一种适合于石油钻井地层岩石研磨性测定的标准磨损件

摘要

本发明涉及一种适合于石油钻井地层岩石研磨性测定的标准磨损件。其技术方案是：标准磨损件设计为微型取心钻头结构，由研磨部件和钢体连接部件组成，其中，研磨部件由酚醛树脂基体材料和人造多晶金刚石磨削材料组成，标准磨损件采用热压工艺一体化烧结合成，加工修整后通过钢体连接部件连接到试验装置主轴上。其有益效果是：具有合理的耐磨性能和很好的自锐性能，能够有效地钻进岩石，同时自身产生磨损量，反映了实际钻井过程中金刚石钻头的磨损实质；结构设计小巧，配套试验装置简单，操作方便，技术条件稳定，在满足模拟金刚石钻头动态研磨破岩过程的条件下，大大减少了试验岩样或现场岩心的消耗，节约了试验成本。

说明书

技术领域

本发明涉及石油钻井破岩工具及磨具磨削技术领域，特别涉及一种适合于石油钻井地层岩石研磨性测定的标准磨损件。

背景技术

在石油钻井中，金刚石钻头的应用越来越广泛，在钻头消耗中所占的比重日益增大。在金刚石钻头研磨破岩过程中，动态摩擦磨损是钻头的主要磨损方式，岩石研磨性对金刚石钻头的磨损有着十分重要的影响。在岩石研磨性试验评价方面，地质和探矿行业做了很多的研究工作，而石油行业对这方面的研究较少。地质和探矿工程所遇的岩石以火成岩和变质岩为主，岩石硬度大，研磨性强，但变化范围小，而石油钻井的工作对象主要是沉积岩，岩石硬度差别大（100～5000MPa），研磨性变化范围大（泥岩和泥页岩的研磨性极小，而石英砂岩的研磨性很高）。地质和探矿行业建立的岩石研磨性研究方法及选用的磨损件并不适用于石油行业。

研究岩石研磨性的方法可粗分为铣磨法和钻孔法，磨损件大多采用青铜棒、低碳钢棒、钢钉、硬质合金、铜针、铝弹、金属环和金属钎头等材料。几年来，针对石油钻井地层岩石研磨性测定方法及磨损件选用开展了大量的探索性研究工作，选择了几种硬度和研磨性差别较大的岩石，用不同的金属作为试件材料，通过设计试件形状和尺寸参数，在改装的钻铣床上进行了岩石研磨性试验，发现采用金属试件进行研磨性试验时，金属材料容易产生粘连现象，试件虽然有磨损，但是磨损的金属碎屑通常附着在试件边沿，不容易脱落，试验误差较大；当钻磨花岗岩等硬岩石时，试件在岩石表面打滑，吃不进岩石，容易造成试件和岩石摩擦表面抛光。金属试件的磨损不能反映金刚石钻头破岩过程的磨损实质，并不适合于石油钻井地层岩石研磨性的测定。

随后根据粉末冶金理论，通过试验手段，选用粉末材料和金刚石，按一定的配方比例热压合成磨损件，对几种石油钻井地层代表性岩石进行研磨性试验，取得了较好的效果，但是在研磨岩石过程中试件容易发生崩断损坏，需要在试件胎体配方优化、金刚石浓度和粒度优选、热压工艺参数优化等方面开展进一步的研究工作。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种适合于石油钻井地层岩石研磨性测定的标准磨损件，从而测定和评价石油钻井地层岩石的研磨性，以指导实际钻井过程中钻头的合理使用。

本发明提到的一种适合于石油钻井地层岩石研磨性测定的标准磨损件，其技术方案是：包括研磨部件（1）和钢体连接部件（2），研磨部件（1）为圆筒形结构，且顶部设有多个水槽（1.1），且研磨部件（1）和钢体连接部件（2）内外间隙为1mm，所述的钢体连接部件（2）为圆筒形结构，顶部设有锯齿形结构（2.1），底部为外螺纹（2.2），通过顶部的锯齿形结构（2.1）与研磨部件（1）相配合；其中，研磨部件（1）由胎体材料和人造多晶金刚石磨削材料组成。

上述的研磨部件（1）的胎体材料由以下成分制成：酚醛树脂55%、铜锌40合金粉25%、三氧化二铬5%、碳化硅5%、氧化铝4%、氧化镁3%、磷粉2%、空隙1%组成，上述百分比均为体积百分比，各组分粉末的粒度均为200目~300目；

上述的人造多晶金刚石磨削材料采用金刚石，粒度为60目~80目。

本发明提到的适合于石油钻井地层岩石研磨性测定的标准磨损件，其制备步骤如下：

（1）先加工装模热压用的钢体连接部件胚体；

（2）取酚醛树脂填充材料，放入100℃恒温箱内，加热烘干1~2小时；

（3）取人造多晶金刚石磨削材料，每克金刚石中加入0.1ml三乙醇胺润湿剂，混拌均匀后加入到酚醛树脂材料中，混料均匀得混合料；

（4）取所述含量的铜锌40合金粉、三氧化二铬、碳化硅、氧化铝、氧化镁和磷粉，与混合料放入混料机中均匀混料10~12小时，得研磨部件混合料；

（5）在钢模内壁涂抹硬脂酸锌作为脱模剂，将研磨部件混合料均匀投入钢模内并刮平，装配钢体连接部件胚体，置于中频热压机上热压成型，压力为8MPa，热压温度为180℃，保温保压1小时，最终固化温度为190℃，冷却脱模后得标准磨损件胚体；

（6）将脱模后的标准磨损件胚体在车床上加工修整，得标准磨损件成品。

本发明提到的一种适合于石油钻井地层岩石研磨性测定的标准磨损件：通过旋转加压组件（1）、位移测量组件（2）、标准磨损件（3）、岩样加持组件（4）、岩样或现场岩心（5）、圆盘增压组件（6）、冷却清洗组件（7）和基座（8）组成磨损实验装置进行应用，标准磨损件（3）安装在旋转加压组件（1）的下端，旋转加压组件（1）的一侧安装圆盘增压组件（6），一侧装有位移测量组件（2），所述的标准磨损件（3）的一侧安装有冷却清洗组件（7）；标准磨损件（3）的下方设有岩样或现场岩心（5），岩样或现场岩心（5）通过岩样加持组件（4）固定在基座（8）上。

本发明的有益效果是：

（1）本发明的适合于石油钻井地层岩石研磨性测定的标准磨损件，研磨部件胎体中以铜锌40合金粉为主要结合剂材料，具有良好的低温韧性，可以降低标准磨损件的硬度，提高标准磨损件的易磨损性能；加入碳化硅，可以提高标准磨损件的散热效果，避免人造多晶金刚石的损伤；加入少量的磷元素，可以活化热压作用，降低热压温度，保证金刚石的强度；预留少许空隙，可以增强热压过程中粉末的流动过程，避免材料粉末溢出；在人造多晶金刚石中滴加三乙醇胺润湿剂，可以显著提高胎体对人造多晶金刚石的包镶强度；热压过冲中，在水槽位置上填补相同形状尺寸的高强度石墨贴块，高强度石墨贴块耐高温性良好，并且与胎体材料粉末不发生反应，便于脱模后水槽的定型加工；在钢模内壁涂抹硬脂酸锌脱模剂，可以实现标准磨损件的顺利脱模，保证标准磨损件的规范性；

（2）本发明的适合于石油钻井地层岩石研磨性测定的标准磨损件，研磨部件在试验规程下研磨钻进岩石，并以一定排量的清水冷却标准磨损件和清洗岩屑。人造多晶金刚石具有很高的硬度，能够提高标准磨损件吃入硬岩石的能力，胎体具有一定的耐磨性，能够与人造多晶金刚石的磨损相匹配，当磨钝的人造多晶金刚石脱落后，支撑该部分人造多晶金刚石的胎体磨损剥落，促使镶嵌在胎体中的新的人造多晶金刚石不断出露，这样既可以保证人造多晶金刚石的有效出露，又可以避免胎体磨损过快造成人造多晶金刚石过早剥落，如此循环，标准磨损件不断地研磨钻进岩石，同时自身产生磨损量，能够反映实际钻井过程中金刚石钻头的磨损实质；

（3）本发明的适合于石油钻井地层岩石研磨性测定的标准磨损件，胎体强度适中，配以人造多晶金刚石作为磨削材料，在软地层岩石中有明显的磨损量，在硬地层中能够有效地吃入岩石，即在软到坚硬地层岩石中都能能效地吃入岩石，并且磨损量明显；对于同一种岩石，标准磨损件在相同试验规程下的试验结果变化波动很小，试验条件稳定，标准磨损件可重复性试验效果好；对于不同的岩石，标准磨损件的试验结果差别明显，分辨度高，对石油钻井地层不同硬度岩石研磨性的测定具有很强的针对性。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图；

附图2是本发明的俯视图；

附图3是本发明的钢体连接部件的结构示意图；

附图4是本发明应用时的安装结构示意图；

上图中：旋转加压组件1、位移测量组件2、标准磨损件3、岩样加持组件4、岩样或现场岩心5、圆盘增压组件6、冷却清洗组件7和基座8。

具体实施方式

结合附图1-4，对本发明作进一步的描述：

本发明提到的一种适合于石油钻井地层岩石研磨性测定的标准磨损件，其技术方案是：包括研磨部件1和钢体连接部件2，研磨部件1为圆筒形结构，且顶部设有多个水槽1.1，研磨部件的外径为25mm，高度为5mm，唇面厚度为5mm，水槽宽度为5mm，且研磨部件1和钢体连接部件2内外间隙为1mm，所述的钢体连接部件2为圆筒形结构，顶部设有锯齿形结构2.1，底部为外螺纹2.2，通过顶部的锯齿形结构2.1与研磨部件1相配合；其中，研磨部件1由胎体材料和人造多晶金刚石磨削材料按3:1的比例组成。另外，标准磨损件采用热压工艺一体化烧结合成，加工修整后通过钢体连接部件连接到试验装置主轴上。

上述的研磨部件1的胎体材料由以下成分制成：酚醛树脂55%、铜锌40合金粉25%、三氧化二铬5%、碳化硅5%、氧化铝4%、氧化镁3%、磷粉2%、空隙1%组成，上述百分比均为体积百分比，各组分粉末的粒度均为200目~300目；

上述的人造多晶金刚石磨削材料采用金刚石，其金刚石的质量百分比浓度为25%，粒度为60目~80目。

本发明提到的适合于石油钻井地层岩石研磨性测定的标准磨损件的制备方法，其制备步骤如下：

（1）先加工装模热压用的钢体连接部件胚体；

（2）取酚醛树脂填充材料，放入100℃恒温箱内，加热烘干1~2小时；

（3）取人造多晶金刚石磨削材料，每克金刚石中加入0.1ml三乙醇胺润湿剂，混拌均匀后加入到酚醛树脂材料中，混料均匀得混合料；

（4）取所述含量的铜锌40合金粉、三氧化二铬、碳化硅、氧化铝、氧化镁和磷粉，与混合料放入混料机中均匀混料10~12小时，得研磨部件混合料；

（5）在钢模内壁涂抹硬脂酸锌作为脱模剂，将研磨部件混合料均匀投入钢模内并刮平，装配钢体连接部件胚体，置于中频热压机上热压成型，压力为8MPa，热压温度为180℃，保温保压1小时，最终固化温度为190℃，冷却脱模后得标准磨损件胚体；

（6）将脱模后的标准磨损件胚体在车床上加工修整，得标准磨损件成品。

本发明提到的一种适合于石油钻井地层岩石研磨性测定的标准磨损件的应用：通过旋转加压组件1、位移测量组件2、标准磨损件3、岩样加持组件4、岩样或现场岩心5、圆盘增压组件6、冷却清洗组件7和基座8组成磨损实验装置，标准磨损件3安装在旋转加压组件1的下端，旋转加压组件1的一侧安装圆盘增压组件6，一侧装有位移测量组件2，所述的标准磨损件3的一侧安装有冷却清洗组件7；标准磨损件3的下方设有岩样或现场岩心5，岩样或现场岩心5通过岩样加持组件4固定在基座8上。

另外，选定灰板岩、绿板岩、石灰岩、白云岩、花岗岩、大理石、红砂岩、中砂岩、黄砂岩和石英砂岩等十种石油钻井地层代表性岩石作为试验岩样。

为了完善试验装置的动态破岩模拟功能，在ZXTM-40型号钻铣床的结构基础上对其进行改装，实验装置由旋转加压组件、圆盘增压组件、位移测量组件、岩样加持组件、冷却清洗组件和基座等部分组成，如图4所示。为了满足标准试件有效地钻进岩石，并且始终处于正常的研磨状态，保证试验的规范化，选定试验规程为：钻压50kg；转速198r/min；使用排量为0.2L/s的清水作为冷却循环介质。

使用本发明的标准磨损件进行岩石研磨性试验，在固定的实验规程下，测定了标准磨损件在十种代表性岩石上的钻进深度和磨损质量，试验结果见表1。对于同一种岩石，标准磨损件在相同试验规程下的试验结果变化波动很小，试验条件稳定，标准磨损件可重复性试验效果好；对于不同的岩石，标准磨损件的试验结果差别明显，分辨度高。

表1石油钻井地层代表性岩石研磨性试验结果

为了反映不同性质的岩石对标准磨损件的研磨强度，以标准磨损件研磨破碎单位体积岩石的磨损体积作为评价岩石研磨性的指标。由表1可以看出，对于不同的岩石，石油钻井地层代表性岩石的研磨性指标的变化范围为0.80～45.78，最大值是最小值的57倍左右，差别明显，梯度较大，采用公比为2的等比级数分级方法，将石油钻井地层岩石的研磨性分为了六级，见表2所示。

表2石油钻井地层岩石研磨性分级

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明的适合于石油钻井地层岩石研磨性测定的标准磨损件，具有合理的耐磨性能和很好的自锐性能，能够有效地钻进岩石，同时自身产生磨损量，反映了实际钻井过程中金刚石钻头的磨损实质。

（2）本发明的适合于石油钻井地层岩石研磨性测定的标准磨损件，在相同试验条件下的试验结果变化波动很小，试验条件稳定，标准磨损件可重复性试验效果好；对于不同的岩石，标准磨损件的试验结果差别明显，分辨度高，对石油钻井地层不同硬度岩石研磨性的测定具有很强的针对性。

（3）本发明的适合于石油钻井地层岩石研磨性测定的标准磨损件，结构设计小巧，配套试验装置简单，操作方便，技术条件稳定，在满足模拟金刚石钻头动态研磨破岩过程的条件下，大大减少了试验岩样或现场岩心的消耗，节约了试验成本。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。