坚硬地层NBS高效孕镶金刚石钻头的研究与应用

沈立娜， 路 杙， 尹建民， 阮海龙， 吴海霞， 李 春

(1.北京探矿工程研究所，北京 100083； 2.中国人民解放军96657部队，北京 100011； 3.四川省地质矿产勘查开发局二〇七地质队，四川 乐山 614000)

坚硬地层NBS高效孕镶金刚石钻头的研究与应用

沈立娜1， 路 杙2， 尹建民3， 阮海龙1， 吴海霞1， 李 春1

(1.北京探矿工程研究所，北京 100083； 2.中国人民解放军96657部队，北京 100011； 3.四川省地质矿产勘查开发局二〇七地质队，四川 乐山 614000)

介绍了一种NBS高效孕镶金刚石钻头，该类型钻头通过向胎体配方引入一种NBS材料，该材料与胎体结合强度强，晶型锐利，室内微钻试验及野外试验结果显示，该类型钻头可大幅提高钻进中弱风化坚硬岩石的钻进效率，且钻头寿命较以往技术有很大提高。

NBS；金刚石钻头；高效孕镶钻头；机械钻速；坚硬地层

0 引言

随着地质勘探向非常规能源、地热资源勘采方向发展，钻探施工中孕镶金刚石钻头正发挥着越来越大的作用。虽然目前我国钻井技术已经较为成熟，然而由于近两年钻探任务的缩减、对钻孔质量的严格要求以及所钻遇的地层复杂性越来越大，导致对金刚石钻头提出来更高的要求。以钻遇地热井等非常规能源勘探井为例，由于地层温度高，岩石二次重结晶构造较多，常常钻遇隐晶质结构的坚硬岩石，这类岩石颗粒细小，硬度大，胶结强度高，研磨性弱，在钻探领域称之为坚硬致密“打滑”地层[1-3,7-8]。

坚硬致密“打滑”岩层一直是钻探中遇到的一大技术难题，金刚石钻头在该类地层钻进时，胎体磨耗量低，金刚石不易出刃。然而，近两年国内技术人员、相关学者投入了大量的时间、人力和物力，中南大学的张绍和教授研究了弱包镶金刚石钻头[1]，其是指在金刚石颗粒表面涂覆一层具有一定化学稳定性的薄膜层，从而减弱胎体对金刚石的包镶，达到金刚石在磨光后提前脱落的作用；采用主辅磨料金刚石钻头，可使得高品级和低强度金刚石或磨料相互补强，达到提高钻进时效的目的[2]，这种方法具有一定效果，但由于辅磨料是弱强度颗粒实体添加，在实际钻进过程中并不能全部脱落形成微坑，大多挤压破碎后仍留在胎体凹坑内部，影响钻头的出刃效果。庞丰等[3]研究了造孔剂对钻头的性能影响，研究表明胎体中加入造孔剂可增强胎体底唇面的粗糙度，促进钻头出刃。北京探矿工程研究所技术人员研制出一种自锐金刚石钻头[4]，通过在胎体内添加一种自锐材料，钻进时可预先形成微坑，提高钻头底唇面的粗糙程度；此外，技术人员还研制了自出刃多孔胎体钻头[5]，与庞丰等研究学者思路类似，然而添加方式有所不同，通过在胎体内预制合理的孔隙结构来改善钻头表面的抛光状态，并研究了孔隙大小和形状对胎体性能的影响，这种方式的确可以提高机械钻速，但孔隙的存在占据了胎体的工作层体积，从而导致钻头寿命受到一定程度的影响。

由此可见，国内研究人员通过各种创新型研究，取得了比较显著的效果，然而钻头寿命一直不甚理想。

本文提出一种NBS孕镶金刚石钻头，通过将一定比例的NBS材料加入到胎体内部，这种材料热稳定性很强，与胎体包镶强度高，且具有同金刚石类似的切削能力，通过在其内部预制微裂纹产生定向开裂，实现钝角重新尖锐，提高了金刚石的自锐性能，有效改善金刚石钻头在钻进致密“打滑”地层时钻头表面的抛光磨损状态，从而可大幅提高钻探效率。

1 新型NBS高效孕镶金刚石钻头的设计

1.1 胎体材料

采用稀土添加超细晶预合金铁基胎体粉末，该胎体粉末可在750 ℃进行低温热压烧结致密，从而降低对金刚石的热损伤，保证金刚石切削性能。胎体表面硬度较低，但对金刚石包镶强度高，金刚石不易脱落，有利于其快速切削且保证较长工作寿命[6]。

1.2 金刚石参数设计

岩石越坚硬致密，金刚石品级应越高，考虑到作业成本，因此选用高品级晶型完整的人造金刚石；由于致密岩层的颗粒尺寸多为小于0.1 mm的造岩矿物，考虑到钻进效率和切削能力，金刚石粒度选用35/40中粗目数与50/60进行混合，既能保证钻头的有效进尺，又能使钻头具有一定的寿命。

1.3 NBS材料特性

选用的NBS材料具备如下性能：(1)与钻头胎体结合强度高，不影响胎体的包镶及胎体整体强度；(2)具备类似金刚石的切削磨损能力，抗压强度较高，但晶型更加锐利，且破碎时多为剪切滑移破碎，因此钻头整体攻击性更强；(3)如有必要，可通过特殊工艺对NBS或金刚石进行预处理，保证其内部具有一定方向的微裂纹，从而实现磨平后的定向碎裂，保证自锐性。

2 试验结果分析

2.1 微钻试验结果与讨论

室内试验的微钻试验设备由钻进系统、恒压恒速加载系统、数字化自动化控制测量记录系统组成。转速可实现0～2000 r/min，无级调速，试验采用Ø30/18 mm微型取心钻头，岩石为可钻性12级的燧石岩(矿物成分为：石英+玉髓共99.99%，微量铁质)。

岩石的颗粒细小，硬度在长石及以上级别，因此在钻进过程中，岩粉较细，胎体出刃困难。

为了与常规配方钻头进行对比，微钻台架试验的设计配方如表1所示。

表1 微钻试验配方设计

R1配方为普通硬岩配方，R1-SYS为第一代自锐配方，R1-EQ为多孔胎体配方，R1-NBS为新型NBS高效孕镶钻头。

设计每种配方钻进岩石的工作量为500 mm，2种岩石分别得到表2试验数据。

表2 燧石岩微钻测试试验结果

从表2可以看出，在钻进致密“打滑”燧石岩时，无论是SYS自锐钻头、EQ多孔胎体钻头，还是NBS钻头，均可以提高机械钻速，普通金刚石钻头即使转速在800 r/min，机械钻速也难以超过0.5 m/h，加入自锐改性的胎体，机械钻速在适宜的转速下均能超过1 m/h，但NBS孕镶钻头仅在转速300 r/min时即可与SYS自锐钻头和多孔胎体钻头匹敌。在2 kN钻压条件下，提取不同配方500 r/min及800 r/min的平均机械钻速(见图1)。

由图1可以看出，无论哪种配方，800 r/min条件下的机械钻速均高于500 r/min条件下的数值，这与钻头的最优切削线速度有关；NBS孕镶配方钻头钻速明显优于常规配方及以往配方钻头，其机械钻速在同等工作条件下，是常规钻头的4～8倍，较SYS自锐钻头和EQ多孔胎体钻头也超出20%～30%。

图1 不同胎体配方微钻试验平均机械钻速统计图

为了探寻钻头的使用寿命，在钻进试验中，测量了胎体的磨损高度，由于钻头的工作面积相同，进尺相同，从而胎体的磨损高度便反映了钻头的使用寿命。具体见图2。

图2 不同胎体配方微钻试验钻进胎体磨损量统计图

由图2可以看出，在进尺500 mm的微钻试验工作量下，常规配方钻头和NBS配方钻头在钻进中胎体磨损最小，然而常规配方人为出刃还有0.8 mm的磨损高度，由此说明，传统的硝酸腐蚀或者人为打磨出刃一方面会加快钻头磨损，影响使用寿命，另一方面并不能很好地起到提高机械钻速的最终目的。因此，4种配方相比较，NBS配方孕镶钻头总体磨损高度最小，反映出其寿命相对较高。

2.2 现场试验结果与讨论

新型NBS高效孕镶金刚石钻头通过低温二次焊接制成NQ+2绳索取心金刚石钻头，即规格Ø77/47.5 mm，于福建某180 m水平孔进行钻进，施工方为中国人民解放军96657部队，岩石为中弱风化花岗岩、辉绿岩等(如图3所示)，岩石大多为弱研磨性，少数中等风化岩石研磨性较弱研磨性地层略高，钻头使用情况如表3所示。

图3 福建某水平钻孔岩心

钻头及产地平均时效/m进尺/m备注其他厂家钻头02～0310～20钻速低，难以进尺探矿工程所SYS自锐钻头312钻进3h胎体迅速磨平，钻遇中等风化花岗岩，研磨性略强探矿工程所NBS孕镶钻头3～4100出孔新度60%

由表3数据可以看出，NBS孕镶钻头无论在机械钻速还是在钻头寿命上，都具有极大的优势，进尺100 m，新度还有60%(见图4)。SYS自锐钻头也具有一定效果，但由于此种钻头主要针对弱风化坚硬致密“打滑”地层，而对具有中等风化的花岗岩适应性不好，因此在该类地层寿命较短。

图4 NBS高效孕镶钻头进尺100 m后磨损照片

3 结论

通过室内及现场试验，新型NBS高效孕镶金刚石钻头可在正常钻压下，大幅提高钻进坚硬致密“打滑”岩层的机械钻速，且具有较高的工作寿命。该类型钻头除适应坚硬致密“打滑”地层，对中等风化坚硬地层也具有较好的适应性。因此，对坚硬地层具有一定的光谱性，为今后我国地质矿产勘查、工程勘查以及非常规能源勘探提供了新的技术支撑。

[1] 郭庆清,王家亮,张绍和.胎体弱化颗粒材质对WC基孕镶金刚石钻头胎体磨损性能的影响[J].中国有色金属学报,2015,25(9):2531-2535.

[2] 张绍和,杨凯华.主辅磨料双切削作用金刚石钻头研究[J].地质与勘探，2001,37(5)：87-89.

[3] 庞丰,段隆臣,童牧,等.钻进打滑地层时造孔剂对孕镶金刚石钻头性能的影响[J].粉末冶金材料科学与工程,2014,19(5)：790-796.

[4] 沈立娜,阮海龙,李春，等.坚硬致密“打滑”地层新型自锐金刚石钻头的研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2014,41(11):57-59.

[5] 沈立娜,郭长江,等.新型自出刃多孔胎体孕镶金刚石钻头的研究[C]// 第十八届全国探矿工程(岩土钻掘工程)技术学术交流年会论文集.北京：地质出版社, 2015.

[6] 沈立娜,吴海霞，吴海霞,等.稀土La添加量对预合金铁基胎体性能的影响[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2012, 39(4): 69-71.

[7] 王多军,沈立娜,等.坚硬致密石英岩地层用新型胎块钻头的研究与应用[J].西部探矿工程，2014,(4):39-40.

[8] 张丽,杨凯华.金刚石钻头钻进坚硬致密弱研磨性地层的研究现状与进展[J].金刚石与模具磨料工程, 2003,(6):9-12.

Study and Application of High Efficiency NBS Impregnated Bit for Hard Formation/

SHENLi-na1,LUYi2,YINJian-min3,RUANHai-long1,WUHai-xia1,LIChun1

A high efficiency NBS impregnated bit was introduced in this paper. NBS material was added in the bit matrix, which has a sharp crystal and good bond strength with the matrix. The micro-drilling experiments and the field drilling tests show that this NBS diamond bit can greatly improve ROP in medium-weakly weathered hard rocks drilling and the bit service life is also prolonged compared with ordinary diamond bits.

NBS; diamond bit; high efficiency impregnated bit; rate of penetration (ROP); hard formation

2016-07-19

中国地质调查局地质调查项目“重点成矿带碎岩与取心技术研究与应用示范”(编号：12120113097300)

沈立娜，女，汉族，1985年生，工程师，材料科学专业，硕士，从事金刚石钻头的优化设计工作，北京市房山区良乡工业开发区二期创新路1号，shenln@bjiee.com.cn。

P634.4+1

A

1672-7428(2017)01-0084-03

(1.Beijing Institute of Exploration Engineering, Beijing 100083, China; 2.96657 Unit of PLA, Beijing 100011, China; 3.207 Geological Team of Sichuan Bureau of Geology & Mineral Resources, Leshan Sichuan 614000, China)