钻具钻进薄层砂砾岩的方法
利用钻具进砂砾岩层是让每位机长都头疼的一件事，究其原因是该岩石钻进效率低，并且取芯率难以保证。特别是钻进的砂砾岩层比较厚时，那么单个钻孔的耗时将会是相当长久，为了提高钻具钻进砂砾岩的钻速，金钻钻头厂以薄层砂砾岩为例介绍该岩层的概念以及钻进该系列岩层的方法。
含土层的薄层砂砾岩
一，薄层砂砾岩的概念和分类
1，薄层砂砾岩的概念
薄层就是指厚度较薄的地层，在砂砾岩剖面尤为常见，在不同领域、不同地区、不同油田，有不同的含义。《地质词汇》定义薄层是指厚度为5~60cm的地层。从钻探的角度看，薄层是相对的，如果地层的厚度小于钻探仪的垂直分辨率就可称之为薄层，然而不同的钻探仪有不同的分辨率，因此，薄层可能在不同地区，不同油田有不同的界线，随着钻探方法的完善，钻具，钻探设备的改进，解释处理手段的发展，薄层的概念也相应地改变。在实际应用中，目前以厚度小于1m的地层为薄层，厚度小于0.5m者为超薄层，厚度小于1cm者叫做纹层。
2，薄层砂砾岩的分类
薄层有两种类型：
单一薄层：是指常发育干厚泥岩中的薄砂岩或砂岩中的致密夹层。
薄互层：是指一般砂岩中被一个或几个泥质条带分成许多个小的夹层，每一夹层合起来的有效厚度在0.5m左右，这种薄层一般岩性较差，在钻探资料上没有明显的储集层显示，造成解释上的困难，但是这些薄层有可能具有较大的油气地质储量。
二，薄层砂砾岩的金刚石钻头钻进方法
砂砾岩一般以破碎的卵石或者是卵石夹杂其它属性的岩石为主，并且表层常常有泥土层的覆盖，因此钻进泥土层和岩层应该分开进行，而且泥土层和砂砾岩层的厚度往往比较薄。
1，泥土层钻进
土探孔一般不允许使用带冲洗液的回转钻进，但可采用干钻，采用金钻合金钻头或者是复合片钻头即可，钻进时效比较高没有很高的技术要求。 利用钻具自重反复对孔底进行冲击而使土层破坏的一种钻进方法。冲击钻进分人力冲击和机械冲击两种方式。人力冲击钻具如洛阳铲，一般适用于浅孔和地下水位以上土层钻进。机械冲击一般采用机械提升和向下冲击，适用于各类土层钻进。在河流冲积的砂砾层中钻进时，为了取得砂砾石样品，也可以采用跟管钻进。
2，砂砾岩钻进
在砂砾石中钻进时金刚石钻头宜选用金钻25-28度/研50金刚石钻头，目的是该钻头进尺效率高、耐磨度好，能提高岩芯采取率。还可用打入法取样钻进，用直径150～200mm的厚壁套管制成长约0.5m的半合套管，下端连接带弹簧的管靴，上端与套管连接。钻进时将套管打入孔底0.4m左右，然后起拔套管，取出砂砾石，再将护壁管打入。这样逐次打入，逐次取样，直至终孔。 从地表向下垂直开挖的圆形或方形探井。直径常为 2～4m，以满足出渣、排水、支护等的要求。在第四纪沉积层中开挖时，井壁要加以支护。在裂隙发育、涌水量较大的岩石中开挖时，有时需先灌浆止水然后开挖。
钻具
上述介绍的是利用钻具钻进薄层砂砾岩的方法，通过对该钻进技术的不断总结和经验的累积，机长们可以将此方法应用于厚度比较大的砂砾岩层。但对于机长对钻探设备的操作以及对钻具钻进技术的要求较高。
金刚石含量和排列方式对钻头的影响
金刚石含量和排列方式对钻具的影响
金刚石是自然界中坚硬的物质，因此选用它作为钻具的胎体的切削原料是合适的。金刚石在钻具胎体中的含量以及它的排列方式是决定钻头质量的关键因素，因此从事钻头生产20余年的钻具厂家对此有着严格的把控，只有符合质量标准的钻头才能够在钻进过程中有着出色的发挥。
1，金刚石及其破岩机理简介
金刚石使用范围非常广泛，太原钻具，究其原因是其出色的刚性硬度，在于岩石的硬度比较中，它的硬度是硬岩石石英岩的6倍之多，因此是切削工具胎体成。其破岩机理十分复杂，概括来说是钻头在孔底的高速旋转，并且配合一定的钻压使得单颗金刚石吃入岩石内部造成局部小范围的应力破坏，当表面有足够多的金刚石共同完成这个循环时，便有了岩石和胎体接触部分被完成磨碎的现象，通过循环往复达到了进尺的目的。
金刚石破岩机理示意
2，金刚石含量对钻具的影响
传统的观念认为胎体中金刚石的含量越大，其对岩石的切削越快，因此进尺效率月快。其实不然！钻具的胎体粘结金属为镍合金，掺杂有锰合金，起到了很好的支撑金刚石的作用。当胎体中金刚石的含量超过80%时（体积的百分数），金刚石之间很难通过黏结金属链接在一起，并且没有刚性基体的支撑，很难完成切削岩石的任务，因此钻具的进尺效率反而会很低；但当金刚石的含量低于40%时（体积的百分数），过多的粘结金属又会阻碍金刚石的正常出刃，会造成钻头的“打滑”现象，钻具多少钱，进尺效率就无从说起了。因此金刚石在胎体中的含量应该控制在40%-80%之间。
3，金刚石排列方式对钻头的影响
金刚石在胎体上的排列方式对钻头的机械性能影响极大，胎体分为内径、外径和端面。在这三个面上的排列方式是不同的，内径的线速度大于外径，因此在金刚石含量上要大于外径，同时内径和外径的金刚石应该尽量采用螺旋状的排列方式。在端面的排列重要，它是钻头切削效率的关键，有放射状、螺旋状和等间距状三种排列方式，根据不同的岩层应该选用不同的排列，比如钻极坚硬岩层的6-8度钻头就选用了等距排列的方式，增加了胎体端面表面金刚石的出刃面积同时能够避免拉槽现象的产生；放射状的排列则主要应用于钻进比较软的岩层的钻头，能够很好的进行冲洗液的循环加快岩屑的排除；螺旋状一般用于热压钻头的排列，该排列方式能够增加钻头的耐磨成都，使其钻进深孔方面有一定的优势。
钻具唇面上的排列
目前市场上销售的低价格的钻具一般都会采用低品级的金刚石，并且在金刚石含量上面做文章，使用20-30%的含量降低曾本，并且控制其排列方式使得在外观上很难看出其中的端倪，在钻进普通岩层是可能不会有很大的差异，但是遇到坚硬岩层往往会干钻不进！因此选购钻头不应该只看价格而忽视品质，应该购买的钻具。
提高热压烧结钻具品质的生产方法
热压烧结钻具问世要早于电镀金刚石钻头，早期在电镀技术还不成熟的期间，由于其能够高效的切削岩层完成钻探任务呗广泛应用。在上世纪90年代之后电镀钻头的出现彻底改变了钻探从业者对于钻头产品的认识，并且随着电镀技术的不断改进完善，现在的钻具不仅在进尺效率方面要远远高于热压烧结型钻头，并且耐磨性能与之媲美，但是在价格方面钻具优势明显，因此钻具已经在逐步取代热压烧结钻头。
钻具
但是在某些特殊钻探作业中，热压钻头还是有存在价值的。比如钻进钢筋混凝土类的地层，热压烧结钻头有一定的优势。为了能够使得热压钻头的耐磨性能以及稳定性更加完善，应该采取改变生产工艺和生产设备的方法来提高热压烧结金刚石钻头的品质。
1，钻具生产工艺的改善
目前国内主要采取以下两种工艺生产热压钻头：
工艺流程一：各种金属粉末（不还原）→混料→冷压成型→还原炉还原→呼吸式（充氮/真空）热压烧结机烧结
工艺流程二：各种金属粉末（不还原）→混料→造粒→还原炉还原→装模→呼吸式（充氮/真空）热压烧结机烧结
以上工艺的优点只是把粉末的前还原改为了后还原，但是性质发生了变化。在还原炉中，我们建议还原温度在600 ℃到650 ℃，属于高温还原。冷压成型的胚体，或者造粒的粉末在还原炉中，经历了300~400 ℃脱胶，400~500 ℃还原，此时鸡蛋壳已经没了，蛋壳已经变成了纳米级的单质金属颗粒，此时我们继续提高温度到650 ℃，赋予这些单质金属更高的活性，在原子层面上，金属元素的电子开始逃逸，与其他单质金属开始形成合金，从而得到一个稳定致密的合金保护层。
经过上述还原炉处理的胚体强度已经有所增加，抗氧化能力大大提高，在生产流转中虽有时间先后的差异，但二次氧化对这些胚体是微乎其微的，可以忽略不计。
2，钻具生产设备的改善
在热压烧结机中对刀头进行烧结的时候，由于冷压胚体密度较松，通常含有50%左右的空气， 在模具升温过程中，特别在300~500 ℃时，空气中的氧和胚体中的金属粉末发生着剧烈的氧化反应，非常容易对终制品造成伤害，且难以避免。
为了减少这部分空气数量，我们通常使用真空热压机。传统的真空热压机真空度不高，仅为10 000 Pa左右（常压为100 000 Pa），此时真空热压机内的氧含量为2000/100 000，在高温下微量的氧（1 /100 000）就会对制品造成氧化伤害。显然传统的真空热压机不能解决这个高温氧化的问题。但是进一步提高真空度，也是不可取的。在过高的真空下，低熔点的金属会挥发，造成制品组份的偏析。为了解决真空度既不能太高，氧含量又要很低这么一个环境要求，可以采用真空热压烧结机。
真空热压烧结机
在该机的真空箱内，采用了反复的抽真空充氮气（99.995%的氮气）的方式，通过多次稀释和排出，使得制品粉末中间的空气全部被高纯度的氮气所置换。此时可以使得氧含量达到1/100 000以下，钻具哪家便宜，以确保制品在烧结过程中几乎不被氧化。烧结出来的制品色泽光亮，金属化程度高，韧性接近纯金属。实际制备120 mm×60 mm×3 mm一个，为了检验其烧结品质，我们将其放在台虎钳上，用锤子打击折弯到90°，用放大镜检验，弯曲处没有任何裂纹；进一步再折弯，锤击使之达到180°（对折），再用放大镜检验对折处，仍旧没有发现疑似裂纹，直观地证明了该烧结制品已经接近纯金属。
在改进生产工艺和生产设备后，钻具在钻进复杂地层时不会出现掉齿和刚体破裂的情况，并且在钻进钢筋时切削速度惊人。由于热压钻头的生产效率比较低，人工和材料成本比较高，因此售价比较高，我们研究生产的2528度/研50金刚石钻头能够完全取代该类钻头，需要的朋友可以咨询我们。
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