摘要
本文以金刚石单晶孕镶柱为研究对象，为了确定不同金刚石参数下孕镶柱的耐磨性能，设计了多级金刚石单晶孕镶柱的耐磨性对比试验。通过试验初步得到如下结论：以20/25+35/40+60/70三级目数级配的金刚石孕镶柱磨耗比数值相对较高，双倒角结构的设计能够将金刚石孕镶柱的耐磨性提高3倍左右。将该孕镶柱作为副齿镶嵌在Ø152 mm和Ø215.9 mm复合片全面钻头上，分别进行了2支钻头的钻进测试，得到了钻头钻进效率较快，磨损极其轻微的结论。本文研究的孕镶柱在工程上具有较大应用潜力，期望为钻探工具材料设计和选择提供参考。
随着常规油气及非常规油气勘探开发不断向地球深部发展，钻井难度大、周期长等问题突显。深井、超深井地层复杂，岩石坚硬、研磨性强，地层可钻性差，导致钻井机械钻速很低。因此，迫切需要研发更加高效的新型钻头。近年来，越来越多的研究人员相继开展了新型钻头的研究，如PDC异型齿钻头、PDC+孕镶复合钻头、混合钻头
将预合金粉末与金刚石按设计方案进行配置，采用等静压高强度致密石墨模具，通过RYJ-2000型热压机进行热压烧结成型。烧结温度800 ℃，保温时间5 min，空气中自然冷却。烧结试样尺寸如
图1 孕镶柱示意
Fig.1 Diagram of the impregnated column
使用同一种预合金粉末烧结的孕镶柱，影响其耐磨性的主要因素是金刚石参数，所以据此设计了12组对比实验，如
| 组号 | 表镶目数 | 孕镶目数 | 金刚石浓度/% |
|---|---|---|---|
| 1 | 10/12 | 20/25+35/40+60/70 | 100 |
| 2 | 10/12 | 20/25+35/40+60/70 | 90 |
| 3 | 10/12 | 20/25+35/40+60/70 | 80 |
| 4 | 10/12（天然） | 20/25+35/40+60/70 | 90 |
| 5 | 10/12 | 35/40+60/70 | 90 |
| 6 | 10/12 | 20/25+35/40 | 90 |
| 7 | 10/12 | 20/25+60/70 | 90 |
| 8 | 无 | 20/25（天然） | 90 |
| 9 | 无 | 20/25 | 90 |
| 10 | 无 | 35/40 | 90 |
| 11 | 无 | 60/70 | 90 |
| 12 | 10/12 | 20/25+35/40+60/70 | 90 |
注： 未说明天然的金刚石均为人造金刚石，12号为双倒角结构。
图2 孕镶柱耐磨性测试试样
Fig.2 Test samples of impregnated columns for wear resistance
| 组号 | 磨耗比值 | 备注 |
|---|---|---|
| 1 | 23376.59 | 1308圆柱 |
| 2 | 15202.60 | 1308圆柱 |
| 3 | 14887.41 | 1308圆柱 |
| 4 | 82218.92 | 1308圆柱 |
| 5 | 8740.30 | 1308圆柱 |
| 6 | 11153.32 | 1308圆柱 |
| 7 | 7588.82 | 1308圆柱 |
| 8 | 4843.94 | 1308圆柱 |
| 9 | 16802.24 | 1308圆柱 |
| 10 | 15898.19 | 1308圆柱 |
| 11 | 1625.76 | 1308圆柱 |
| 12 | 62750.93 | 1308双倒角柱 |
由
图3 1～3号孕镶柱磨耗比柱状图
Fig.3 Wear ratio of No.1~3 impregnented columns
观察
将
图4 金刚石单晶形貌
Fig.4 Morphology of diamond single crystal
对比
9~11号为相同浓度下，不同目数的孕镶柱磨耗比数据，如
图5 9～11号孕镶柱磨耗比柱状图
Fig.5 Wear ratio of No.9～11 impregnented columns
根据
观察
结合上述孕镶柱的耐磨性试验研究结果，采用4号组合孕镶柱作为副齿镶嵌在全面钻头PDC尾部后衬（布齿示意图见
图7 布齿示意
Fig.7 Schematic diagram of teeth arrangement
图8 复合钻头碎岩示意
Fig.8 Compound bit crushing the rock
图9 孕镶柱加强型复合钻头
Fig.9 impregnated column reinforced compound bit
应用Ø152 mm常规1308复合片+孕镶柱复合结构的全面钻头在砂岩块体进行了台架钻进试验，试验结果显示该常规复合片+孕镶柱加强型复合钻头在钻压40 kN、转速20~40 r/min的钻进参数条件下，钻进砂岩试块，10 min进尺2 m，所钻岩屑大小均匀，颗粒尺寸6~15 mm（
图10 试验用砂岩块和钻出的岩屑
Fig.10 Test sandstone blocks and drilled cuttings
应用1308奔驰齿+孕镶柱复合结构的Ø215.9 mm全面钻头在花岗岩体中进行了钻进试验（
图11 钻进试验现场情况
Fig.11 Drilling test site situation
图12 钻头出井后照片
Fig.12 Photos of drill bit after drilling
根据上述的两次钻进试验可知，复合钻头在砂岩体中钻进的平均机械速度可达到12 m/h，在花岗岩中平均机械钻速可达到3 m/h；钻进试验结束后，观察钻头可发现其前端复合片没有磨损，后衬孕镶柱有轻微磨损，可见复合片+孕镶柱的切削结构起到了很高的岩石破碎作用，同时布齿低于复合片的孕镶柱有磨损，复合片却没有磨损，说明后衬孕镶柱对前排复合片起到一定的保护作用。
通过对多级金刚石单晶孕镶柱的耐磨性研究，分析了金刚石参数对孕镶柱磨耗比的影响，进而得到最优的参数配方，并由此进行了实钻试验，验证了试验结果。
（1）金刚石浓度越高，金刚石孕镶柱耐磨性越高。表镶大颗粒天然金刚石可较大幅度提高孕镶柱的耐磨性，其磨耗比数值是相同目数人造金刚石的5.4倍。
（2）以20/25+35/40+60/70三级目数级配的金刚石孕镶柱的磨耗比数值较两级目数级配更高。
（3）双倒角结构的设计，能够将金刚石孕镶柱的耐磨性提高约3倍。
（4）由复合片与孕镶柱加强型的复合片全面钻头在砂岩和花岗岩的钻进中，平均机械钻速均较快，且后排的孕镶柱对前排复合片有一定的保护作用。
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