金刚石钻进的孔底碎岩过程-《工程钻探与取样技术》

1）金刚石钻进孔底过程的力学分析

单粒金刚石吃入并破碎弹-脆性岩石的过程如图6-30所示。在金刚石上作用着轴向载荷Py和保证其沿孔底位移的切向力Px，这时金刚石吃入岩石深度为h。

钻头每转一圈金刚石的切入深度h取决于机械钻速和钻头转速，可写出下式：

图6-30　细粒金刚石破碎岩石示意图

式中：k——反映与岩石接触的钻头唇面上金刚石分布状况的系数；

Vm——机械钻速，mm/min；

n——钻头转速，r/min；

m——钻头唇面上的金刚石粒数。

设金刚石侵入岩石时遇到的吃入阻力和正面切削阻力为Ny和Nx，切削具切入岩石的阻力可表示为：

式中：S0——切削具切入岩石时岩石的承压面积，即球冠AOB的表面积（据数学公式球冠表

面积=2πRh，其中R为球的半径；h为球冠高度）；

Hy——岩石的压入硬度；

d——金刚石粒径，mm。

岩石抵抗切削具位移的阻力等于：

式中：S1——金刚石刃前被剪切破碎的岩石面积，即球冠AOB表面积一半，mm2；

σck——岩石的抗剪强度，MPa。

金刚石将在合力R作用下切入岩石：

代入Ny、Nx的值，得：

于是由式（6-16）可得：

考虑到式（6-12）中的h值，则有：

同时，考虑到金刚石的颗粒很小（即钻头的切削具出刃很小），可以接受Rm=P（其中P为钻头上的轴向载荷）。于是：

所以，金刚石钻头破碎岩石的效果取决于钻探规程参数：钻头转速n、金刚石颗粒平均直径上的载荷P/d、钻头唇面上金刚石的分布系数k及岩石的强度，主要是岩石的压入硬度Hy，岩石的抗剪强度σck次之。

2）表镶金刚石钻头的孔底碎岩过程

表镶金刚石钻头的岩石破碎过程取决于岩石的力学性质和金刚石的几何形状等因素。钻进坚硬的脆性岩石时，主要的破碎形式是岩石被压皱和压碎，在弹-塑性岩石中占优势的将是切削过程。

单粒金刚石切入时，岩石破碎的实际深度hp超过了金刚石的侵入深度hp1（图6-31）：

式中：kp——系数，取决于岩石的性质（如表6-14所述）。

表6-14　系数kp的数值

图6-31　单粒金刚石侵入岩石示意图

1—金刚石；2—胎体；3—岩石；h3—胎体与孔底间的间隙；hB—金刚石在胎体上的出刃；hp—岩石破碎的实际深度；hp1—金刚石侵入岩石的深度(www.xing528.com)

当金刚石沿坚硬和弹脆性岩石表面移动时，岩石破碎过程中往往伴有压皱和碾压作用。由于岩石被剪切的瞬间金刚石接触点上的压力下降，然后又升高到破碎必需的数值，所以金刚石钻头钻进硬岩和弹脆性岩石时也具有与硬质合金钻头类似的“跳跃式”特征，只是因为金刚石颗粒小，其幅度要小得多。这时形成的破碎穴宽度是金刚石吃入宽度的1.2～1.8倍，而破碎穴的深度是吃入深度的1.3～5倍。钻渣分布在破碎穴的两侧，且破碎穴底部钻渣被压实（参见图6-31）。

图6-32　单粒金刚石破碎岩石的示意图

1—金刚石；2—钻头胎体；3—岩石；4—钻渣；
5—被压皱的岩石；6—被裂纹削弱的岩石

在弹-塑性地层中钻进时通常伴有微切削作用。在这种情况下，金刚石前面的棱面不断地与岩石接触，岩石破碎穴的大小接近于金刚石吃入岩石部分的大小。实际情况是，金刚石与岩石仅有很小的点接触，一般只有几微米到30～40μm。

如图6-32所示，吃入岩石的单粒金刚石前棱面将出现压应力，而在后面为拉应力。岩石在轴向载荷P和切向力RT作用下发生破碎。金刚石上作用的扭矩消耗在克服岩石破碎的阻力Rb和摩擦力T上。

式中：RT——消耗于岩石破碎和摩擦的力，N；

Rb——岩石破碎的阻力，N；

f——金刚石与岩石的摩擦系数；

T——摩擦力，N。

钻进过程中有70%～75%的扭矩用于克服孔底摩擦力，所以建议采用椭圆化和表面抛光的金刚石，它们与岩石的摩擦系数低。采用这样的金刚石可提高机械钻速并降低金刚石的磨损强度。

金刚石的抗弯和抗剪强度不高，因此在钻进裂隙性岩石和金刚石出刃过大的情况下，金刚石会碎裂，导致钻头过早报废。在实践中出刃的大小应控制在金刚石粒径5%～25%范围内。在非常破碎的岩石中应采用出刃较小的钻头，即细颗粒金刚石孕镶钻头。

3）孕镶金刚石钻头的孔底碎岩过程

孕镶金刚石钻头的孔底碎岩过程不同于表镶钻头。它用的金刚石颗粒小，且埋藏于胎体之中，孕镶钻头孔底碎岩过程的特点是以唇面上多而小的硬质点（金刚石）对岩石进行磨削或部分微切削，并随着硬质点的逐渐磨损、消失及胎体的不断磨耗，新的硬质点又裸露出来参加工作。人们把这种自磨出刃的过程称为“自锐”，只有能保证“自锐”过程的钻头才能维持钻速不衰减。如果胎体性能与所钻岩石不适应或没有保证足够的钻压，胎体不能超前磨耗并让丧失破岩能力的金刚石颗粒自行脱落，则无法实现“自锐”。在孔底过程中表现为钻头“打滑”，钻速迅速下降。

金刚石颗粒在胎体中的分布对钻进效果有重要影响。假设金刚石钻头某个扇形块唇面布置了1～8粒金刚石（如图6-33所示），那么其中每一粒将从孔底切去一层岩屑。而排在前端的金刚石颗粒将承担最大的工作负担（如图6-33中的第1和第9），所以它们的磨损量也最大。如果金刚石颗粒拥有不同的出刃大小，也会出现类似情况。各金刚石颗粒应尽可能承担均衡的破岩负担（hpi≈const）。

增加金刚石对岩石的吃入深度是有一定限度的。由金刚石的质量指标可知，金刚石颗粒在50～100N的力作用下便开始劈裂。因此，提高金刚石钻进的机械钻速Vm只能在钻头具备金刚石高浓度的情况下靠钻头的高转速（线速度v0=3.5～5.0m/s）来实现。

图6-33　金刚石颗粒在扇形块唇面上的布置

式中：h0——工具每转的切入深度，mm；

n——工具的每分钟转速，r/min。

可以认为：

式中：i——工具切削线上的金刚石数量；

hpi——第i粒金刚石的实际吃入深度（图6-33），于是Vm=hpiin。

必须指出，如果金刚石上的轴向载荷过大（超过允许值）可能导致金刚石碎裂。碎裂的金刚石碎片又会破坏其他完整的金刚石颗粒，使钻头很快失效。钻头即将进入失效阶段的规程称为“临界规程”。向临界规程的过渡是跳跃式的，这时不仅机械钻速和磨损量增大，而且孔底消耗的功率也急剧增大（图6-34）。

金刚石对其工作的温度环境非常敏感。当温度超过900～1000℃时金刚石将石墨化并失去作为岩石破碎工具的能力。金刚石钻进规程是保证其工作温度不超过150～200℃。温度进一步升高将对金刚石的强度特性产生负面影响。例如，当温度达500℃时其强度指标将近下降1倍（图6-35）。

图6-34　机械钻速与金刚石上轴向载荷的关系

1、2、3—分别为工作规程、过渡规程和临界规程

图6-35　金刚石强度与温度的关系曲线

我们知道，孔底的钻渣必须从钻头水口排出。在钻头回转过程中，钻渣总是以小于扇形块回转的速度就近定向移动。结果在钻头唇面以下总会残留一些钻渣。当钻头水口与钻渣所在位置重合时，钻渣才顺利从孔底排出。钻渣能否完全排出取决于冲洗液的供给强度和钻头的水口结构。

在一定的条件下（冲洗液的供给不足，扇形块长度太大，钻头水口结构不合理），钻渣会积存在扇形块回转方向的后部，甚至完全充填胎体和孔底之间的间隙。如果出现这种情况，则金刚石的冷却条件急剧恶化，将出现金刚石的石墨化过程（烧钻）。最好采用长度较小的扇形块，以利于排渣。观察钻头扇形块唇面可明显看出，离轴心越远的切削线上金刚石数量越多，因此，离圆心越远单粒金刚石上的载荷越小，其吃入深度便较小，同时它们的回转线速度又最大，结果导致金刚石被抛光。解决这一问题的途径之一是尽量采用薄壁钻头。