孕镶金刚石钻头钻进花岗岩岩屑特性室内试验研究

康鑫　段隆臣　刘卫卫　谭松成　和大钊

关键词 孕镶金刚石钻头；花岗岩；岩屑特性；钻进参数；室内试验

中图分类号 P634 文献标志码 A

文章编号 1006-852X（2023）01-0023-06

DOI 码 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.3001

收稿日期 2022-06-15 修回日期 2022-08-29

环空携岩问题是地质钻井工程的一个重要问题[1-2]。孕镶金刚石钻头钻进研磨性较强的地层时，钻孔岩屑如不能及时上返，将导致孔底岩屑沉积，在孔底反复磨损钻头，钻头寿命急剧下降，严重制约钻井效率[3-7]。目前国内外学者多从钻井泵量、钻井液流变性及密度、环空偏心度、钻进参数等方面分析研究高效携岩问题，而岩屑特性亦是影响环空岩屑上返的关键因素之一[8-14]。现场钻头碎岩过程中井内工况复杂，难以有效分析观察岩屑被剥离下来的原始状态，因此，拟在室内微钻试验平台上仿真模拟理想条件下的现场钻井工况，分析研究孕镶金刚石钻头破碎花岗岩的岩屑特性及其去除机理。

1 试验方案

试验钻头选用热压孕镶金刚石钻头，底唇面金刚石浓度为50%，金刚石粒径范围为500～600 μm（粒度代号为30/35）。微型钻头结构参数设计及试验成品钻头如图1 所示。

微钻试验选用的岩样可钻性级别为Ⅶ～Ⅷ级，研磨性等级为Ⅴ/中等，属于硬至坚硬岩层。试验岩样为高度为16 cm，直径为10 cm 的圆柱，试验岩样样品如图2 所示。

室内微钻试验在如图3 所示试验微钻试验平台上进行，试验前设定相应的转速以及钻压，收集30 cm 钻进量的岩屑，每次试验后冲洗管道及过滤网，以确保试验精度。

2 結果与分析

2.1 岩屑粒径特性

微钻试验时转速变量设定为600 r/min、1 000 r/min，钻压变量设定为6 MPa、9 MPa，收集3 组试验岩屑样品，经过烘干、筛分归类并统计每组岩屑样品质量分数。

分析室内微钻实验所得到的岩屑粒径分布数据，如图4 所示。从图4 可看出：孕镶金刚石钻头碎岩产生的岩屑颗粒整体偏细， 粒径尺寸分布范围为40～250 μm；碎岩产生的岩屑颗粒不是单一粒径值，而是在一定范围内呈单峰值分布，其粒径分布特征接近对数正态分布[8-9]。

从图4 中还可看出：在同一试验样品、不同钻进参数条件下，岩屑粒径分布大体趋势接近，但其分布范围以及峰值粒径存在一定差异。其趋势为：随着钻压增大，岩屑峰值粒径趋向变大；随着转速增大，岩屑峰值粒径趋向变小。

2.2 岩屑形貌特性

筛分整理各组微钻试验岩屑，在显微镜下观察岩屑形貌特征。图5 所示为某一组试验岩屑直径约150 μm或96 μm 的显微图片。从图5 中可发现：室内微钻试验破碎花岗岩产生的岩屑形貌棱角分明，且形态差异较大，岩屑有块状、薄片状、不规则板状及短柱状；同时部分岩屑颗粒表面十分光滑，可观察到明显的微切削痕迹。

进一步通过激光粒度共聚焦显微镜观察岩屑形貌，如图6 所示。从图6 中可发现：孕镶金刚石钻头钻进花岗岩所产生的岩屑颗粒多呈单一矿物成分，较少部分岩屑中呈现多种矿物相互混杂的情况；其中长石类矿物岩屑块状、粗短柱状、板状 都存在，且部分板状长石表面相对平整，可较明显地看到金刚石微切削痕迹；石英矿物岩屑尺寸变化较大，颗粒形状多呈块状，岩屑颗粒表面相对粗糙；花岗岩中其他矿物颗粒岩屑以板状、片状岩屑居多。

2.3 花岗岩岩屑矿物去除机理显微观察

针对上述试验结果，对花岗岩样品进行岩石薄片分析，如图7 所示。试验岩样为含黑云母的中～细粒二长花岗岩，鳞片花岗岩及块状构造，其成分主要为半自形～它形粒状正长石，粒径为0.5～1.5 mm，花岗岩中各矿物成分含量如表1 所示。

从图7 中可看出：各矿物颗粒之间的界限清晰明显，形状基本无规律，各类矿物颗粒大小变化范围很大，且多数矿物颗粒内部存在微小裂隙。分析破碎过程：单颗金刚石在轴向钻压的作用下切入岩石，同时在回转切向力的作用下不断切削破碎岩石，而岩石中各矿物颗粒界面之间内连结力最小，外载作用下应力在这些微裂隙和孔隙处集中，使裂隙扩展和汇合形成破碎的有利条件，因而岩石破碎最有可能发生在矿物颗粒边界界面上以及矿物颗粒内部薄弱裂隙部位，因此破碎产生的岩屑多以单矿物形式存在。

分析试验样品矿物薄片（图7）可看出大部分矿物粒度都大于200 μm，而微钻过程中岩屑粒径基本集中在40～ 250 μm 范围内（ 图6） ， 粒径大于200 μm（约70～80 目）的岩屑含量低于5%，即碎岩产生的大部分岩屑颗粒都比岩石原始的矿物颗粒尺寸小。推测一方面是底唇面金刚石穿晶断裂产生了大量尺寸较小的岩屑颗粒；另一方面是沿晶断裂产生的大粒径岩屑颗粒，沿其内部细小结构裂隙碎裂，或在孔底相互碰撞中被重复破碎成小粒径岩屑。孔底单颗金刚石在轴向载荷和切向力的作用下破碎花岗岩过程中，沿晶和穿晶2 种破碎形式模型如图8 所示，

2.4 孕镶金刚石钻头碎岩机理显微观察

孕镶金刚石钻头钻进碎岩过程中，金刚石理想出刃高度为1/3 粒径， 而在激光共聚焦显微镜下观察600 r/min，9 MPa 时微钻试验中钻头实际出刃高度略低于1/3 出刃高度，且出刃高度不均匀，如图9 所示。统计显示，钻头表面金刚石的出刃高度在0.056～0.136 mm之间，其中0.085 mm 的出刃高度较为集中。

金刚石克取深度一般为出刃高度的2/5-3/5 之间，以0.085 mm 的出刃高度计算金刚石实际克取深度，并与实际岩屑粒径范围对比，见表2 所示：

从表2 中可发现大部分岩屑粒径都大于克取深度。分析其原因认为花岗岩试验样品硬度较高，切削过程中以体积破碎为主，即在纵向轴压以及切向力的作用下，岩石表面裂隙系充分发育并不断向岩石深部延伸，在应力集中而又瞬间释放的过程中岩屑从岩体中崩碎脱落下来，致使岩屑颗粒粒径大；而粒径较小的岩屑主要是以塑性微切削的方式脱落。

为进一步证实上述分析，显微观察切削结束后的岩石表面以及岩屑形貌，如图10 与图11 所示：

分析岩屑显微形貌特征：如图10c 所示，该类型岩屑形状不规则，颗粒表面粗糙不平，可见崩碎痕迹；如图10a 所示，该类型岩屑表面光滑平整，部分岩屑颗粒表面最大高低差低于20 μm，从中可较好地观察到塑性微切削痕迹；部分岩屑颗粒中可看到脆性去除与塑性微切削共存的痕迹，如图10b 所示，金刚石切削破碎岩石时，前半部分以塑性微切削的方式进行，某一时刻应力突然集中释放的过程中，后半部分岩屑从岩石母体表面脆性崩落，形成该类型岩屑。

进一步显微观察切削后岩石表面形貌，如图11 所示，岩石表面凹陷坑形态普遍，且部分凹陷坑深度较大，证实碎岩过程中体积破碎的存在；部分区域位置表面光滑平整，亦可观察到明显的塑性微切削痕迹，但是该类光滑平整面较少存在。综合上述分析进一步证实孕镶金刚石钻头钻进花岗岩过程中体积破碎、塑性微切削破碎方式均存在，但体积破碎起主导作用[13-14]。

3 结论

在室内微钻试验基础上分析研究孕镶金刚石钻头钻进花岗岩的岩屑特性，得出以下结论：

（1）孕镶金刚石钻头钻进花岗岩产生的岩屑粒径整体偏细，且碎岩产生的岩屑颗粒不是单一粒径值，而是在一定范围内呈单峰值分布。

（2）岩屑粒径与钻进参数有关，一定程度上岩屑峰值粒径随着钻压的增大趋向变大；随着转速的增大趋向变小。

（3）在穿晶断裂及沿晶断裂共同作用下，孕镶金刚石钻头钻进花岗岩所产生的岩屑颗粒基本小于岩石原矿物颗粒尺寸，且岩屑颗粒多呈单一矿物成分，较少有多种矿物相互混杂的岩屑颗粒。

（4）孕镶金刚石钻头破碎花岗岩时以体积破碎的方式为主、塑性微切削方式为辅。