仿生異型齒鉆頭在干熱巖鉆探中的應用

高 科，高紅通，譚現鋒，趙長亮，李 夢

1.吉林大學建設工程學院，長春 130026 2.山東省魯南地質工程勘察院，山東 濟寧 272100 3.中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071028

0 引言

隨著傳統化石能源問題及環境污染問題的加劇，開發利用新型能源的任務日益緊迫。干熱巖作為一種新型能源，因其清潔性、可再生性和廣泛分布性越來越受到人們的重視，開發利用干熱巖己成當今社會的一項重要研究課題。就現階段而言，由于技術和手段等限制，干熱巖資源專指埋深較淺(3～10 km)、溫度較高(>150 ℃)、有開發經濟價值的熱巖體。巖體類型主要為變質巖或結晶巖，巖石組成為黑云母片麻巖、花崗巖及花崗閃長巖等。目前最具有開發潛力的干熱巖區域是新火山活動區，或地殼已經變薄的地區，這些地區主要位于全球板塊或構造地體的邊緣[1-5]。

青海共和盆地地處“秦昆岔口”的新生代斷陷盆地，盆緣構造發育，巖漿活動強烈，形成的干熱巖資源具有埋藏淺、溫度高、分布范圍廣、資源儲量巨大的特點，因此具有很好的開發前景。但干熱巖地層情況特殊，巖石硬度大，主要為粗?！辛Ｇ嗷疑闋钏瓢郀疃L花崗巖，所處環境溫度高，鉆井難度較大[6-7]。

在對干熱巖資源進行勘探開發的過程中離不開堅硬地層的鉆進技術，因此針對地層設計特定的鉆頭具有重要意義。在對仿生鉆頭的研究基礎上[8-9]，本文根據青海共和盆地干熱巖地層的巖性特點，選取穿山甲爪趾作為仿生原型，設計并制備出高胎體可再生仿生異型齒鉆頭，并在該地區進行鉆進試驗。

1 青海共和縣巖石特性

1.1 地層巖性描述

① kgf(千克力)為非法定計量單位，1 kgf=9.80 N，下同。

青海共和縣干熱巖某地區的地層如下：第四紀主要為砂卵礫石、亞黏土、中粗砂、亞砂土等；新近紀為泥巖、砂質泥巖、粉細砂巖、中砂巖及含礫中粗砂巖等；基底侵入巖為花崗巖。高胎體仿生異型齒孕鑲金剛石鉆頭的試驗孔段地層以粗?！辛Ｇ嗷疑闋钏瓢郀疃L花崗巖為主，如圖1所示。

圖1 鉆遇巖層巖心Fig.1 Drilled core

1.2 巖石性能測試

為了更好地根據地層巖石特性設計鉆頭結構及配方[10],對預鉆進地層的巖石進行了可鉆性測試和計算。

1.2.1 巖石硬度測試

使用壓入硬度法和擺球硬度法分別測出上述巖石的硬度。

采用壓頭為硬質合金的壓入硬度計，取5個點測試巖樣，油壓表讀數分別為：56、51、58、58、57 kgf①/cm2，平均為56 kgf/cm2。壓入硬度計算公式為

Hy=F/S。

(1)

式中：Hy為巖石壓入硬度，MPa；F為巖樣被壓入破碎時的軸向載荷，N；S為壓頭底面積，mm2。通過計算可知壓入硬度為5 040 MPa；巖石硬度等級為X。

采用擺球硬度法測得巖樣最大回彈角度為76°。巖樣5次回彈次數分別為49、53、50、52、49，平均回彈次數為51，即巖石的擺球硬度Hn為51 MPa。巖石硬度等級為Ⅴ。

單一巖石力學性質指標難以反映巖石的可鉆性質，因此采用如下可回歸方程確定巖石可鉆性值K：

K=3.198+8.854×10-4Hy+2.278×10-2Hn。

(2)

經計算可得，花崗巖的可鉆性值為 8.8。

1.2.2 巖石研磨性測試

使用鉆磨法對上述花崗巖研磨性進行測試，結果為：鋼桿初始質量和磨損后質量分別為25.866 3和25.860 1 g；研磨性指標為0.94 mg/min；研磨性特征等級為2級；巖石研磨性弱。

2 仿生異型齒鉆頭設計

2.1 鉆頭結構

與鉆頭工作環境最相近的莫過于掘土動物的前爪，其前爪每個爪趾長度不一，整體為弧形或階梯形[11-12]。以穿山甲爪趾為仿生原型(圖2)，根據孕鑲金剛石鉆頭設計原則及碎巖特征[13]，針對干熱巖巖石特性，設計了仿生內外階梯異型齒結構(圖3)。雙側臺階組成了鉆頭切削單齒；為了增加巖石破碎自由面將鉆頭設計成多階梯結構，不但可以增大鉆頭唇面單位比壓和減小破碎巖石的比功，而且符合異型唇面、高胎體結構及自再生結構鉆頭碎巖能力的要求。

圖2 穿山甲爪趾結構模型Fig.2 Pangolin claw structure model

圖3 仿生異型齒結構示意圖Fig.3 Bionic abnormal shape tooth structure

結合實際鉆進硬巖地層中孕鑲金剛石鉆頭的使用性能需求，設計了仿生異型鉆頭的單齒結構。根據干熱巖鉆探中鉆孔的孔身結構和取心要求，設計了全尺寸的仿生異型齒孕鑲金剛石鉆頭(圖4)。具體鉆頭參數：鉆頭外徑Φo為152.4 mm，內徑Φi為96.0 mm，水口數量12個，鉆頭唇面為內外4個階梯結構，底唇面過水面積比47%，鉆頭工作層高度13.5 mm，內外徑聚晶保徑，內外保徑高度分別為35.0和40.0 mm。

圖4 Φo152.4 mm仿生異型齒孕鑲金剛石鉆頭結構示意圖Fig.4 Sketch map of impregnated diamond bit with Φo152.4 mm bionic abnormal shape bit

2.2 鉆頭配方

結合仿生異型齒結構特點和干熱巖巖性特點，為改善切削工具胎體性能，優選胎體配方材料[14]?，F以胎體基礎配方為基礎(質量分數為：純鐵粉24.0%～31.0%、純鎳粉8.0%～15.0%、銅合金46.5%～66.4%、B元素0.2%～1.5%)，配制了針對性較強的胎體材料配方，其質量分數為：純鐵粉26.0%、純鎳粉9.0%、銅合金64.0%、B元素0.5%、P元素0.5%。其中P元素的加入利于減弱Fe對金剛石的侵蝕，形成的硼化物在胎體中均勻分布起到硬化作用，增強胎體材料與金剛石顆粒的把持力。

2.3 鉆頭制備

采用無壓浸漬工藝制備仿生異型齒孕鑲金剛石鉆頭，其齒型結構復雜，工作層高度較高。無壓浸漬燒結原理為浸漬金屬在高溫下熔化后，由于毛細管力的作用，浸漬胎體材料間的間隙，并黏結胎體成分，冷卻后使金剛石制品達到設定的尺寸和性能[15]。仿生異型齒孕鑲金剛石鉆頭的制備工藝過程包括：模具的設計；混料和裝料；無壓浸漬燒結成型；機加工；水口處理和噴砂等工作。

采用陶土來制備152.4 mm/96.0 mm(Φo/Φi)仿生異型齒孕鑲金剛石鉆頭的模具，該鉆頭的模具制作分為3步：1)采用3D打印機打印鉆頭塑膠陰模(圖5)；2)使用3D打印好的塑膠陰模澆注塑膠材料，以制作橡膠陽模；3)使用橡膠陽模在石墨底模中澆注可用于高溫燒結的陶土模具。

左圖為模型，右圖為實物。圖5 3D打印塑膠陰模 Fig.5 3D print plastic mold

通過3D打印技術打印的模具較常規的石墨模具成本能下降1/2以上。陶土澆注鉆頭陰模時，橡膠倒入塑膠陰模要抽真空以便除去氣泡，壓上蓋板后靜置24 h，等固化成型后脫模即為橡膠陽模。陶土與10%(質量分數)石墨粉(80目以下)混合，加水20%充分攪拌后倒入按設計圖紙加工完成的石墨底模，把橡膠模具放入，上壓重物30 min后即可拆除橡膠模具。陶土模具在常溫下靜置24 h之后在150 ℃下烘干12 h。內外保徑用聚晶金剛石，裝料到預定位置后，將模具放到振動臺上進行振實。使用中頻燒結裝置進行無壓浸漬工藝燒結。燒結過程：先用低功率10 kW烘干30 min；再使用40 kW進行加熱，升溫速率為100～120 ℃ /min；當溫度到達930 ℃時保溫10 min，然后繼續升溫至970 ℃，保溫30 min，停止加熱，空冷至常溫。鉆頭冷卻后，進行機加工、水口處理和噴砂等工作，加工好的仿生異型齒鉆頭如圖6所示。

圖6 機加工后的仿生異型齒鉆頭Fig.6 Machine-processed bionic abnormal shape bit

3 仿生異型齒鉆頭在干熱巖中鉆探的應用

3.1 鉆具組合及鉆進主要參數

鉆具組合：鉆桿長12.5 m，鉆具長度173.09 m，機高3.0 m。

鉆進主要參數：鉆壓為80 kN，轉速150 r/min，泥漿泵量360 L/min，所用鉆機ZJ-30。

3.2 試驗應用

表1記錄了該地層孕鑲金剛石鉆頭的詳細使用情況。根據表1可知：仿生異型齒孕鑲金剛石鉆頭3#總進尺為2.1 m，純鉆時間為2.67 h；平均機械鉆速0.79 m/h；普通孕鑲金剛石鉆頭1#總進尺2.5 m，純鉆時間為1.00 h，平均機械鉆速0.40 m/h；普通孕鑲金剛石鉆頭2#無進尺，不適合在此類地層中鉆進。

根據表1鉆進數據可知，相比于普通孕鑲金剛石鉆頭1#而言，仿生異型齒鉆頭3#的鉆進速度提高97.5%，壽命(仿生鉆頭壽命為推算壽命)提高1.268倍。

圖7是孕鑲金剛石鉆頭磨損情況。圖7a顯示該地層用的普通孕鑲金剛石鉆頭工作面基本被磨平；圖7b顯示該地層用仿生異型齒鉆頭，依然保持其仿生臺階結構，鉆頭最高出刃處磨損5 mm，屬于正常磨損，仍可繼續下井使用。

3.3 試驗結果分析

仿生異型齒鉆頭鉆進巖石時，異型齒結構使鉆頭唇面與巖石的接觸方式和受力狀態改變。最大底出刃切削齒先壓入巖石，其與巖石的作用面積小，使鉆頭唇面金剛石單位比壓增大，金剛石更容易刻入巖石。仿生異型齒完全鉆入巖石后，巖石表面會形成更多的破碎自由面，大大減少了巖石破碎比功，減少了巖石對鉆頭的磨損。而且在鉆頭的工作壽命內自再生特征能夠使異型齒結構一直存在。鉆進過程中，胎體中的軟材料會提前磨損，實現了鉆頭的自銳。選用石墨作為自再生結構材料，是因為石墨作為固體潤滑劑，其磨屑提高了鉆頭的耐磨性能。實際鉆進中，內外徑線速度不同，內側承重載荷往往大于外側，使鉆頭內側邊緣磨損會大于外側邊緣的磨損，仿生異型齒鉆頭的結構內徑強于外徑，利于內徑匹配外徑磨損，避免了鉆頭偏磨。異型齒之間的間隙可以作為鉆井液流動通道，鉆井液可充分冷卻切削結構并利于排除巖屑，使鉆頭工作環境改善，減少鉆頭所受的阻力，節省了動力，并提高了效率。

表1 孕鑲金剛石取心鉆頭統計表

a.現場用普通孕鑲金剛石鉆頭；b.仿生異型齒鉆頭。圖7 試驗后的孕鑲金剛石鉆頭Fig.7 Impregnated diamond bit after test

4 結論與建議

1)根據干熱巖樣品的巖性特點研制的仿生異型齒鉆頭及其胎體配方更適合干熱巖地層鉆進，具有更高的性價比。

2)通過在青海共和縣干熱巖鉆探中的應用，相比于普通孕鑲金剛石鉆頭而言，仿生異型齒孕鑲金剛石鉆頭很好地克服了“打滑”問題，鉆進速度和鉆頭壽命得到了大幅度提高。

3)經對磨損后的仿生鉆頭切削齒觀察，發現其外徑的磨損仍較為嚴重，建議進一步開展仿生異型齒外徑強化研究。