深部各向異性硬巖鉆進用新型金剛石鉆頭試驗研究

湯鳳林， 沈中華， 段隆臣， 高申友， 彭 莉， Чихотки В.Ф.

(1.無錫鉆探工具廠有限公司，江蘇 無錫 214174； 2.中國地質(zhì)大學〈武漢〉，湖北 武漢 430074)

深部各向異性硬巖鉆進用新型金剛石鉆頭試驗研究

湯鳳林1,2， 沈中華1， 段隆臣2， 高申友1， 彭 莉1， Чихотки В.Ф.2

(1.無錫鉆探工具廠有限公司，江蘇 無錫 214174； 2.中國地質(zhì)大學〈武漢〉，湖北 武漢 430074)

我國正在進行深部地質(zhì)找礦和深部礦產(chǎn)資源開發(fā)，“十三五”計劃規(guī)定了對地下空間的利用和開發(fā)進行研究，這些都離不開深部鉆探。深部鉆探中遇到的巖石多為各向異性巖石，在這種巖石中鉆進時，鉆孔容易偏斜，影響鉆探效率和質(zhì)量。俄羅斯博士Скоромных В.В.教授等對此進行了研究，提出了鉆頭水口大小變化的設(shè)計思想。對比試驗結(jié)果表明，這種新鉆頭鉆進技術(shù)指標較好，值得研究和探討。

各向異性硬巖；鉆進；金剛石鉆頭；鉆頭水口

1 問題的提出

鉆頭和所鉆巖石的矛盾是鉆探工作的主要矛盾之一。鉆頭是此矛盾的主要方面。我們要研究鉆頭，也要分析巖石。選擇鉆頭要根據(jù)所鉆巖石的物理力學性質(zhì)來考慮，研究好了巖石的性質(zhì)，才能研制出針對性強的高效鉆頭來[1-11]。

大家都知道，金剛石鉆進時，鉆頭-巖石付相互作用與所鉆巖石物理力學性質(zhì)f、所用鉆頭類型B、鉆進規(guī)程參數(shù)(FH、n、Q)和正常鉆進條件的關(guān)系，如圖1所示[8]。

從圖1可見，金剛石鉆進過程中，首先要解決金剛石鉆頭-巖石副相互作問題，即鉆頭破碎巖石，巖石也磨損鉆頭的問題；當然也有鉆頭選用和鉆探工藝合理性的問題。

我國正在進行大規(guī)模深部地質(zhì)找礦工作，并已取得了很大的成績。“十三五”提出要開發(fā)和利用地下空間。深部地質(zhì)找礦和開發(fā)利用地下空間都需要進行深部鉆探。深部鉆探中遇到的地層多為各向異性(非各向同性)巖石。從巖石力學和巖石破碎原理得知，鉆進各向異性巖石時(可以以圓柱形平底壓模進行模擬)，不同方向的強度是不同的。在垂直地層方向巖石最容易鉆進破碎，其他方向破碎阻力較大，因此破碎核成橢圓形(見圖2a)。軸載P用于克服巖石的內(nèi)摩擦阻力和克服來自巖石的反力，在巖石反力分力P‖B和P⊥B的作用下，產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)力矩Moп(見圖2b)，Moп=P‖Ba-P⊥Bc，在這個翻轉(zhuǎn)力矩的作用下，鉆頭將偏離中心線一個角度Ψ(見圖2c)。鉆頭偏斜(哪怕很小)，鉆孔自然偏斜，直接影響鉆進效率和鉆孔質(zhì)量。因此，要解決鉆頭偏斜問題[12]。

FH—鉆壓；n—鉆頭轉(zhuǎn)速；Q—沖洗液量；f—外界因素(巖石物理力學性質(zhì)等)；B—與鉆進規(guī)程參數(shù)無關(guān)的參數(shù)(鉆頭類型等)

圖1 “金剛石鉆頭-巖石副”相互作用示意圖

圖2 各向異性巖石鉆進時巖石破碎示意圖

2 新型鉆頭的設(shè)計思路[13-16]

現(xiàn)用金剛石孕鑲鉆頭多為扇形塊大小相等、水口大小相等的鉆頭，使用這種鉆頭不能降低異向各性巖石中鉆進時鉆孔彎曲的情況。考慮到深孔鉆進時，許多情況下多數(shù)巖石是各向異性的，所以保持鉆孔設(shè)計方向不變非常重要。俄羅斯博士Скоромных В.В.教授等對此進行了研究，提出了鉆頭水口大小變化的設(shè)計思想。

地層各向異性決定了孔底和孔壁破碎不均勻，而且由于翻轉(zhuǎn)力矩Moп的作用，鉆頭處于偏斜狀態(tài)，易于圍繞自身中心線回轉(zhuǎn)，于是鉆孔彎曲加劇，偏離鉆孔設(shè)計方向。

新設(shè)計的鉆頭胎體唇面由窄水口1、寬水口2和大小相等的扇形塊3和4組成(見圖3)。窄水口1寬度A是一種標準尺寸，寬水口2寬度B是另一種標準尺寸，B是可以變化的，但是一定要B>A。同時，水口2在胎體上的布置，應能保證鉆頭胎體相對其縱軸中心線是偏心的，這一點可以通過水口2兩側(cè)的扇形塊3和4的數(shù)目不同來達到。例如，寬水口2一側(cè)的扇形塊3的個數(shù)為6個，另一邊的扇形塊4的個數(shù)為2個。而且，扇形塊4的硬度要比扇形塊3的大。扇形塊4的硬度為S1/S2，其中S1是窄水口1鉆頭半個唇面上的扇形塊3的面積，S2是寬水口2鉆頭半個唇面上的扇形塊4的面積。

新型КИТ鉆頭如下工作。鉆進時，鉆頭在軸載作用下，扇形塊3和4切入巖石。由于胎體唇面一側(cè)有兩個寬水口2，所以鉆頭剖面幾何重心相對鉆頭體剖面幾何重心(圖4c點)移動了一個距離，導致扇形塊4上的軸載比扇形塊3上的大許多。正因為如此，所以應使扇形塊4的硬度更大些。胎體唇面有偏心矩存在，可以保證鉆進過程中鉆頭圍繞鉆孔中心線回轉(zhuǎn)，并可排除鉆孔可能產(chǎn)生最大彎曲的鉆頭偏斜。

1—寬度為A的窄水口；2—寬度為B的寬水口；3—含金剛石的扇形塊；4—硬度大的金剛石扇形塊

圖3 水口大小變化鉆頭(КИТ)唇面結(jié)構(gòu)圖

X、x1、x2—分別是中心線O-O到胎體唇面重心的距離、O-O到兩個胎體半個唇面重心的距離；F、F1、F2—分別是巖石切削剪切合力、中心線O-O兩側(cè)半個胎體唇面的切削剪切力

圖4 水口大小變化的鉆頭唇面巖石切削剪切力分布圖

在使用這種新型鉆頭鉆進時，可以排除巖心鉆具彎曲和不穩(wěn)定力、力矩作用下產(chǎn)生的鉆頭偏斜。

可以把鉆頭唇面按照中心線O-O分成2個部分(見圖4)。鉆頭一側(cè)半個唇面上有窄的標準水口1，把扇形塊3分開。由于扇形塊3上的金剛石是均勻分布的，所以當鉆頭在鉆壓和扭矩作用下鉆進時，可把鉆頭唇部這部分中各個單個切削剪切力的合力F1，以向量的形式置于胎體這半個環(huán)狀部分的重心上。也可把唇部另一部分中各個切削剪切力的合力F2，以向量的形式置于胎體另一個半個環(huán)狀部分的重心上。由于有兩個寬水口的半個唇面上的金剛石數(shù)量，比另半個唇面上的金剛石數(shù)量少得多，所以在數(shù)值上F1>F2。這兩個數(shù)值差產(chǎn)生的合力F=F1-F2。這個合力F(見圖4)將位于鉆頭唇面的重心上，方向與F1方向同向。鉆頭鉆進時，鉆頭重心是其瞬時回轉(zhuǎn)中心。鉆頭壓向孔壁，可能銑切孔壁和巖心，所以對井筒形成過程產(chǎn)生很大影響，還可能使鉆頭自身產(chǎn)生局部磨損[13-16]。

如果鉆頭扇形塊上金剛石分布均勻，則由于鉆頭工作唇面不平衡而產(chǎn)生的這個力F，按下式計算[16]：

(1)

式中：h——鉆頭切入巖石深度；σck——巖石抗剪強度；ST——金剛石鉆頭唇面總面積；γck——巖石剪切角；Poc——軸載；nб、nM——分別是O-O線兩邊窄水口扇形塊和寬水口扇形塊上的金剛石粒數(shù)；Sб——窄水口(見圖4)扇形塊3半個唇面的面積；SM——寬水口扇形塊4半個唇面的面積；f——鉆頭和巖石的摩擦系數(shù)。

F力的存在，可使鉆頭以鉆頭體和胎體的側(cè)面，按照該力的作用方向壓向孔壁，保持胎體側(cè)面與孔壁接觸。在這種情況下，鉆頭可以在一定程度上抵消各向異性巖石鉆進中巖石破碎不均勻而產(chǎn)生的影響。

3 新型鉆頭和標準鉆頭的對比試驗

為了研究和評價新型鉆頭的性能，進行了鉆頭對比試驗，即使用水口大小變化的КИТ鉆頭和標準水口大小不變的КНТ鉆頭進行對比。КИТ鉆頭型號為NQ系列、薄壁8 mm，外徑76.2 mm的孕鑲金剛石鉆頭(見圖 5)，КНТ鉆頭為標準水口的金剛石鉆頭(見圖6)。

圖5 КИТ鉆頭 圖6 КНТ鉆具

鉆頭試驗是在俄羅斯新西伯利亞聯(lián)邦大學鉆進試驗臺上進行的。試驗臺配有СКБ鉆機和НБ-3水泵。鉆機安裝在2 m高的臺架上。鉆機下面挖有0.7 m×0.7 m×0.7 m的坑，以供固定巖塊使用。鉆機裝有測量鉆進功率消耗的功率表和測量機械鉆速的儀表ИСБ。所用巖石為粗粒玄武巖。所用沖洗液是濃度為0.12%的皂化液。鉆進過程中，用秒表記錄鉆進時間，用儀表ИСБ記錄機械鉆速，同時記錄不同規(guī)程參數(shù)時的功率消耗。試驗設(shè)計是用全因子試驗(ПФЭ)方法進行的。根據(jù)試驗結(jié)果得到了不同規(guī)程參數(shù)(軸載和轉(zhuǎn)速)時有關(guān)機械鉆速、孔底鉆頭每轉(zhuǎn)進尺、功率消耗、單位進尺功耗量、所得巖心直徑和鉆頭壓到孔壁地點的資料。試驗過程中，沖洗液量沒有變化，均為40 L/min[16-19]。

3.1 巖石強度的確定

為了確定巖石的力學性質(zhì)，使用了平底直徑為18 mm的壓膜。所用巖石為粗粒玄武巖(彈脆性巖石)，巖樣為邊長40 mm的立方體。壓膜試驗是用三種介質(zhì)：空氣、清水、乳化液(濃度為0.12%的皂化液)進行的。測量了巖石硬度Pш、塑性系數(shù)Kпл、剛度C、彈性模數(shù)E、屈服極限Po和破碎單位體積巖石消耗的功Aэ，測量結(jié)果見表1。

3.2 鉆頭性能對比試驗研究

對水口大小變化的КИТ鉆頭和標準水口大小不變的КНТ鉆頭進行的對比研究試驗，是用二水平全因子試驗(ПФЭ)方法進行的。由于沖洗液量沒有變化，所以主要是研究目標函數(shù)與鉆壓和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。根據(jù)鉆探操作規(guī)程并考慮鉆機的性能，選用的規(guī)程參數(shù)4個組合為：

表1 所鉆巖石力學性質(zhì)

(1)n=435 r/min，p=1000 dN；

(2)n=435 r/min，p=1400 dN；

(3)n=710 r/min，p=1000 dN；

(4)n=710 r/min，p=1400 dN。

研究的目標函數(shù)為機械鉆速vm(m/h)、鉆頭每轉(zhuǎn)進尺hоб(mm/轉(zhuǎn))、單位進尺鉆進能耗量N/vm(kWh/m)、鉆進功率N(kW)和巖心直徑d(mm)。

標準水口大小不變КНТ鉆頭用清水作沖洗液的試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果為：

vm=11.08+1.36p+2.54n+0.32pn

(2)

hоб=0.32+0.04p-0.004n-0.0002pn

(3)

N=10.9+0.025p+1.125n-0.025pn

(4)

N/vm=1.02-0.04p-0.01pn

(5)

用乳化液作沖洗液的標準水口大小不變КНТ鉆頭試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果為：

vm=11.6+1.99p+2.5n+0.57pn

(6)

hоб=0.34+0.057p-0.009n-0.0003pn

(7)

N=11.15+1.18p+1.58n-0.125pn

(8)

N/vm=1.0-0.0635p-0.0735n-0.012pn

(9)

水口大小變化的КИТ鉆頭用清水作沖洗液的試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果為：

vm=12.08+2.12p+2.49n+0.45pn

(10)

hоб=0.355+0.062p-0.013n-0.002pn

(11)

N=11.73+1.125p+1.275n+0.175pn

(12)

N/vm=1.0-0.083p-0.1n+0.012pn

(13)

用乳化液作沖洗液的水口大小變化的КИТ鉆頭試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果為：

vm=12.32+2.48p+2.54n+0.66pn

(14)

hоб=0.36+0.072p-0.013n-0.0021pn

(15)

N=12.0+1.5p+1.25n-0.25pn

(16)

N/vm=1.0-0.078p-0.103n-0.003pn

(17)

上述關(guān)系式中，第一項表示是試驗結(jié)果平均值，如(2)式中第一項表示機械鉆速為11.08 m/h;第二項表示機械鉆速與鉆壓的關(guān)系，第三項表示機械鉆速與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，第四項表示交互作用，即機械鉆速與鉆壓和轉(zhuǎn)速乘積的關(guān)系，各項前面的數(shù)值表示該因子的作用(權(quán)重)，下同。

從(2)、(6)和(10)、(14)式比較得知，水口大小變化КИТ鉆頭的機械鉆速、鉆頭每轉(zhuǎn)進尺均比標準水口大小不變的КНТ鉆頭為高，用乳化液作沖洗介質(zhì)時比用清水作沖洗介質(zhì)效果更好。

對比(4)、(8)和(12)、(16)式得知，水口大小變化КИТ鉆頭的鉆進功率消耗量比標準水口大小不變的КНТ鉆頭為高，用乳化液作沖洗介質(zhì)時比用清水作沖洗介質(zhì)效果更高。但是，КИТ鉆頭的單位進尺能耗量比標準水口的КНТ鉆頭為低，用乳化液作沖洗介質(zhì)時比用清水作沖洗介質(zhì)的單位進尺能耗量也是如此。我們知道，鉆頭單位進尺能耗量比鉆進功率消耗量更能說明問題，更為重要。

上述結(jié)果說明，КИТ鉆頭技術(shù)指標均比標準水口的КНТ鉆頭技術(shù)指標好，說明這種新型鉆頭設(shè)計思想是成功的。這可能是由于鉆進時，水口大小不同、流速不同，引起了水力動力學特性發(fā)生變化，有利于巖石破碎、巖粉排除和冷卻鉆頭金剛石切削具所致。

3.3 巖心磨損和КИТ鉆頭體磨損研究

3.3.1 巖心磨損

鉆頭對比試驗時，測量了巖心的磨損情況。標準水口大小不變КНТ鉆頭使用清水作沖洗液時，巖心直徑為61.25 mm，使用乳化液時為61.4 mm；水口大小變化КИТ鉆頭使用清水作沖洗液時，巖心直徑為60.0 mm，使用乳化液時為61.25 mm。試驗得到的巖心直徑dk與規(guī)程參數(shù)的關(guān)系式為：

dk=61.025+0.025p-0.05n

(18)

從(18)式可見，巖心直徑隨鉆頭轉(zhuǎn)速的增加而減小，鉆頭轉(zhuǎn)速對巖心直徑減小的影響比鉆壓的影響大，大一倍，這可能是因為鉆頭轉(zhuǎn)速快時產(chǎn)生的離心力大，使鉆頭產(chǎn)生擺動大，因而巖心直徑磨損大，直徑變小了。

3.3.2 鉆頭體磨損

為了研究鉆頭體外壁的磨損情況，在鉆頭體上焊了8個1.5 mm×1.5 mm的焊片(見圖7和圖8)。在此焊點上，可以查明磨損最大的部位。焊片的厚度是用БВ2207厚度儀測量的。КИТ鉆頭體焊片厚度(高度)測量結(jié)果見表2，焊片磨損量大小見表3。

圖7 不同鉆進規(guī)程時水口變化鉆頭的鉆頭體與孔壁的接觸點

圖8 水口變化КИТ鉆頭體上焊片磨損值最大的各個焊片(1、8、7、6)

從表3可見，不同規(guī)程時，焊片磨損值是不同的。最大值是用黑體字標注出來的。如果把最小鉆進規(guī)程1時的1號焊片(見圖8)作為對比點，則隨著鉆壓和鉆頭轉(zhuǎn)速的提高，磨損最大的接觸點沿著鉆頭回轉(zhuǎn)方向向8號、7號和6號焊片移動(見圖8)。但是，值得注意的是，鉆頭體磨損較為嚴重的焊片，均位于水口窄邊的一側(cè)，說明這一側(cè)的磨損與其切削剪切力F1>F2有關(guān)，證實了前面理論分析(見圖4)的正確性。

表2 鉆頭體焊片高度測量結(jié)果 mm

表3 水口變化鉆頭體上焊片磨損值 mm

4 討論和建議

根據(jù)上述資料，可作以下討論和建議。

(1)我國正在進行深部地質(zhì)找礦和深部資源開發(fā)和利用研究，均需要深部鉆探。深部鉆探時遇到的巖石多半是各向異性的，鉆頭容易偏斜，鉆孔容易彎曲。這可能會影響鉆探的效率和質(zhì)量，應該引起我們的注意。

(2)工欲善其事必先利其器。鉆探工程中，首先要解決的是鉆頭問題。異向各性巖石中鉆進時，更是如此。俄羅斯專家提出了水口大小變化的金剛石鉆頭的設(shè)計思想。試驗證明，這種新型鉆頭比水口大小不變的標準鉆頭的技術(shù)指標(機械鉆速高、每轉(zhuǎn)進尺高、單位進尺能耗量低)均好，說明這種鉆頭設(shè)計思想是有價值的，可以借鑒。

(3)這種設(shè)計思想和對比試驗數(shù)據(jù)尚不夠充分，只能從定性上肯定其有價值的，在定量上還需進一步研究和探討，例如水口尺寸多大為好？寬水口面積和窄水口面積比例多大為好？水口大小在不同可鉆性巖石中鉆進時是否有差異？水口大小與鉆進規(guī)程的關(guān)系等等。

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Experimental Research on New Type Diamond Bit for Drilling in Deep Hard Anisotropic Rocks/

TANGFeng-lin1,2,SHENZhong-hua1,DUANLong-chen2,GAOShen-you1,PENGLi1,CHIKHOTKINV.F.2

(1.Wuxi Drilling Tools Factory Co., Ltd., Wuxi Jiangsu 214174, China; 2.China University of Geosciences , Wuhan Hubei 430074, China)

Deep geological survey and exploitation of deep mineral resources are carrying out in China, and the 13th five-year plan sets the research on the exploitation and utilization of underground space, which are inseparable from deep drilling. The rocks encountered in deep drilling are mostly anisotropic ones; borehole is easy to be deflected in this condition, which affects the penetration rate and drilling quality. The related research has been carried on by Russian Professor Скоромных В.В. and some others, a new design idea of diamond bit with waterway of different sizes is proposed. The comparative experiment results show that the technical indexes of this new bit are better than the old diamond bits with standard waterway sizes, and this technology is worth while researching and discussing.

hard anisotropic rocks; drilling; diamond bit; bit waterway

2017-02-05

江蘇省江蘇雙創(chuàng)團隊資助項目(編號：蘇人才辦[2014])27號)

湯鳳林，男，漢族，1933年生，教授，博士生指導教師，俄羅斯工程院院士，俄羅斯自然科學院院士，國際礦產(chǎn)資源科學院院士，探礦工程專業(yè)，主要從事探礦工程方面的教學和科研工作，湖北省武漢市魯磨路388號中國地質(zhì)大學(武漢)，fltang_wuhan@aliyun.com。

P634.4+1

A

1672-7428(2017)04-0074-06