孕鑲金剛石鉆頭破碎花崗巖巖屑粒徑分布研究*

趙小軍， 康 鑫， 潘飛飛， 潘秉鎖， 段隆臣

(1. 中國地質大學(武漢) 工程學院， 武漢 430074) (2. 濟南市勘察測繪研究院， 濟南 250013) (3. 河南省地質礦產勘查開發局第三地質勘查院， 鄭州 450000)

在地質鉆探工程中，孕鑲金剛石鉆頭使用最為廣泛[1]。孕鑲金剛石鉆頭鉆進時破碎巖石產生巖屑，巖屑沉積在孔底磨損鉆頭胎體，實現金剛石的持續出露；同時，在沖洗液的作用下，巖屑返出孔口[2]。巖屑能否及時合理排出是鉆進過程正常進行的保證。在鉆進松散破碎、研磨性強的地層時，經常會出現攜巖不暢的問題，導致井底巖屑沉積，強研磨性巖屑顆粒在孔底反復磨損鉆頭，使鉆頭壽命急劇下降，輔助作業時間、勞動強度、人工成本顯著增加[3]。

在鉆進過程中，影響攜巖效果的因素有很多，包括環空返速、巖屑尺寸、鉆井液流變性、鉆井液密度、井眼直徑、機械鉆速、鉆具轉速等[4-6]。其中，巖屑粒徑大小及其分布是決定能否有效攜巖的關鍵因素之一[7]。巖屑粒徑與地層的巖性、鉆頭類型、金剛石參數以及鉆進參數息息相關[1, 8-10]。

通過收集孕鑲金剛石鉆頭破碎花崗巖所產生的巖屑并分析其粒徑分布規律，研究金剛石參數、鉆進參數對巖屑粒徑分布的影響規律。

1 實驗方案

實驗在微鉆實驗臺上進行。鉆頭為熱壓燒結的平底型孕鑲金剛石鉆頭，其底唇面尺寸如圖1所示。

在鉆頭的制作過程中，除金剛石的濃度和粒度不同外，其他參數完全相同，共制作了3種類型的金剛石鉆頭，其金剛石參數如表1所示。

編號金剛石濃度C金剛石粒度代號N金剛石粒徑d / μm150%30/35500～600250%40/45355～4253100%30/35500～600

實驗所用巖樣為含黑云母的中細粒二長花崗巖，巖樣高16 cm，直徑10 cm，主要性能指標見表2，其實物和薄片分析照片如圖2所示。

表2 實驗用花崗石的力學性能

微鉆實驗開始之前，設定轉速800 r/min、鉆壓9 MPa。為保證巖屑收集量，每組實驗鉆進2個回次，每個回次鉆進15 cm。完成巖屑收集后沖洗過濾網，進行下次實驗。每組微鉆實驗完成之后，將收集歸類的巖屑樣品放入烘箱中烘干，然后對巖屑樣品進行篩分并歸類整理，稱重并計算各尺寸范圍的巖屑質量分數，分析巖屑粒徑分布規律。

實驗選擇的篩網組合目數分別為：40、60、80、100、120、140、160、180、200、220、240、260、280、300、320、340、360、400。實驗以篩分直徑，即粗細2層篩網的孔眼直徑算術平均值為巖屑粒徑。

2 結果與分析

2.1 花崗巖巖屑粒度分布規律

花崗巖巖屑的粒徑分布如圖3所示。由圖3可知：孕鑲金剛石鉆頭碎巖產生的巖屑顆粒較小，其粒徑尺寸小于200 μm，集中分布在40～100 μm，少量分布在100～200 μm；巖屑顆粒的粒徑在一定范圍內呈單峰式分布；不同金剛石參數的孕鑲金剛石鉆頭所產生的巖屑具有相似的分布規律。

采用常用的正態分布、對數正態分布及羅辛-拉姆勒分布3種方式對花崗巖的巖屑粒徑分布進行擬合[11-12]，擬合結果如表3所示。從表3中的擬合度來看，正態分布對1號和2號實驗產生的巖屑粒徑分布擬合較好，但對3號實驗產生的巖屑粒徑分布的擬合效果較差；對數正態分布對三者的擬合效果都較好；羅辛-拉姆勒分布擬合效果較差。因此，認為孕鑲金剛石鉆頭破碎花崗巖的巖屑粒徑分布符合對數正態分布。

對數正態分布的概率密度函數如式(1)所示，其對應的粒徑期望如式(2)所示：

(1)

yex=eμ+σ2/2

(2)

表3 花崗巖巖屑粒徑分布擬合結果

2.2 金剛石參數對巖屑粒徑分布的影響

對比1號和2號鉆頭的實驗結果，分析金剛石粒度對巖屑分布的影響，其結果如表4所示。從表4可以看出：鉆頭底唇面金剛石粒徑增大，則巖屑峰值粒徑變大。當底唇面金剛石粒徑較小時，其出刃高度偏低，破碎巖石時切入深度相應較低，導致破碎脫落的巖屑顆粒相對細??；當金剛石粒度較大時則相反。

表4 金剛石粒度對巖屑分布的影響

對比1號和3號鉆頭的實驗結果，分析金剛石濃度對巖屑分布的影響，其結果如表5所示。從表5可以看出：隨底唇面金剛石濃度升高，巖屑峰值粒徑減小。其原因主要在于：一方面是因為底唇面金剛石濃度高、單顆金剛石所受壓力小，則體積破碎深度及范圍較小、切入深度低，導致切削碎巖產生的巖屑粒徑較細；另一方面是因為金剛石濃度較高時，底唇面上單位面積的金剛石數目較多，底唇面與巖石接觸區域的空間受限，不利于初次破碎的巖屑及時排出，巖屑二次破碎的可能性增大。

表5 金剛石濃度對巖屑分布的影響

2.3 鉆進參數對巖屑粒徑分布的影響

為分析鉆壓對巖屑粒徑的影響，使用1號鉆頭進行微鉆實驗，設定轉速為600 r/min，選取鉆壓6 MPa、9 MPa、12 MPa、15 MPa。實驗結果如圖4所示。

從圖4可看出：鉆壓從6 MPa升高到9 MPa，巖屑的峰值粒徑增大、均值粒徑增大；鉆壓繼續升高，巖屑峰值粒徑不再增大、均值粒徑略微增大；隨鉆壓進一步升高，處在峰值粒徑的巖屑質量分數減??；鉆壓超過12 MPa后降幅減小。其原因在于：隨著鉆壓增大，金剛石的切入深度增大，導致巖屑的粒徑增大，而鉆壓過大、切入過深會壓縮鉆頭胎體和巖石之間的間隙，甚至導致二者直接接觸，從而對巖屑產生二次破碎[13]，導致峰值粒徑處的巖屑質量分數下降，峰值粒徑不再增大。

為分析轉速對巖屑粒徑的影響，使用1號鉆頭進行微鉆實驗，設定鉆壓為9 MPa，轉速選取600 r/min、800 r/min、1 000 r/min和1 200 r/min。實驗結果如圖5所示。

從圖5可以看出：隨轉速增大，峰值粒徑處巖屑的質量分數不大，但是峰值粒徑和均值粒徑減小，特別是在轉速從800 r/min增大到1 000 r/min的過程中，粒徑變化大。鉆頭轉速對應于其底唇面金剛石破巖時的線速度。線速度越低，垂直載荷在巖石表面的作用時間越長，越有利于巖石深度裂隙的發育，破碎巖屑的粒徑變大；線速度越高，垂直載荷在巖石表面的作用時間越短，金剛石對巖石體積的破碎效果變差，導致破碎產生的巖屑粒徑越小。

3 結論

使用不同金剛石參數的孕鑲鉆頭在不同轉速或鉆壓下，進行破碎花崗巖的微鉆實驗，并分析其巖屑的粒徑分布。得出以下結論：

(1)在實驗條件下產生的巖屑粒徑呈單峰式分布，粒徑尺寸集中分布在40～100 μm，粒徑分布基本符合對數正態分布規律。

(2)金剛石參數對巖屑粒徑影響較大。巖屑粒徑隨金剛石粒徑增大而增大，隨金剛石濃度升高而減小。

(3)鉆進參數對于巖屑粒徑也有一定影響。隨鉆壓增大，巖屑粒徑增大，但是當鉆壓增大到一定程度時，繼續增大鉆壓，巖屑的粒徑不再有明顯的變化；當轉速在800～1 000 r/min變化時，巖屑粒徑隨轉速增大明顯降低；當轉速低于或高于這個范圍時，巖屑粒徑隨轉速變化不大。

實際鉆進過程中，可參考本實驗結論，選擇合適的金剛石參數和鉆進參數，調節巖屑大小，使其及時、合理排出，保證正常鉆進過程。