孕鑲金剛石鉆頭鉆進花崗巖巖屑特性室內試驗研究

康鑫　段隆臣　劉衛衛　譚松成　和大釗

關鍵詞 孕鑲金剛石鉆頭；花崗巖；巖屑特性；鉆進參數；室內試驗

中圖分類號 P634 文獻標志碼 A

文章編號 1006-852X（2023）01-0023-06

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.3001

收稿日期 2022-06-15 修回日期 2022-08-29

環空攜巖問題是地質鉆井工程的一個重要問題[1-2]。孕鑲金剛石鉆頭鉆進研磨性較強的地層時，鉆孔巖屑如不能及時上返，將導致孔底巖屑沉積，在孔底反復磨損鉆頭，鉆頭壽命急劇下降，嚴重制約鉆井效率[3-7]。目前國內外學者多從鉆井泵量、鉆井液流變性及密度、環空偏心度、鉆進參數等方面分析研究高效攜巖問題，而巖屑特性亦是影響環空巖屑上返的關鍵因素之一[8-14]。現場鉆頭碎巖過程中井內工況復雜，難以有效分析觀察巖屑被剝離下來的原始狀態，因此，擬在室內微鉆試驗平臺上仿真模擬理想條件下的現場鉆井工況，分析研究孕鑲金剛石鉆頭破碎花崗巖的巖屑特性及其去除機理。

1 試驗方案

試驗鉆頭選用熱壓孕鑲金剛石鉆頭，底唇面金剛石濃度為50%，金剛石粒徑范圍為500～600 μm（粒度代號為30/35）。微型鉆頭結構參數設計及試驗成品鉆頭如圖1 所示。

微鉆試驗選用的巖樣可鉆性級別為Ⅶ～Ⅷ級，研磨性等級為Ⅴ/中等，屬于硬至堅硬巖層。試驗巖樣為高度為16 cm，直徑為10 cm 的圓柱，試驗巖樣樣品如圖2 所示。

室內微鉆試驗在如圖3 所示試驗微鉆試驗平臺上進行，試驗前設定相應的轉速以及鉆壓，收集30 cm 鉆進量的巖屑，每次試驗后沖洗管道及過濾網，以確保試驗精度。

2 結果與分析

2.1 巖屑粒徑特性

微鉆試驗時轉速變量設定為600 r/min、1 000 r/min，鉆壓變量設定為6 MPa、9 MPa，收集3 組試驗巖屑樣品，經過烘干、篩分歸類并統計每組巖屑樣品質量分數。

分析室內微鉆實驗所得到的巖屑粒徑分布數據，如圖4 所示。從圖4 可看出：孕鑲金剛石鉆頭碎巖產生的巖屑顆粒整體偏細， 粒徑尺寸分布范圍為40～250 μm；碎巖產生的巖屑顆粒不是單一粒徑值，而是在一定范圍內呈單峰值分布，其粒徑分布特征接近對數正態分布[8-9]。

從圖4 中還可看出：在同一試驗樣品、不同鉆進參數條件下，巖屑粒徑分布大體趨勢接近，但其分布范圍以及峰值粒徑存在一定差異。其趨勢為：隨著鉆壓增大，巖屑峰值粒徑趨向變大；隨著轉速增大，巖屑峰值粒徑趨向變小。

2.2 巖屑形貌特性

篩分整理各組微鉆試驗巖屑，在顯微鏡下觀察巖屑形貌特征。圖5 所示為某一組試驗巖屑直徑約150 μm或96 μm 的顯微圖片。從圖5 中可發現：室內微鉆試驗破碎花崗巖產生的巖屑形貌棱角分明，且形態差異較大，巖屑有塊狀、薄片狀、不規則板狀及短柱狀；同時部分巖屑顆粒表面十分光滑，可觀察到明顯的微切削痕跡。

進一步通過激光粒度共聚焦顯微鏡觀察巖屑形貌，如圖6 所示。從圖6 中可發現：孕鑲金剛石鉆頭鉆進花崗巖所產生的巖屑顆粒多呈單一礦物成分，較少部分巖屑中呈現多種礦物相互混雜的情況；其中長石類礦物巖屑塊狀、粗短柱狀、板狀 都存在，且部分板狀長石表面相對平整，可較明顯地看到金剛石微切削痕跡；石英礦物巖屑尺寸變化較大，顆粒形狀多呈塊狀，巖屑顆粒表面相對粗糙；花崗巖中其他礦物顆粒巖屑以板狀、片狀巖屑居多。

2.3 花崗巖巖屑礦物去除機理顯微觀察

針對上述試驗結果，對花崗巖樣品進行巖石薄片分析，如圖7 所示。試驗巖樣為含黑云母的中～細粒二長花崗巖，鱗片花崗巖及塊狀構造，其成分主要為半自形～它形粒狀正長石，粒徑為0.5～1.5 mm，花崗巖中各礦物成分含量如表1 所示。

從圖7 中可看出：各礦物顆粒之間的界限清晰明顯，形狀基本無規律，各類礦物顆粒大小變化范圍很大，且多數礦物顆粒內部存在微小裂隙。分析破碎過程：單顆金剛石在軸向鉆壓的作用下切入巖石，同時在回轉切向力的作用下不斷切削破碎巖石，而巖石中各礦物顆粒界面之間內連結力最小，外載作用下應力在這些微裂隙和孔隙處集中，使裂隙擴展和匯合形成破碎的有利條件，因而巖石破碎最有可能發生在礦物顆粒邊界界面上以及礦物顆粒內部薄弱裂隙部位，因此破碎產生的巖屑多以單礦物形式存在。

分析試驗樣品礦物薄片（圖7）可看出大部分礦物粒度都大于200 μm，而微鉆過程中巖屑粒徑基本集中在40～ 250 μm 范圍內（ 圖6） ， 粒徑大于200 μm（約70～80 目）的巖屑含量低于5%，即碎巖產生的大部分巖屑顆粒都比巖石原始的礦物顆粒尺寸小。推測一方面是底唇面金剛石穿晶斷裂產生了大量尺寸較小的巖屑顆粒；另一方面是沿晶斷裂產生的大粒徑巖屑顆粒，沿其內部細小結構裂隙碎裂，或在孔底相互碰撞中被重復破碎成小粒徑巖屑。孔底單顆金剛石在軸向載荷和切向力的作用下破碎花崗巖過程中，沿晶和穿晶2 種破碎形式模型如圖8 所示，

2.4 孕鑲金剛石鉆頭碎巖機理顯微觀察

孕鑲金剛石鉆頭鉆進碎巖過程中，金剛石理想出刃高度為1/3 粒徑， 而在激光共聚焦顯微鏡下觀察600 r/min，9 MPa 時微鉆試驗中鉆頭實際出刃高度略低于1/3 出刃高度，且出刃高度不均勻，如圖9 所示。統計顯示，鉆頭表面金剛石的出刃高度在0.056～0.136 mm之間，其中0.085 mm 的出刃高度較為集中。

金剛石克取深度一般為出刃高度的2/5-3/5 之間，以0.085 mm 的出刃高度計算金剛石實際克取深度，并與實際巖屑粒徑范圍對比，見表2 所示：

從表2 中可發現大部分巖屑粒徑都大于克取深度。分析其原因認為花崗巖試驗樣品硬度較高，切削過程中以體積破碎為主，即在縱向軸壓以及切向力的作用下，巖石表面裂隙系充分發育并不斷向巖石深部延伸，在應力集中而又瞬間釋放的過程中巖屑從巖體中崩碎脫落下來，致使巖屑顆粒粒徑大；而粒徑較小的巖屑主要是以塑性微切削的方式脫落。

為進一步證實上述分析，顯微觀察切削結束后的巖石表面以及巖屑形貌，如圖10 與圖11 所示：

分析巖屑顯微形貌特征：如圖10c 所示，該類型巖屑形狀不規則，顆粒表面粗糙不平，可見崩碎痕跡；如圖10a 所示，該類型巖屑表面光滑平整，部分巖屑顆粒表面最大高低差低于20 μm，從中可較好地觀察到塑性微切削痕跡；部分巖屑顆粒中可看到脆性去除與塑性微切削共存的痕跡，如圖10b 所示，金剛石切削破碎巖石時，前半部分以塑性微切削的方式進行，某一時刻應力突然集中釋放的過程中，后半部分巖屑從巖石母體表面脆性崩落，形成該類型巖屑。

進一步顯微觀察切削后巖石表面形貌，如圖11 所示，巖石表面凹陷坑形態普遍，且部分凹陷坑深度較大，證實碎巖過程中體積破碎的存在；部分區域位置表面光滑平整，亦可觀察到明顯的塑性微切削痕跡，但是該類光滑平整面較少存在。綜合上述分析進一步證實孕鑲金剛石鉆頭鉆進花崗巖過程中體積破碎、塑性微切削破碎方式均存在，但體積破碎起主導作用[13-14]。

3 結論

在室內微鉆試驗基礎上分析研究孕鑲金剛石鉆頭鉆進花崗巖的巖屑特性，得出以下結論：

（1）孕鑲金剛石鉆頭鉆進花崗巖產生的巖屑粒徑整體偏細，且碎巖產生的巖屑顆粒不是單一粒徑值，而是在一定范圍內呈單峰值分布。

（2）巖屑粒徑與鉆進參數有關，一定程度上巖屑峰值粒徑隨著鉆壓的增大趨向變大；隨著轉速的增大趨向變小。

（3）在穿晶斷裂及沿晶斷裂共同作用下，孕鑲金剛石鉆頭鉆進花崗巖所產生的巖屑顆粒基本小于巖石原礦物顆粒尺寸，且巖屑顆粒多呈單一礦物成分，較少有多種礦物相互混雜的巖屑顆粒。

（4）孕鑲金剛石鉆頭破碎花崗巖時以體積破碎的方式為主、塑性微切削方式為輔。