉆頭工作面足夠的水利能量，既能清除巖屑，又能很好的冷卻和潤滑鉆頭上的金剛石。

2 模擬取芯實驗

2.1 實驗設計說明

為了能夠準確的發現每種鉆頭的優缺點和它們各自的地層適用性，特將12種鉆頭分別在0～40 kg的鉆壓下，分別對石灰巖、花崗巖、粗砂巖、細砂巖和泥質砂巖共5種不同地質特性的巖石樣本進行模擬鉆取巖芯實驗，觀察不同鉆頭在不同鉆壓下的取芯效果，同時記錄取芯過程中的扭矩、轉速、功率等參數的實時變化情況，最后整理出所有的數據和曲線圖，以此確定每種鉆頭的地層適用性。

2.2 旋轉井壁取芯鉆頭部分重要技術參數分析

2.2.1 鑲嵌金剛石的目數

對比1號和6號鉆頭，前者金剛石目數A粒/克拉，后者B粒/克拉，且A>B，其余參數一致。圖1為這兩種鉆頭對石灰巖取芯時的鉆壓-扭矩對比圖。

從圖1可以看到，1號和6號兩種鉆頭只是鑲嵌的金剛石目數不一樣，在取芯實驗時，1號的扭矩明顯高于6號，即1號比6號更利于對石灰巖的取芯，取芯時間必然是T1

2.2.2 金剛石的排布方式

金剛石在鉆頭工作面上的排布方式有交錯排列法、圓周排列法和脊圈排列法。文章介紹的12種鉆頭除7號和8號孕鑲鉆頭的金剛石排列為N順序外，其余鉆頭的金剛石均設計為圓周排列法中的M曲線排列。這樣排列的好處在于最大程度的提供取芯時的水利能量，增大鉆頭的排屑能力。圖2為1號與8號鉆頭對花崗巖取芯的鉆壓-扭矩對比圖。

從圖2可以看到，1號表鑲鉆頭在鉆壓增大的情況下，對花崗巖取芯的扭矩是由小到大遞增的，8號孕鑲鉆頭對花崗巖取芯的扭矩是先上升后下降再上升的，很明顯的符合孕鑲轉頭的特點，舊的金剛石磨掉了新的又露出來的特性造成了這一曲線的走勢。

2.2.3 切削刃角度

切削刃角度是指沿漸開線排列的金剛石切削面的起始面與巖石切平面之間的夾角，類似于用刀削蘋果時刀刃與蘋果皮之間的夾角。采用適當的切削刃角度，可以大大改善切削齒（金剛石）的抗沖擊性，一般金剛石鉆頭的切削刃角度取值范圍在0°～25°之間。

2.2.4 水口數目

取芯金剛石鉆頭水口的數目與鉆頭所適用地層有關。用于軟到中硬地層的金剛石鉆頭，由于其工作面小，金剛石鉆進時轉速快，巖屑多而粗，因此水口應寬而少。而對于硬和堅硬地層，由于鉆頭工作面大，鉆壓大，水口應多、密、窄。圖3是10號與11號鉆頭對石灰巖取芯的鉆壓-扭矩對比圖。圖4是10號與11號鉆頭對泥質砂巖取芯的鉆壓-扭矩對比圖。

10號鉆頭有H個水口，11號鉆頭有G個水口，且H

2.2.5 鉆頭的內外徑

由于旋轉井壁取芯儀器取出的巖芯是有規定的，最大直徑25 mm，最大長度50 mm[2]，所以鉆頭的內外徑只要能滿足這個要求即可。但是作為研發產品來說，內徑一定是為了滿足巖芯的直徑要求，外徑的大小則需要根據具體情況而定，不同內外徑造成了不同的切削面積。例如在鉆取相同的地層并在鉆壓一定的情況之下，切削面積越大，則取芯遇到的阻力也越大；切削面積越小，則取芯遇到的阻力也越小。圖5為1號、2號和6號鉆頭鉆取細砂巖時的鉆壓-扭矩對比圖。

從圖5可以看到，在鉆取硬度較低的細砂巖時，隨著鉆壓的增大，1號鉆頭的扭矩明顯小于2號鉆頭，6號鉆頭則更大。這是因為這三種鉆頭的內徑相同，但1號鉆頭的外徑小于2號鉆頭，則1號鉆頭的切削面積小于2號鉆頭，在鉆取軟地層時受力面積較小，性能相對差一些。6號鉆頭的外徑雖然小于2號鉆頭，但是6號鉆頭的切削面與其他鉆頭不同，存在一個特定的角度，相比別的鉆頭而言在鉆取巖芯時更合適，扭矩也更大。

2.2.6 鉆頭的胎體

鉆頭的胎體需要一定的硬度，主要根據鉆頭金剛石鑲嵌的形式來選擇，例如表鑲鉆頭的胎體應該較硬，孕鑲鉆頭的胎體應該較軟。但是還有一個要注意的是，在對較硬巖石取芯時，即使同樣的表鑲鉆頭由于胎體的硬度不一樣，取芯結果也是有差異的，1號和9號鉆頭同時對花崗巖取芯后就能顯示出來了。1號鉆頭為X基胎體，其硬度要大于9號鉆頭的Y基胎體，在同樣鉆壓、鉆取時間的條件下，鉆取硬度較大的花崗巖后，9號鉆頭的金剛石磨粒就脫落了幾個，而1號鉆頭的金剛石顆粒還未出現脫離現象。

3 實驗結果

經過實驗數據的比對與篩選，最終將實驗結果繪制成了如表1所示的取芯鉆頭地層適用性星級評定表。

4 結論

（1）對12種旋轉井壁取芯空心金剛石鉆頭的結構和各項性能參數進行理論分析，同時密切結合模擬取芯的實驗數據，對每種鉆頭適用哪些地層巖石給出了相對具體的結論。（2）由于實際取芯地層條件復雜多樣，建議在現場工作中應多準備幾款應對不同地層的鉆頭，盡量針對不同的地層使用其對應的鉆頭以達到最優取芯效果。（3）建議鉆取50～80顆巖芯后便更換一次鉆頭（根據實際情況），這些鉆頭應該在每口井作業之后立即檢查是否壞齒、金剛石掉落或變鈍、鉆頭胎體是否損壞等，任何上面所說的情況都可能使鉆取巖芯速度減慢或不能取芯。（4）取芯鉆頭在保存時，應存放在專用的存儲箱內，盡量避免由于鉆頭之間相互摩擦碰撞造成的切削刃損壞。

參考文獻

[1] 郝桂清，龐希順，歐陽劍.增強型旋轉井壁取芯器技術及應用[J].石油儀器，2011.

[2] 中海油田服務股份有限公司.鉆進式井壁取芯測井儀ERSCTM-1用戶手冊[Z].2009.endprint