随着油气资源的日益紧缺, 钻探开始向更深部、更复杂地层发展, 需要性能优良的钻探工具, 特别是直接影响钻探成本和效率的钻头。钻头的机械钻速和工作寿命是衡量其性能优劣的两个关键参数, 提高机械钻速可缩短纯钻进时间, 增加钻头寿命可减少提下钻次数, 缩短钻探辅助时间, 最终实现降低钻探成本的目的。为了改善金刚石钻头性能, 国内外学者主要从钻头的结构设计、胎体材料选择、烧结工艺参数优化、金刚石表面镀覆等^{[1, 2, 3, 4, 5]}方面进行研究。常规的孕镶金刚石钻头^[6]底唇面多为易生产加工的平底面, 也有针对坚硬地层设计的尖齿型和阶梯型。其中, 尖齿型和阶梯型结构在钻进岩石时能形成较多的自由面, 具有抗打滑和防斜的作用, 有利于提高钻进效率, 但随着异型齿型的逐渐磨损, 底唇面又逐渐形成平面或弧面, 钻进效率下降很快, 工作寿命大大降低。钻头的钻进速度和工作寿命往往难以实现同步提高, 因此有必要设计一种新型钻头解决上述问题。近年来, 工程仿生创新理念成为研究热点, 其中耐磨、防粘、减阻等特性的仿生非光滑理论^{[7, 8, 9]}的应用尤其突出。高科、孙友宏等^{[10, 11, 12, 13]}将仿生非光滑理论引入到钻头设计, 以蜣螂、蝼蛄等土壤动物为仿生原型, 设计的凸包仿生钻头和凹坑仿生钻头试验效果良好, 其主要设计原理在于减少接触岩石面积, 实现凹坑自再生和改善钻头冷却效果。Sun等^[14]通过增加钻头工作层高度来提高钻头寿命。

本文遵循仿生学结构相似原理, 以土壤动物的爪趾为仿生原型, 结合常规钻头异型唇面提高钻进效率和高胎体提高工作寿命的结构设计思想, 设计了高胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头。无压浸渍粉末冶金工艺是通过浸渍金属在一定的温度下熔化, 在毛细管力的作用下浸渍骨架成分, 此方法利于制备形状复杂的制品, 因此本文采用无压浸渍烧结法制备了高胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头, 并将其用于野外试验。

根据试验钻孔的孔身结构和取心要求, 参考上述柱齿的高径比的设计参数, 设计全尺寸的高胎体仿生异型齿钻头, 如图5所示, 钻头尺寸为外径75 mm, 内径49 mm。为保证钻头柱齿的强度和可靠性, 每个单齿单元包含有两个内侧高齿和两个外侧低齿的集束柱齿形式。为确保钻进磨损过程中仿生异型结构始终存在并持续高速碎岩, 单齿单元的内外柱齿均为等截面柱状设计。同时, 柱齿之间通过“ 桥梁” 连接, 桥梁与柱齿之间形成凹坑区, 用以强化柱齿强度并改善钻头的冷却条件。柱齿阶梯形设计及柱齿之间形成的凹坑增多了碎岩过程的自由面。

图5

Fig.5

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	图5 高胎体仿生异型齿金刚石钻头Fig.5 High-matrix bionic abnormal shape diamond bit

为保证柱齿强度, 仿生异型钻头单齿参数以钻进强度较高的新鲜花岩为设计依据:每个单齿单元主柱齿直径为10 mm, 高度15 mm, 辅柱齿直径为8 mm, 高度为13 mm, 水口8个。将胎体配方与30/35目20%体积浓度的金刚石混料均匀后装入石墨模具。

烧结工艺与参数:采用成型性好的无压浸渍烧结法中频感应炉制备钻头, 以120 ℃/min的升温速度, 达到1020 ℃后保温10 min, 保温砂中缓慢冷却24 h, 退出石墨模具后机械加工成型。

钻头试验地点:黑龙江省漠河东北部的龙河林场冻土区。

地层岩性:以泥岩和砂岩为主。

钻进主要参数:钻压为10 kN, 泥浆泵量为60~90 L/min, 转速为300~400 r/min。

表1为高胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头与临井相似地层普通孕镶金刚石钻头的钻进数据对比。钻进试验结果表明, 相比于普通的孕镶金刚石钻头, 高胎体仿生异型齿金刚石钻头在机械钻速提高了20%的前提下, 寿命提高了120%, 实现了钻头的机械钻速和工作寿命的同步提高。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 钻进数据表 Table 1 Result of field test 钻头名称 孔深/m 进尺/m 时间/h 钻速/(m· h-1) 普通钻头1 811.85~861.95 50.10 21.66 2.31 普通钻头2 861.95~901.05 39.10 28 1.40 仿生钻头 901.05~1000.45 99.40 44.33 2.24

表1 钻进数据表 Table 1 Result of field test

图6是仿生异型孕镶金刚石钻头和普通孕镶金刚石钻头2钻进前、后对比图, 仿生异型齿钻头胎体磨损情况正常, 内外工作层剩余量较高, 内侧剩余10.2 cm, 外侧剩余8 cm, 该钻头仍可继续使用。相比之下, 普通钻头的内侧磨损非常严重, 胎体磨损剩余量仅为1 cm, 不可继续下井使用。

图6

Fig.6

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	图6 孕镶金刚石钻头使用前后对比Fig.6 New and used diamond bit

高胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头的进尺速度和工作寿命高于普通钻头主要有以下4个原因:

(1)钻进岩石时, 主切削齿首先接触岩石, 接触面积小, 单位载荷大, 破碎岩石体积大, 并破坏地层力平衡, 辅切削齿随后二次碎岩, 岩石碎裂自由面增多, 减弱了对钻头的研磨。

(2)柱齿之间的“ 桥梁” 与柱齿形成凹坑区, 既形成拉应力区实现岩石的受拉体积破碎, 降低了岩石的破碎功, 减少了岩石对钻头的磨损, 又形成泥浆流动通道利于冷却钻头和及时清理岩屑, 改善钻头工作环境。

(3)钻头内侧边缘磨损往往大于外侧边缘磨损是由于内侧承重载荷大于外侧, 为了避免钻头偏磨, 仿生异型齿钻头设计成内径高于外径的结构, 这有利于内径匹配外径磨损。

(4)高胎体仿生异型齿钻头的工作层高度较高利于提高钻头的工作寿命。

根据仿生学的结构相似原理, 以穿山甲前爪趾作为仿生原型设计了高胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头。野外试验结果表明, 相比于普通钻头, 其钻进速度和工作寿命同步提高, 为地质钻探效率的提高提供了新型工具。本文设计的等截面柱齿可实现仿生结构“ 自再生” 的作用, 此外, 仿生异型唇面和高胎体的结构设计是解决钻进速率和使用寿命相互制约的有效途径之一, 为以后设计高效长寿钻头提供一个新的思路和方法。但是, 针对不同地层切削齿的数量、形状、大小和排布还需要进一步深入研究。