金刚石钻头失效原因及改进

　　目前金刚石绳索取心钻进工艺以其钻进效率高、劳动强度低、钻孔稳定性好等优点，被钻探行业所普遍采用。同时这种钻探工艺对金刚石钻头也提出了更高的要求，需要更高的钻进效率以及更长的使用寿命。在江西省武宁县石门寺钨矿勘察复杂地层条件下钻进，常规金刚石钻头由于孔底情况复杂，经常发生超前磨损或非正常磨损而失效，从而导致钻进效率低、寿命低的情况，难以达到钻探工艺的要求。
　　1、金刚石钻头失效分析
　　1.1 内外保径早期磨损
　　 (1)岩层研磨性强；
　　 (2)由于岩心破碎，钻进过程中岩心不能顺利进入内管，或发生岩心堵塞现象,造成岩心在钻头内径处消耗，从而导致钻头内保径超前磨损失效。
　　1.2 水口冲蚀严重
　　 (1)岩层研磨性强，冲洗液含砂量高；
　　 (2)钻头胎体偏软。
　　1.3 胎体掉块
　　 (1)下钻时遇探头石或脱落岩心，因扫孔而磕裂；
　　 (2)钻进过程中遇硬、脆、碎地层，钻具振动幅度大，导致钻头胎体产生裂纹，进而发展成掉块。
　　1.4 钢体磨损严重
　　 (1)孔壁稳定性差、易坍塌、掉块，导致钢体外部磨损；
　　 (2)岩心破碎不能顺利进入内管，在卡簧座与钻头钢体间相磨，导致钢体内部磨损。
　　1.5 钻头不进尺
　　 (1)钻头胎体硬度太高，遇硬夹层抛光打滑；
　　 (2)胎体太软，工作层过度消耗。
　　2、金刚石钻头的设计及制造
　　2.1 胎体性能及制造工艺的设计
　　 金刚石钻头胎体的性能指标主要有硬度、耐磨性、抗冲蚀性、抗弯强度、抗冲击韧性以及对金刚石的包镶能力等。针对复杂地层，胎体硬度应选择在偏中等的HRC32~ HRC38之间，以确保在软层或硬层均能获得良好的钻进效率和使用寿命。胎体的其他性能指标需比常规金刚石钻头提高20% 以上，以确保钻头能够承受井底复杂情况的考验，为此采取以下方法。
　　 (1)使用纳米级的超细胎体粉末材料。使用该材料与传统材料制作的胎体相比较,能在胎体硬度相对较低的情况下获得更高的耐磨性与抗冲击韧性。这样更有利于钻头在工作过程中保持很好的金刚石出刃而胎体损耗较慢，使钻头钻进效率与使用寿命大大提高。
　　 (2)使用氢还原脱氧处理胎体粉末材料。该工艺使金属粉末表面氧化物的被还原以及变形粉末的再结晶，使粉末颗粒相互结合提高粘结强度，使胎体获得更高金刚石包镶能力、力学强度以及与钢体的粘结牢度。
　　 (3)采用低温热压烧结工艺。金刚石在温度超过800℃时就会发生石墨化转变而产生热损伤使强度下降。该工艺的制造温度不超过720℃，能最大程度地减少金刚石因高温而产生的热损伤，保护金刚石的碎岩能力。
　　2.2 金刚石浓度、粒度的选择
　　 金刚石浓度、粒度的选择对钻头寿命以及钻进效率具有重要的影响作用。
　　 浓度偏高，钻头胎体端面的金刚石与岩石的接触面积增大，单粒金刚石所承受的压力较小，相应压入岩石的深度减小。当金刚石上的压强小于岩石的抗压强度时，金刚石就不能压入岩石，表现为钻头打滑不进尺。相反，浓度偏低一是不能布满唇面的环状面积，出现大面积的金刚石空白区，二是造成单粒金刚石上的压强太大，在新的金刚石未出露之前，已出露的金刚石就过早地磨损或崩刃、脱粒，导致钻进状况恶化，甚至停钻。
　　 金刚石钻头的粒度设计与岩层的完整度、硬度、钻进参数、金刚石的其他参数(浓度)有关。具体设计金刚石粒度可按预期钻速v进行考虑。
　　
　　 式中: v――预期机械钻速，cm /min;――每粒金刚石的质量,―― 钻头上施加的压力，kg; n――钻头转速，r /min; M――金刚石的浓度，% ;――工作金刚石与岩石接触面上的单位压力，kg /cm2;――每粒工作金刚石与岩石接触的面积cm2;――钻头端面有效系数。
　　 在复杂地层条件下，岩心钻探的预期钻速选择在时效1.5 ~ 2.5m，以确保钻孔的稳定性和安全性。可采用不同粒度的金刚石混镶，浓度选择在70%~80%。由于其金刚石粒度大小不一，在钻进过程中造成众多的出刃高度不等的金刚石，在切削岩石时形成众多的微切削沟槽，其深度参差不齐，形成若干自由面，从而提高钻头的破岩效率。
　　2.3 钻头结构的设计
　　 在复杂地层条件下，钻头的唇部造型应采用尖槽同心圆结构。该造型增加了钻头底面的自由切削面，增强钻头对岩石的研磨能力，而且尖齿的侧面还能对岩石产生挤压破碎作用，具有更好的破岩效率。同时该造型能使钻头在工作过程中获得更好的稳定性，以防止出现孔斜等情况发生。
　　 为减轻胎体的冲蚀磨损状况，在难以降低钻井液含砂量时，适当增加水口宽度或增加底喷水眼，通过增加钻头的过水面积以减弱钻井液的冲蚀性。
　　2.4 保径的加强
　　 在复杂地层条件下，金刚石钻头的保径能力是钻头使用寿命的关键。尤其是内保径，通常发生提前磨损，导致岩心变粗不能顺利进入内管而产生堵心。目前人造孕镶金刚石钻头通常采用圆柱状聚晶保径。聚晶的特点为耐磨性强，但克取岩石的能力弱。
　　 在强研磨性地层中，常规的保径方式由于圆柱状聚晶工作面小而很快磨损导致钻头失效。为此，保径层采用方聚晶，通过增加聚晶的工作体积来加强保径能力，能起到非常好的效果。为避免因聚晶过多参与碎岩过程而导致钻速降低,在聚晶的排列上采用三角形排布，靠近钢体端排布多，向工作层端递减。
　　4、结论
　　 (1)采用纳米级超细金刚石胎体粉末材料，并用氢还原脱氧工艺对粉末材料进行处理后进行烧结，提高了胎体的耐磨性、抗冲击韧性、抗冲蚀性以及对金刚石的包镶能力等性能指标。
　　 (2)使用低温热压烧结工艺，减少了金刚石因高温而产生的热损伤，保护了金刚石的碎岩能力。
　　 (3)选用合适的钻头底唇面造型，提高了钻头的碎岩能力及钻进过程的稳定性。
　　 (4)采用方聚晶保径，并改进保径层的结构，大大加强了钻头的保径能力。
　　 (5)选用混镶粒度的金刚石及合适的金刚石浓度，提高了钻头对复杂地层的适应性。