(一)钻眼过程
旋转式钻眼过程是刀具(钻头)在轴压力和回转力作用下完成的。切削型钻头的运动轨迹是螺旋线推进,以直线运动和旋转运动相结合为基础。
切削破碎岩石的过程:以钻头的钻刃与岩石作用的过程来分析(见图 2.3)。切削刃具在轴向力作用下切入岩石一定深度后,在水平力作用下切削前方的岩体。其过程大致可分为以下4 个阶段:
(1)变形阶段[见图2.3(a)]:刀尖接触岩石,以一定能量作用岩体,刃面与岩石接触边缘处发生最大应力。
(2)裂缝发生和小体积破碎[见图2.3(b)]:切削力增加,E、F 处拉应力超过岩石抗拉强度而发生裂缝,在B 处剪应力超过岩石抗剪强度,产生断裂,错动。在岩体的表面处将有小体积的岩块崩落。
(3)切削核(主压力体)形成[见图2.3(c)]:随切削力增加,剪切裂缝扩展到自由面与赫兹裂缝相交,已破碎的部分岩石被刃体挤压成高密度、高压力的切削核,并通过切削核对岩石施加压力,一部分已碎岩块以很大速度崩出。
(4)大剪切体断裂[见图2.3(d)]:切削力继续增加,压力超过刃具前方的岩体的抗剪强度时,发生大剪切体的断裂,原来在刃具储存的弹性能突然释放,已碎的岩块也以很大速度崩出,刃具突然切进,切削力瞬间下降,完成一次跃进式的切削循环。
刃具切入岩石时,最初是小面积接触,先切下小碎块,切削力也小。而小块形成的瞬时,切削力略有下降。随着接触面增大,切削力增大,破碎的块度也相应加大,经过若干个小碎块破碎后,导致大块破碎的形成,在大块断裂的瞬间,切削力立即下降到零。刃具的切削又重新开始。
图2.3 岩石的破碎过程
(二)切削破碎的力学分析
以图2.4 的钻头受力情况做如下分析:P1 为垂直方向的轴推力,P2 为水平方向的切削力。岩石的抗压入强度R 要阻碍钻头的垂直压入,割刃前方有Q 力阻碍钻头的转动。钻头与岩石之间产生有垂直方向的摩擦阻力fQ 和沿切削面的摩擦阻力fN。γ 为切削面的倾斜角,α 为切削角,β 为前刃面与破碎面的夹角。一般α+β=常数,为岩石的破碎角。
据此,按力学平衡关系,可得
式中 f——钻头与岩石间的摩擦系数。
图2.4 钻头受力图
一般γ 角较小,因而cosγ=1,sinγ=0。所以式(2.5)、(2.6)可简化为
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Q 为切削刃前岩石断裂面上的阻力,取决于岩石的抗剪强度和形成大剪切体的断面面积。切削钻进时,要克服岩石的抗压入强度和抗剪切强度,岩石的抗剪强度远比抗压强度小,因此,通常 P2 小于 P1。此时,摩擦力fN 很大,而fQ 较小,而且fN 是分布在较小的面积上,而fQ 是分布在较大面积上,所以钎头的割刃边缘和后刃面处要比割刃前面磨损严重。
Q 值大小与切入深度有关。当R 足够大时,切入深度h 亦大,割刃前方阻力Q 也相应增大。由此可见,轴压力 P1 取决于下列因素:岩石的抗压强度和抗剪强度、切削厚度、钻头直径和钻头刀翼数目。切削力 P2 主要取决于切削厚度、钻头直径和钻翼数目、钻头与岩石的摩擦系数。
影响切削力的因素可做如下分析:
(1)切削厚度h。试验表明,切削力和切削厚度有如下关系:
式中 Kc——比例系数,即单位切削阻力,反应了岩石切削特性;
n——实验指数,不同研究者,所得n 有不同值。一般认为n=1,切削力与切削厚度成正比。
(2)切削角。根据岩石性质,切削角可有3 种情况。随着刃面倾斜程度不同,相对于破碎面的合力方向也不同。当α < 90°时,合力向着暴露表面,刃前的岩体多在拉伸变形下破碎。当α > 90°时,合力指向岩体内部,此时刃前的岩体处于挤压变形,需要在较大的切削力下破碎。切削力与切削角的关系如图2.5 所示。
图2.5 切削力与切削角的关系
影响旋转式钻速的因素:
轴推力和转速对钻速都有一定影响。切削钻进不同于冲击式钻眼,它需要较大的轴推力以保持钻头侵入岩石一定深度。
轴推力P 与钻速v 的关系:
式中 k——比例系数,与曲线倾斜角有关;
P′——切削初始推力,与岩石坚固性系数有关。P′=35f(f 为岩石坚固性系数)。
k 值随岩石坚固性而变化,当f=2~6时,k=(10~1.35)f。当f=6~16时,k=(3.1~ 0.19)f。
一般在推力一定时,每一推力下有一个最优转速,在该转速下可得到一个最优钻速。
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