架状硅酸盐矿物的Raman光谱研究

架状硅酸盐矿物的Raman光谱研究 尖齿状金刚石复合片钻头在油页岩矿区的钻进实验 1 1 ,2 ,3 4 5张献振, 刘宝昌, 卢 彬, 赵生庆 ( 1 . 吉林大学建设 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 ,吉林 长春 130026 ; 2 . 吉林大学工程仿生教育部重点实验室 ,吉林 长春 130025 ; 3 . 吉林大学超硬材料国家重点实验室 ,吉林 长春 130012 ; 4 . 吉林省地质工程勘察院 ,吉林 长春 130012 ; 5 . 吉林省地矿 )勘察 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 研究院 ,吉林 长春 130061 摘 要 :松辽盆地青山口组和嫩江组含油页岩系 ,夹有数十层白云岩透镜体或条带 。在对该油页岩系进行钻探时 , 由于经常遇到硬度较大的白云岩层 ,使用普通的硬质合金钻头不仅进尺极其缓慢 ,而且钻头损坏严重 ,寿命短 。为 解决此钻探难 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,研制开发具有高耐磨性和穿透能力强的钻头势在必行 。为此 ,研发了尖齿状金刚石复合片钻头 , 并进行了现场钻进实验 。结果表明 ,这种钻头在含白云岩层的油页岩地层钻进时 ,不仅钻进速度高 ,而且具有高耐 磨性 、寿命长 ,其综合技术经济指标远远优于常规硬质合金钻头 。 关键词 :松辽盆地 ;油页岩 ;白云岩层 ;钻探 ;尖齿状金刚石复合片钻头+ () 中图分类号 : P634 . 4 1 文章编号 :1672 - 7428 201108 - 0064 - 04 文献标识码 : A Drill ing Experiments of Teeth2sha ped PDC Bit in Shenjingzi Oil Shale Mining Area of Song L iao Basin/ Z H A N G X i an2 1 1 , 2 , 3 4 4 ( z hen, L I U B ao2c h an g , L U B i n, Z H A O S hen g2qi n g 1 . College of Co nst r uctio n Engineering , J ilin U niver si2 t y , Changchun J ilin 130026 , China ; 2 . Key L a bo rato r y of Bio nic Engineering , J ilin U niver sit y , Mini st r y of Educa2 tio n , Changchun J ilin 130025 , China ; 3 . Natio nal Key L a bo rato r y of Sup er ha rd Material s , J ilin U niver sit y , Cha ng2 chun J ilin 130012 , China ; 4 . J ilin Inve stigatio n and De sign Instit ute of Geolo gy a nd Mineral s , Changchun J ilin ) 130061 , China ; 5 . Geo2engineering Inve stigatio n Instit ute of J ilin Pro vince , Changchun J ilin 130012 , ChinaAbstract : There a re of ten dozens of layer s of dolo mite bo dy o r ba nds embedded in oil shale fo r matio n in Qingsha nko u a nd Nenjia ng gro up at So ng L iao ba sin. While drilling in abo ve mentio ned oil shale fo r matio ns , dolo mite interlayer s wit h relatively high har dne ss were of ten enco untered. If o r di na r y t ungsten car bide cut ter drilling bit wa s used , no t o nly t he foo tage wa s too slo w in drilling p roce ss , but al so t he bit wa s serio usly da maged. To solve abo ve drilling p ro blems , t he develop ment of new drilling bit wit h high wea r re si sta nce a nd high penet ratio n a bilit y wa s eagerly nee2 ded. In t hi s pap er , a new t yp e of teet h2shaped PDC bit wa s de signed and ma nuf act ured. Field drilling exp eriment s using t he se teet h2shap ed PDC bit s were co nducted a nd t heir drilling p erfo r ma nce s were co mp ared wit h t ho se of t ung2 sten car bide bit s. The result s indicated t hat t he new teet h2shap ed PDC bit demo nst rated high rate of p enet ratio n , high wea r re si sta nce a nd lo ng service lif e w hile drilling i n oil shale fo r matio n co ntaining dolo mite interlayer . The t echnical and eco no mical index of teet h2shap ed PDC drill bit wa s bet ter t ha n t hat of co nventio nal t ungsten ca r bide cut ter bit s. Key words : So ng L iao ba sin ; oil shale ; dolo mite interlayer ; drilling ; t eet h2shap ed PDC bit 1 概述2010 年吉林省地矿建设集团有限公司在深井子矿 区 Z K4197 孔钻井过程中使用常规硬质合金钻头 , 松辽盆地深井子油页岩矿区地层主要由砂岩 、 泥质粉砂岩 、粉砂质泥岩 、泥岩 、页岩 、油页岩组成 , 但由于嫩江组部分地层泥岩结构非常致密 ,且夹有 ( ) 较硬的白云岩岩脉 成分大多以泥质胶结 ,属于可钻性较好的地层 ,其地 如图 2,常规硬质合金钻头在 [ 1 ] 层综合柱状图如图 1 所示。2006 年 ,壳牌石油公 孔底出现打滑现象 ,并很快被磨钝 。使用金刚石钻 司使用美国长年公司的复合片钻头在此矿区钻探 , 头时 ,由于金刚石不易出刃 ,造成不进尺或进尺极其 由于钻头结构和水路系统不合理 ,在钻进时造成糊 缓慢 。因此选择一种适应该矿区地层的新型钻头显 [ 2 ] 得极其重要 。钻 、烧钻 、吸附性卡钻等事故 ,严重影响钻进效率。 收稿日期 : 2011 - 03 - 13 ; 修回日期 :2011 - 05 - 09 ( ) 基金项目 : 中国博士后科学基金项目“土壤洞穴动物趾形仿生钻头研究”20080430158; 国家自然科学青年基金项目“硬岩钻进用仿生结构 ( ) ( )金刚石复合片及钻头研究”200902487“、仿生非光滑表面 PDC 复合齿切削岩石防粘机理研究”51004052 ( ) ( ) 作者简介 : 张献振 1987 - ,男 汉族,山东临清人 ,吉林大学在读硕士研究生 ,地质工程专业 ,主要从事钻探用超硬材料与钻头的研究 ,吉林 ( ) ( ) 省长春市东民主大街吉林大学前卫北区三舍 526 ,zxz1087 @163 . co m ; 刘宝昌 1975 - ,男 汉族,吉林梨树人 ,吉林大学建设工程学院及超硬 材料国家重点实验室副教授 、工程仿生教育部重点实验室博士后 、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室访问学者 , 地质工程专业 , 主要从事钻探新技 术 、超硬复合材料及钻头 、仿生技术在钻探中的应用等研究工作 。 [ 4 ] 学中楔形压头碎岩比功较小的理论,为提高钻进 效率 ,同时解决某些孔段钻头不易进尺的难题 ,本文 选择了内径 58 mm 、外径 91 mm 的尖齿状金刚石复 合片钻头 ,以减少钻 头 切削 刃与 孔底 的 接触 面积 。 在钻进过程中 ,由于钻头底唇面与地层接触面积小 , 受力集中 ,齿下岩石在较大的接触应力作用下产生 [ 5 ] 破裂裂纹 ,因此尖齿比较容易吃入地层。使用该 类型钻头在吉林省地矿建设集团有限公司 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 现场 减压低速的情况下进行了钻进实验 。 现场使用的 硬质合金钻头和实验用尖齿状金刚 石复合片钻头见图 3,5 。 图 3 硬质合金钻头 2 钻头选择 深井子矿区 Z K4197 孔上部砂层遇水易水化 , 孔壁极易 发 生 缩 颈 和 塌 陷 现 象 , 当 遇 到 白 云 岩 层 图 4 尖齿状金刚石复合片钻头 ( ) “打滑”地层时使用硬质合金钻头不进尺 ,施工人 员便加压钻进 ,最终使钻杆成为绳状摇摆 ,钻杆接手 断裂 ,进而容易造成 钻杆 断 裂 , 给施 工带 来严 重 损 失 。 ( 金刚 石 复 合 片 钻 头 Pol ycr y st alli ne Dia mo nd ) Co mp act Bit ,简称 PDC 钻头 。它由钻头体和切削 齿两部分组成 。其镶焊形式类似于硬质合金钻头 , 其碎岩原理以及钻进规程也类似于硬质合金钻进 , 3 尖齿状金刚石复合片钻头设计和制造: Ø91 mm 钻头 + Ø73 mm 岩心 钻具结构组合 3 . 1 钻头设计 金刚石复合片钻头的基体分为钢管 + Ø68 mm 钻铤 8 根 + Ø60 mm 钻杆 + 扁六方钻 [ 5 ] 体式和胎体 杆。 式 ,本文 采 用 钢 体 式 。金 刚 石 复 合 片 的 直 径 为 13 4 . 2 钻进参数 由于实验现场油页岩地层含有白云 ( mm ,厚度为 8 mm 其中金刚石聚晶层厚 1 mm ,硬 岩硬夹层 , ) 质合金基片厚 7 mm。复合片的切割主要有近红 尖齿状金刚石复合片在高速钻进中容易崩齿 ,因此 外 N d : YA G 激光切割方法与电火花线切割 方法 。 需要较低的钻压和转速 。现场钻进实验时实际采用 由于电火花线切割会造成金刚石层与硬质合金层界 的钻压是 5 kN ,转速为 200,260 r/ mi n ,冲洗液泵 [ 7 ] 面处存在金属钴过量去除现象 ,出现较多明显的凹 量为 90 L / mi n。 [ 6 ] 槽,故本文采用了脉宽较窄的近红外 N d : YA G 激 4 . 3 试验情况及效果 为说明尖齿状金刚石复合片光切割方法 ,使得复合片切割速度和切割质量均有 钻头的钻进效果 , 很大程度的提高 。图 6 为尖 齿 状复 合片 钻头 示 意 将其与在同矿区使用的硬质合金钻头的钻进情况进图 ,钻头由 8 块复合片尖齿焊接在钻头钢体上 ,每 2 行了对比 。 块焊接在一起 ,相对称的 4 块尖齿数相同 ,分别采用 在相同地层 ,钻压 5 kN 、钻速 200,260 r/ mi n 、 了单块三齿和单块四齿的复合片 ,这样在钻进岩层 泵压 6 M Pa 的情况下 ,硬质合金钻头在深井子矿区 的过程中对岩层的切削有互补作用 。钻头有 4 个抛 Z K5789 孔的进尺情况如表 1 所示 。物线状水口 ,这样更利于泥浆液对钻头底唇面的冷 表 1 硬质合金钻头进尺情况 却 。 钻进回次 钻进深度/ m 进尺/ m 用时/ h 时效/ m 1 86 1 17 1 40 5415011 35,5071 21 91 41 38 21 5 11 75 92 5071 21,5111 59 5111 59,5171 6161 02 31 3 11 81 93 5171 61,5231 4751 86 61 17 01 95 94 61 15 31 08 95 5231 47,5291 622 61 17 5291 62,5341 2841 66 01 76 96 5341 28,5381 6641 38 01 5 81 76 97 61 34 31 17 98 5381 66,5451 002 21 67 5451 00,5471 0021 00 01 75 99 100 51 66 41 67 11 21 5471 00,5521 66 101 5521 66,5571 02 41 36 4 11 09 尖齿 状 金 刚 石 复 合 片 钻 头 在 深 井 子 矿 区 6 尖齿状复合片钻头示意图 图 Z K4197 孔的进尺情况如表 2 所示 。3 . 2 钻头制造 表 2 尖齿状金刚石复合片钻头进尺情况 考虑到复合片金刚石层的热稳定极限温度只有 钻进回次 钻进深度/ m 进尺/ m 用时/ h 时效/ m 700 ?,超过极限温度 ,复合片金刚石层的抗磨能力 98 51 57 1 51 57 4981 55,5041 12 下降 ,影响钻头的使用寿命 ,对钻头钢体和复合片的 61 46 31 87 5041 12,5101 581 17 99 1焊接采用高频感应加热钎焊与氧 - 乙炔火焰钎焊相 5101 58,5161 6361 05 61 05 1 100 结合的钎焊方法 。即焊前进行切削齿穴粗化处理 、 61 18 11 5 41 12 5161 63,5221 81101 切削齿氧化处理等工作 ,先采用高频感应进行局部 51 86 21 43 102 5221 81,5281 672 焊接 ,然后采用氧 - 乙炔火焰钎焊的方法 ,然后放入 5281 67,5341 7761 10 1 61 10 103 400,500 ?的电阻炉中进行随炉降温冷却 ,最后取 5341 77,5401 3151 54 1 51 54 104 61 46 11 17 51 57 105 5401 31,5461 77出成品钻头 。 61 10 41 07 106 5461 77,5521 8711 5 107 5521 87,5571 28 41 41 2 21 21 4 实钻试验此次实验一共使用了 6 只复合片钻头 ,每个钻 孔实验 2 只 ,对 3 个钻孔进行了钻进实验 ,硬质合金 4 . 1 钻探设备及钻具结构 结合现场钻头和尖齿状金刚石复合片钻头的综合钻进效果对 实际情况 , 选择了 X Y - 6B 型 钻机 , 比如表 3 所示 。 B W - 250 型泥浆泵 ,A Y - 12 型钻塔 ,塔高 131 5 m 。 表 3 钻头总进尺和总花费时间及平均机械钻速对比表 个班工作 8 h ,3 个班连续接替钻进 ,仅人员费用每 钻孔 总进尺 总花费 平均机械钻速 天可以节省 70 元/ 人 ×4 人/ 班 ×3 班/ 天 ×36/ 24 =钻 头 类 型 - 1 时间/ h / m ) ( 孔号/ m ?h 1260 元 。现场每 24 h 消耗燃料费用约 1400 元 ,节 硬质合金钻头 Z K5789 1571 16 1111 8 1 4 1 321 8 31 1 尖齿状金刚石复合片钻头 1 Z K4197 981 32 省 36 h 意味着节省燃料费用约 2100 元左右 。费用 341 5 31 1 尖齿状金刚石复合片钻头 2 Z K4197 1081 41 上可以近似抵消 ,时间上减少了 36 h ,即缩短了 36 751 7 21 5 尖齿状金刚石复合片钻头 3 Z K4105 1891 21 h 的工期 ,提高了施工现场整体的效率 。预计若额 661 1 21 6 尖齿状金刚石复合片钻头 4 Z K4105 1721 20 511 3 21 69 外的 36 h 继续钻进 ,可比硬质合金钻进提高产值约尖齿状金刚石复合片钻头 5 Z K7397 1371 94 771 7 21 93 尖齿状金刚石复合片钻头 6 Z K7397 2271 65() 300 元/ m ×21 82 - 11 4m/ h ×36 h = 15336 元 。 由 以上分析可以得知 ,采用尖齿状金刚石复合 片钻头 ,一个钻孔可以节省大于 36 h 的时间 ,提高 5 试验效果分析 了施工效率 ,如换算成产值 ,预计可提高 15336 元的 5 . 1 钻探技术效果分析 产值 ,这对 施工单 施工单位项目经理责任书施工单位质量保证措施施工单位进场交底施工单位进场流程施工单位进场资料 位来说是非常划算的 。从表 1,3 可以看出 ,与硬质合金钻头相比 ,尖 齿状金刚石复合片钻头钻进效率高 ,回次钻进时间 6 结论 缩短 ,平均机械钻速也提高很多 。在打滑地层用此 () 1在松辽盆地深井子油页岩矿区白云岩层的 钻头无论是钻进花费时间还是机械钻速都要优于硬 钻采施工中 ,常规硬质合金钻头出现打滑进尺极其 质合金钻头 ,平均机械钻速 21 82 m/ h ,是硬质合金 缓慢 、寿命短现象 ,使用尖齿状金刚石复合片钻头钻 ( ) 钻头平均机械钻速 11 4 m/ h的 2 倍多 。钻头寿命 进速度快 ,而且具有高耐磨性 、寿命长的特点 ,这些 ( 最高可达 2271 65 m ,远高于硬质合金钻头 硬质合 都优于常规硬质合金钻头 。 ) 金钻头在该矿区的寿命一般不超过 20 m。 () 2使用尖齿状金刚石复合片钻头为现场钻采 5 . 2 经济性分析 提高了效率 ,缩短了工期 ,降低了施工成本 ,整体的 () 1尖齿状金刚石复合片钻头现场使用报废前 经济技术指标远远超过常规硬质合金钻头 。不用换钻头 ,而使用硬质合金钻头钻进时 ,每钻进一 () 3油页岩矿区由于地层条件 ,长期使用常规硬 个回次就要换一次钻头 。在白云岩层每只硬质合金 质合金钻头 。此次使用金刚石复合片钻头大大加快 钻头的寿命大约 20 m ,钻孔深度按照 600 m 计算 , 了油页岩矿区白云岩层的钻采速度 ,并开辟了新的 大约要使用硬质合金钻头 30 只 ,每只硬质合金钻头 思路 。今后的应用前景非常可观 。 的价格在 80 元左右 ,使用钻头总费用约 2400 元 。 () 2根据 图 1 可 以 看 出 , 白 云 岩 地 层 在 150 , 参考文献 : 300 m 之间较多 ,其它地层泥岩砂岩居多 ,用尖齿状 [ 1 ] 刘招君 ,杨虎林 ,董清水 ,等. 中国油页岩 [ M ] . 北京 : 石油工业 金刚石复合片钻头易钻进 ,钻头磨损少 ,经过现场钻 出版社 ,2009 .进用 2 只钻头就可以完成 600 m 整个钻孔的钻进工 [ 2 ] 迟玉亮. 奇偶齿鱼脊式聚晶钻头的设计及在油页岩地层的钻进 ( ) ( ) 作 。每只尖齿状金刚石复合片钻头的价格为 2900 效果[J ] . 探矿工程 岩土钻掘工程,2007 ,34 3. 张艺瀚 ,王希勇. PDC 钻头在沙南油田沙丘 3 井区的推广应用[ 3 ] 元 ,钻头总费用 5800 元 。钻头的费用将提高 5800 ( ) [J ] . 西部探矿工程 ,2005 , 2. - 2400 = 3400 元 。 [ 4 ] 张祖培 ,刘宝昌. 碎岩工程学[ M ] . 北京 :地质出版社 ,2004 . () 3按照 Z K4197 孔有 100 m 难钻进“打滑”地 [ 5 ] 邹德 永. 新 型 PDC 钻 头 切 削 齿 的 发 展 [ J ] . 石 油 钻 探 技 术 , ( ) 2003 , 6. 层计算 ,硬质合金钻头用时 100/ 11 4 = 71 h ,尖齿状 [ 6 ] 吴煜 ,张高峰. 聚晶金刚石的 Nd : YA G 激光切割与电火花线切 ( 金刚石复合片钻 头平 均 钻速 为 31 1 + 31 1 + 21 5 +( ) 割损伤分析[J ] . 中国机械工程 ,2010 , 5. ) 21 6 + 21 69 + 21 93/ 6 = 21 82 m/ h ,用时 100/ 21 82 = [ 7 ] 赵生庆 ,卢彬 ,李录波 ,李强. 松原油页岩地层硬质合金裸孔钻 ( ) ( ) 进技术[J ] . 探矿工程 岩土钻掘工程,2009 ,36 10. 35 h ,节省 71 - 35 = 36 h 。 () 4现场人员费用是 70 元/ 天 ,一班 4 个人 ,一