PDC鉆頭破碎巖石機(jī)理分析

韓婧

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人口的增長，對(duì)地下資源和礦產(chǎn)資源的消耗量日益增加，鉆探工程的工作量也逐漸增大，因此在鉆探中所消耗的巖石破碎的費(fèi)用和材料損耗的費(fèi)用也相當(dāng)龐大，因此研究巖石破碎機(jī)理是必要的。本文簡要分析了金剛石-復(fù)合片鉆頭（簡稱PDC）在單個(gè)力作用下的受力情況和PDC鉆頭破碎巖石的機(jī)理。

關(guān)鍵詞：PDC鉆頭；破碎巖石機(jī)理

1 金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合片的概念及發(fā)展問題

金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合片簡稱PDC，是一種新型的超硬材料，通過在硬質(zhì)合金底上燒結(jié)一層細(xì)粒的人造聚晶金剛石形成，不僅具有金剛石的硬度和高耐磨性，還體現(xiàn)出硬質(zhì)合金的韌性，可以作為單獨(dú)的切削單元使用，同時(shí)隨著PDC鉆頭的進(jìn)步，在一些鉆探中已經(jīng)得到推廣。在實(shí)際的鉆探過程中，破碎巖石的工具的磨損是機(jī)械碎巖中的最大問題，特別是在遇到巖石抗壓強(qiáng)度大于150兆帕的地層，機(jī)械破巖工作很難進(jìn)行，因此鉆探工程必須對(duì)破碎巖石的工具進(jìn)行強(qiáng)化，通過改變其形狀和材料改善工具性能，也要深入了解破碎巖石的機(jī)理，將巖石性質(zhì)、地層特征、外載條件、碎巖工具的性質(zhì)等結(jié)合起來，從根本上解決問題。

2 單個(gè)PDC與巖石作用的受力分析

在PDC鉆頭的形成工藝中，需要將PDC片斜鑲?cè)脬@頭胎體中，因此，PDC鉆頭在鉆進(jìn)過程中，其受力方向是斜向壓入的，從而破碎巖石。設(shè)一個(gè)斜鑲的圓柱體PDC只受到法向力F的作用，并且垂直壓入彈性巖石的半空間體中，將圓柱體的半徑設(shè)為R，D為圓柱體的壓入深度，θ為切入角，是彈性體表面與PDC軸向的夾角，如圖1所示。從圖中的PDC切片的壓入情況來看，壓頭的幾何形狀相對(duì)復(fù)雜，為了使得計(jì)算相對(duì)簡單，可以將F1分解為兩個(gè)部分，一部分是圓柱體面壓入巖石的壓力FN1，另一部分是圓柱體底面壓入的壓力FN2，根據(jù)圓柱體的接觸情況分析，分別對(duì)接觸壓力FN1，F(xiàn)N2進(jìn)行求解，求得在FN1方向上的最大壓入深度是d1=，圓柱面的最大的接觸區(qū)域的長度CD為l-l1+l2cosθ=。

當(dāng)一個(gè)斜鑲的圓柱體PDC只受到切向力的作用，在PDC在法向壓入一定深度后，在切向力的作用下產(chǎn)生了水平位移S。因?yàn)樵趯?shí)際的切削過程中，PDC后側(cè)的受力相對(duì)較小，因此忽略不計(jì)。在切向力作用的情況下，主要考慮巖石與PDC切片在前端的接觸壓力以及PDC切片在底部與巖石的摩擦力。

3 PDC鉆頭的破碎巖石機(jī)理分析

巖石破碎機(jī)理的分析需要將地層條件，外部載荷的條件、破碎工具條件以及巖石的特性等結(jié)合起來，不僅要研究巖石破碎的形式和效果，還要研究巖石在破碎前和破碎后的變化趨勢(shì)及其應(yīng)力狀態(tài)。巖石力學(xué)性質(zhì)是巖石的基本性質(zhì)，巖石的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系是了解巖石的基礎(chǔ)，其中巖石的單軸抗壓強(qiáng)度是指在周圍無其他壓力作用下，僅受到軸向壓力作用的巖石被破壞時(shí)，軸向壓力與面積的比值，即：σc=；巖石的硬度是指巖石在集中載荷的作用下產(chǎn)生局部變形或者破碎的能力，用接觸壓力與接觸面積之比表示，即：σK=；巖石的脆塑性是指巖石在破壞時(shí)發(fā)生脆塑性破壞的傾向，對(duì)巖石的鉆進(jìn)效果和破碎效果有顯著的影響。在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，PDC鉆頭可以破碎的地層為軟-中硬地層，在一般情況下，PDC鉆頭的破碎方式是以切削、剪切破壞為主，以擠壓破壞為輔，具體的破碎機(jī)理會(huì)隨著地層的不同而變化。PDC鉆頭破碎巖石的軸向載荷和巖石壓入深度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 軸向力與切入深度的關(guān)系圖

在開始的AB階段，巖石在壓力的作用下形成壓實(shí)的巖體，并且軸向壓力與壓入深度與理論一致，但是，在B點(diǎn)處，巖石破碎軌跡與理論曲線產(chǎn)生偏移，因?yàn)樵贐處產(chǎn)生了脆性裂紋，在BC階段，因?yàn)閹r石表面破碎的巖屑亂飛，導(dǎo)致巖石的軸向載荷減小，在CDE階段，由于巖石的進(jìn)一步破碎，巖石產(chǎn)生較大的裂紋導(dǎo)致了大規(guī)模的破碎，使得壓力深度進(jìn)一步增加，在隨后的EG階段，隨著外載荷的進(jìn)一步增大，PDC鉆頭重復(fù)著壓裂和破碎的過程，完成一次完整的破碎階段。因此PDC鉆頭在破碎巖石過程中，壓入深度與外加載荷不是成線性關(guān)系的，載荷會(huì)有減小再增大的過程。當(dāng)PDC鉆頭在垂直載荷下破碎巖石時(shí)，剛開始時(shí)在PDC底部產(chǎn)生極限狀態(tài)，從而壓入一定深度，之后隨著接觸面積的增加，需要加大壓力，隨后產(chǎn)生裂隙，進(jìn)而產(chǎn)生大的破碎。當(dāng)PDC鉆頭在水平力的作用下破碎巖石時(shí)，在切削端前面的壓力分布是不均勻的，當(dāng)裂隙受到壓力和拉力的同時(shí)作用時(shí)，裂紋會(huì)相互貫穿，形成一個(gè)大的剪切面。在實(shí)際工作過程中，PDC鉆進(jìn)巖石不僅與外部載荷和巖石性質(zhì)有關(guān)，而且與PDC切削片的數(shù)量和空間排列方式有關(guān)，因此在布置PDC切片時(shí)，需要具有合適的距離，才能達(dá)到良好的切削效果。

4 結(jié)論

巖石的破碎機(jī)理是鉆探過程中的理論基礎(chǔ)，用來設(shè)計(jì)長壽命的、高效率的和最佳的破碎巖石的鉆頭。本文通過分析PDC鉆頭在垂直作用力和水平作用力下的PDC與巖石之間的接觸壓力，并且簡要分析了PDC鉆頭的破碎巖石機(jī)理，通過對(duì)PDC鉆頭的綜合分析，在鉆探過程中，可以根據(jù)實(shí)際情況選用相應(yīng)的PDC鉆頭，不僅提高了鉆探工作效率，而且節(jié)約成本和資源，提高材料的利用率。因此在以后的PDC鉆頭設(shè)計(jì)中，要與PDC鉆頭破碎理論相結(jié)合，推動(dòng)PDC鉆頭的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]李田軍.PDC鉆頭破碎巖石的力學(xué)分析與機(jī)理研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)，2012.

[2]楊道合.科學(xué)超深鉆井過程中碎巖方法與孕鑲金剛石取心鉆頭的預(yù)研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)，2012.

[3]張立剛.松遼盆地深層火成巖破碎機(jī)理及破巖效率評(píng)價(jià)[D].東北石油大學(xué)，2014.