硬质合金钻进的孔底碎岩过程

1）硬质合金钻进孔底过程的力学分析

分析硬质合金工具破碎岩石的孔底过程时，首先假定切削具在岩石中有一定的初始切入量。硬质合金钻头单个切削具的工作情况如图6-12所示。在轴向载荷P作用下切削具侵入岩石，在切削具刀刃上作用有岩石反作用力N1和N2。切削具沿与水平线成γ角的螺旋线移动：

图6-12　硬质合金钻头单个切削具的工作示意图

式中：vm——机械钻速，m/h；

v0——钻头圆周上切削具的线速度，m/s。

可以看出，v0≫vm，所以γ角非常小。反作用力N1和N2的方向垂直于切削具前棱面和后棱面。切削具移动时，沿棱面会出现摩擦力N1 tanφ和N2 tanφ，其中φ为切削具与岩石的摩擦角。

把图6-12中各作用力往垂直轴和水平轴上投影，建立平衡方程组：

由方程组式（6-2）中的第2个方程可得出N2：

改写式（6-2）中的第1个方程（推导过程从略），可得式（6-4）：

把由式（6-3）得到的N2值代入式（6-4）：

N1的值可由下式算出：

式中：Hy sinβ——切削具刃后棱面上的压应力；

h——切削具的吃入深度，mm；

b——切削具的宽度，mm。

由式（6-5）和式（6-6）可得：

切削具与岩石的摩擦角φ为15°～25°，所以，系数η的值在0.93～0.97之间变化。如果切削具不回转只压入岩石，则这种方式类似于压模压入岩石的情况。在这种情况下，可以在误差允许的范围内用岩石的压入硬度Hy来代替岩石强度σc的值。

式（6-7）从理论上确定切削具侵入岩石的深度h随着载荷P的增大而增大，随着岩石压入硬度Hy的增大而减小，随着切削具刃尖角β的减小而增大。但如果β角太小，切削具尖刃在遇到坚硬夹层时容易崩断，生产中β角一般取60°～80°，最小值为45°～50°。对于装有薄片状或针状硬质合金的自磨式钻头，因为β角等于90°，故不能采用式（6-7）。

图6-13　硬质合金切削具在双向力作用下破碎塑性岩石

2）塑性岩石的孔底破碎过程

如图6-13所示，在钻进塑性岩石的过程中，切削具前面的岩石在分力F的作用下不断产生塑性流动，并向自由面滑移，即所谓切削作用。这和软金属的切削加工没有多大区别，切削过程基本上是平稳的，水平力T变化不大。同时，切削具在塑性岩石中形成的切槽与刃宽基本吻合。

实际上，由于孔底钻具的振动和重复破碎，加之冲洗液的循环，塑性岩石被切削下来的岩屑不可能像金属切削那样成为连续的切屑，而是碎裂成岩粉被冲洗液带至地表。图6-13中的切入深度为h1，而不是图6-12中的h，这是由于在P和T的共同作用下比P力单独作用下切入更容易，故h1＞h。

3）弹-塑性岩石的孔底破碎过程

在实际生产中，硬质合金钻头的主要钻进对象是弹-塑性岩石。硬质合金切削具破碎弹-塑性岩石的机理虽与塑性岩石有相似之处，但更有不同的特点。(www.xing528.com)

从理论上讲，只有当切削具与岩石接触面上的压强达到或超过岩石的压入硬度时，才能有效地切入岩石。但是，弹-塑性岩石的压入硬度远大于塑性岩石，若仅靠Py力来形成h0的切深，则需要在切削具上施加很大的轴向压力。例如，硬石膏的塑性系数为2.9～4.3，属弹-塑性岩石，其压入硬度为1000～1500MPa，若用镶焊6块方柱状硬质合金的φ96钻头钻进，当切削具高度磨损1mm时，则算得要在钻头上施加48～72kN的轴压才能切入岩石。而在实际生产中，仅需加8～10kN左右的轴压便可在硬石膏中获得理想的钻速。究其原因，主要是切削具并非以静压入的方式破岩，而是在双向力的共同作用下破碎岩石。在切削具与岩石接触的地方，双向力Py、Px的合力R将使岩石中形成椭圆形等应力球面，在危险极值带形成裂纹并向深部和边缘延伸，形成镰刀状极限状态区。岩石剪切破碎就发生在切削具刃前受压区中最大应力超过抗剪强度的球面上。同时，由于Py力的作用，在切削具移过的地方将出现拉应力区，为下一轮剪切破碎奠定基础。实验表明，在Py和Px共同作用下岩石中的剪切作用比纯压入时要大得多。前面关于切削具侵入深度的公式（6-7）并未考虑这个因素，所以只能定性地反映切削具与孔底岩石相互作用的情况。

如果说塑性岩石破碎是以连续平稳的切削为主，那么弹-塑性岩石的破碎则有其显著特点，岩石在切削具作用下以跳跃式的剪切破碎为主（图6-14）。岩石破碎大体分3个阶段：

图6-14　切削具破碎弹-塑性岩石的过程示意图

（1）切削具在双向力作用下吃入岩石，使刃前岩石沿剪切面破碎，Px力减小，继续前移，碰撞刃前岩石[图6-14（a）]。

（2）切削具刃前接触岩石的部分面积很小，对前方岩石产生较大的挤压力，压碎刃前的岩石，随着Px力增大，使岩石产生小的剪切破碎[图6-14（b）]。继续向前推进可能重复产生若干次小剪切，碎裂的岩屑向自由面崩出[图6-14（c）]。

（3）当切削具前端接触岩石的面积较大时，前进受阻。一方面切削具继续挤压前方的岩石（部分被压成粉状）；另一方面Px力急剧增大，当Px力达到极限值时，迫使岩石沿剪切面产生大的剪切破碎，并在刃尖前留下一些被压实的岩粉，然后Px力突然减小[图6-14（d）]。

切削具不断向前推进，重复着碰撞、压碎、小剪切、大剪切的循环过程。在每次循环中，切削具两侧的岩石也会和刃前岩石一样，分别产生一组相近似的小剪切体和大剪切体，使切槽断面近似于梯形[图6-14（e）]。由于剪切过程发生在孔底局部夹持和小剪切、大剪切交替出现的条件下，故孔底和切槽边沿都是粗糙不平的，而且有规律地变化着。当数次小剪切使槽壁也产生侧崩时，便改善了切削具的夹持状态，为大剪切创造了条件，如图6-14（f）、（g）所示。图6-14（f）中b为切削具刃宽，B1为大剪切时岩石的切槽宽。整个破碎过程沿着倾角为γ的螺旋面进行。必须指出，由于切削具切入弹-塑性岩石的深度非常有限，所以γ是一个接近于0的很小角度。图6-14（g）中只是为了便于解释孔底过程，才将γ角画得较大，请读者不要误解。

综上所述，用切削具破碎弹-塑性岩石时，在每个剪切循环中和各个循环之间，水平力Px都是跳跃式的有规律地变化着（图6-15）；而在塑性岩石中，水平力Px则没有显著的变化，基本上可以认为是常量。

图6-15　水平力的跳跃过程示意图

4）组合切削具产生的预破碎区对钻进效果的影响

前人在研究孔底岩石破碎机理时，多是以一个切削具为观察对象来研究在外载作用下岩石内部的应力、应变规律和岩石破碎的机理。而在钻探生产中，每个钻头上必然有若干个（组）切削具。因此，研究组合切削具破碎岩石时，预破碎区对钻进效果的影响，更具有重要理论意义和实用价值。

图6-16　两个切削具共同作用下岩脊中生成贯通式裂纹的示意图

乌克兰学者曾在实验室用一组切削具同时作用于岩块进行钻进试验，当切削具之间的间距Ty达最优值时，由于多个切削具产生的预破碎区裂纹相互贯通，使两个相邻切削具之间的岩脊不用消耗附加能量就能被破碎（图6-16）。因此，在多个切削具的共同作用下岩石破碎的能耗明显下降。

图6-17　预破碎区深度hy与切入深度hp的关系

1—砂岩；2—光学玻璃

为了研究切入深度与预破碎区深度的关系，曾在光学玻璃和砂岩上进行切削破碎试验。其中，用光学玻璃来模拟花岗岩或石英岩类的弹-脆性岩石，它的预破碎区用肉眼就可以直接观察到；而砂岩中的预破碎区则需用裂纹荧光分析法作为观察手段。

砂岩和光学玻璃中预破碎区深度hy与切削具切入深度hp之间的关系如图6-17所示。可见，砂岩预破碎区深度hy是切入深度hp的2～3倍；而光学玻璃的增长幅度更大，达5～8倍，这与其具有明显的弹-脆性有关。图6-18显示，在各向同性的光学玻璃中，切入深度hp达2mm时预破碎区深度hy已近14mm。

图6-18　玻璃试样切口深2mm时出现的预破碎区达14mm深

由多次切削砂岩的实验结果可以看出，由于前一个切削具产生的预破碎区裂纹相互贯通，使岩石强度和破碎能耗明显下降。因此，设计钻头时必须根据所钻岩石的实际情况选择最优的切削具间距，使后一个切削具的切削作用能与前面切削具形成的预破碎区产生相互作用，使岩石破碎的能耗最小。

上述关于组合切削具预破碎区对钻进效果影响的研究思路及其结果，同样适用于复合片（PDC）钻头和金刚石钻头。