Question

钻探工具研究

Answer 1

在钻探工具方面，国外主要是围绕WL钻探技术进行研究和发展，重点在钻杆和钻头 上开展研究工作，并取得了很大发展。对钻杆的研究主要集中在选择优质钢材和科学的热 处理方法、确定合理的钻孔级配及钻具的几何尺寸、研究钻杆强度及连接螺纹的可靠性等 方面。国外钻杆一般采用无接头方式，在钻杆上直接车螺纹，除此之外，WL钻具结构国 内、外没有明显的差别，但在材质、加工、热处理等方面，国外远远超过我们。为实现深孔、高速钻进，使管材能够承受更大的扭、压、弯、拉等复杂交变应力并具有高耐磨性、抗腐蚀性，同时满足金刚石WL钻探技术要求，所用管材的强度、韧性和加工精度大大提 高，并采取形变热处理和余热淬火新工艺严格处理。国外最具代表性的WL钻具、钻杆是 美国Longyear Co.研制的Q系列钻具，包括Atlas Copco、UDR等国际著名WL钻具、钻杆，均采用德国VM公司生产的专用管材，其特点是晶相均匀、杂质含量低，脱硫、脱磷较彻 底，强度虽然不比国产的高，但柔韧性、抗疲劳强度及延伸率均比国产的好，同等情况下 可采用小一级口径施工，有利于提高效率，降低成本。目前，一些发达国家W1钻杆的使 用寿命可达10000～30000m，高强度系列NRQHP规格钻杆极限钻探深度可达3000m^{［33，34］}。

在我国，由于受整体工业技术水平的制约，国产WL钻具存在材质不佳、加工质 量差、易折断和脱扣等问题，不能很好地满足深孔施工的需要。我国WL钻杆寿命只有 5000～7000m，其强度更是难以满足深孔及高转速需要，钻杆折断事故时有发生。国外 固体矿床WL钻探的最大孔深已超过5000m，而我国国产WL钻具的最大孔深还未达到 2000m。国外WL钻探平均台月效率已超过1000m，而我国WL钻探平均台月效率还不到 600m^［33］ 。

近年来，随着地质工作的加强，为适应深部找矿钻探的需要，国内很多科研院所、大 专院校和生产单位又开始加强了这方面的研究工作。吉林大学建设工程学院运用现代先进 CAE技术对金刚石WL钻具的结构、钻杆接头螺纹进行了优化研究，并与厂家合作成功研 制出重型（加强型）WL钻杆，成功地应用于生产实践并产生了显著的经济效益。唐山市 金石超硬材料有限公司等厂家也研制生产了重型钻具，采取增加钻杆接头螺纹根部的壁 厚，提高钻杆接头螺纹根部的强度，在生产实践中取得了较好的效果。

国外对钻头也进行了深入研究，目前主要集中在延长钻头寿命方面。除优选金刚石、采取先进加工工艺外，还研制了超高胎体金刚石钻头，有效地提高了钻头寿命和钻进效 率。国外钻头寿命最高超过1000m；最高时效达到11m^［33］。

在金刚石钻头方面，国内做了很多研究。首先，针对坚硬致密弱研磨性岩层钻进时钻 头“打滑”问题进行了多方面的研究，一是提高金刚石强度、粒度，降低金刚石浓度；改 变胎体耐磨性；优化钻头底唇面形状与结构；增加钻头水口数目等。二是研究了很多金刚 石钻头人工出刃的方法，如打磨法、喷砂法、唇面酸蚀法、孔底投砂研磨法等；三是研制 了各种克服打滑的钻头，如软胎体钻头、异形唇面钻头（高低刃及同心圆尖齿唇面钻头 等）、电镀金刚石钻头、弱包镶法金刚石钻头、“二合一型”金刚石钻头等。其次，为提高 钻进效率，延长钻头寿命，研制了新型镶齿式金刚石钻头、金刚石复合片（PDC）钻头、仿生金刚石钻头^［35］等。在克服“打滑”地层钻进、提高钻进效率、延长钻头寿命等方面都 取得了一定的成果。但是，尽管如此，我国对金刚石钻头的研究还很不够，特别是在提高 钻探效率、钻头寿命以及克服钻头打滑方面真正适用、有效的技术还很缺乏，加之金刚石 钻头加工工艺落后，所用金刚石品级不高，不仅钻进效率低，而且金刚石钻头寿命短，国 产金刚石钻头时效最高仅达到7m，特别是钻头寿命在中硬—硬岩地层平均不到40m^［17］，与 国外存在较大差距，是目前制约我国钻探效率和深孔钻探能力的一个突出问题，非常不利 于深孔钻探。