孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)花崗巖巖屑特性室內(nèi)試驗(yàn)研究

康鑫　段隆臣　劉衛(wèi)衛(wèi)　譚松成　和大釗

關(guān)鍵詞 孕鑲金剛石鉆頭；花崗巖；巖屑特性；鉆進(jìn)參數(shù)；室內(nèi)試驗(yàn)

中圖分類號 P634 文獻(xiàn)標(biāo)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(huán)空攜巖問題是地質(zhì)鉆井工程的一個(gè)重要問題[1-2]。孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)研磨性較強(qiáng)的地層時(shí)，鉆孔巖屑如不能及時(shí)上返，將導(dǎo)致孔底巖屑沉積，在孔底反復(fù)磨損鉆頭，鉆頭壽命急劇下降，嚴(yán)重制約鉆井效率[3-7]。目前國內(nèi)外學(xué)者多從鉆井泵量、鉆井液流變性及密度、環(huán)空偏心度、鉆進(jìn)參數(shù)等方面分析研究高效攜巖問題，而巖屑特性亦是影響環(huán)空巖屑上返的關(guān)鍵因素之一[8-14]?，F(xiàn)場鉆頭碎巖過程中井內(nèi)工況復(fù)雜，難以有效分析觀察巖屑被剝離下來的原始狀態(tài)，因此，擬在室內(nèi)微鉆試驗(yàn)平臺上仿真模擬理想條件下的現(xiàn)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(jī)理。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)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(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)成品鉆頭如圖1 所示。

微鉆試驗(yàn)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(jiān)硬巖層。試驗(yàn)巖樣為高度為16 cm，直徑為10 cm 的圓柱，試驗(yàn)巖樣樣品如圖2 所示。

室內(nèi)微鉆試驗(yàn)在如圖3 所示試驗(yàn)微鉆試驗(yàn)平臺上進(jìn)行，試驗(yàn)前設(shè)定相應(yīng)的轉(zhuǎn)速以及鉆壓，收集30 cm 鉆進(jìn)量的巖屑，每次試驗(yàn)后沖洗管道及過濾網(wǎng)，以確保試驗(yàn)精度。

2 結(jié)果與分析

2.1 巖屑粒徑特性

微鉆試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)速變量設(shè)定為600 r/min、1 000 r/min，鉆壓變量設(shè)定為6 MPa、9 MPa，收集3 組試驗(yàn)巖屑樣品，經(jīng)過烘干、篩分歸類并統(tǒng)計(jì)每組巖屑樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

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

從圖4 中還可看出：在同一試驗(yàn)樣品、不同鉆進(jìn)參數(shù)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(zhuǎn)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(yàn)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(yàn)巖屑直徑約150 μm或96 μm 的顯微圖片。從圖5 中可發(fā)現(xiàn)：室內(nèi)微鉆試驗(yàn)破碎花崗巖產(chǎn)生的巖屑形貌棱角分明，且形態(tài)差異較大，巖屑有塊狀、薄片狀、不規(guī)則板狀及短柱狀；同時(shí)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(jìn)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(fā)現(xiàn)：孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)花崗巖所產(chǎn)生的巖屑顆粒多呈單一礦物成分，較少部分巖屑中呈現(xiàn)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(jī)理顯微觀察

針對上述試驗(yàn)結(jié)果，對花崗巖樣品進(jìn)行巖石薄片分析，如圖7 所示。試驗(yàn)巖樣為含黑云母的中～細(xì)粒二長花崗巖，鱗片花崗巖及塊狀構(gòu)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(guī)律，各類礦物顆粒大小變化范圍很大，且多數(shù)礦物顆粒內(nèi)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(shí)在回轉(zhuǎn)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(nèi)連結(jié)力最小，外載作用下應(yīng)力在這些微裂隙和孔隙處集中，使裂隙擴(kuò)展和匯合形成破碎的有利條件，因而巖石破碎最有可能發(fā)生在礦物顆粒邊界界面上以及礦物顆粒內(nèi)部薄弱裂隙部位，因此破碎產(chǎn)生的巖屑多以單礦物形式存在。

分析試驗(yàn)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(nèi)（ 圖6） ， 粒徑大于200 μm（約70～80 目）的巖屑含量低于5%，即碎巖產(chǎn)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(chǎn)生了大量尺寸較小的巖屑顆粒；另一方面是沿晶斷裂產(chǎn)生的大粒徑巖屑顆粒，沿其內(nèi)部細(xì)小結(jié)構(gòu)裂隙碎裂，或在孔底相互碰撞中被重復(fù)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(jī)理顯微觀察

孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)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(shí)微鉆試驗(yàn)中鉆頭實(shí)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(tǒng)計(jì)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(jì)算金剛石實(shí)際克取深度，并與實(shí)際巖屑粒徑范圍對比，見表2 所示：

從表2 中可發(fā)現(xiàn)大部分巖屑粒徑都大于克取深度。分析其原因認(rèn)為花崗巖試驗(yàn)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(fā)育并不斷向巖石深部延伸，在應(yīng)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(jìn)一步證實(shí)上述分析，顯微觀察切削結(jié)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(guī)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(shí)，前半部分以塑性微切削的方式進(jìn)行，某一時(shí)刻應(yīng)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(jìn)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(tài)普遍，且部分凹陷坑深度較大，證實(shí)碎巖過程中體積破碎的存在；部分區(qū)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(jìn)一步證實(shí)孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)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(dǎo)作用[13-14]。

3 結(jié)論

在室內(nèi)微鉆試驗(yàn)基礎(chǔ)上分析研究孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)花崗巖的巖屑特性，得出以下結(jié)論：

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

（2）巖屑粒徑與鉆進(jìn)參數(shù)有關(guān)，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(zhuǎn)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(jìn)花崗巖所產(chǎn)生的巖屑顆?；拘∮趲r石原礦物顆粒尺寸，且?guī)r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(shí)以體積破碎的方式為主、塑性微切削方式為輔。