湯鳳林，寧伏龍，段隆臣，Чихоткин В.Ф.

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北武漢430074）

1 概述

巖石按其成因可分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖3 大類。但按物理力學(xué)性質(zhì)來說，巖石分為均質(zhì)巖石和非均質(zhì)巖石。均質(zhì)巖石一般稱為各向同性巖石，非均質(zhì)巖石稱為各向異性巖石。鉆探中，特別是深部鉆探中遇到的地層多為各向異性（非各向同性）巖石［1-9］。從巖石力學(xué)和巖石破碎原理得知，鉆進(jìn)各向異性巖石時(shí)（可以以圓柱形平底壓模進(jìn)行模擬），不同方向的強(qiáng)度是不同的。在垂直地層方向巖石最容易鉆進(jìn)破碎，其他方向破碎阻力較大，因此破碎核成橢圓形（見圖1a）。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，在巖石反力垂直分力的作用下，產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)扭矩МОП（見圖1b）在這個(gè)翻轉(zhuǎn)力矩的作用下，鉆頭將偏離中心線一個(gè)角度Ψ（見圖1с）。鉆頭偏斜（哪怕很?。?，鉆孔就會(huì)彎曲，直接影響鉆進(jìn)效率和鉆孔質(zhì)量，因此，要解決鉆孔彎曲的問題［7-11］。若想鉆孔一點(diǎn)不彎曲是不可能的，我們只是要采取措施，使其彎曲在我們允許的范圍之內(nèi)，以便鉆孔合乎要求，滿足需要。

圖1 各向異性巖石鉆進(jìn)時(shí)巖石破碎示意Fig.1 Fragmentation of anisotropic rock by drilling

各向異性巖石是客觀存在的，其物理力學(xué)性質(zhì)是不能改變的。我們只能利用其性質(zhì)采取針對(duì)性的措施，才能取得好的鉆探技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。在這種巖石中進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，鉆探設(shè)備、所用機(jī)具、施工人員、鉆探工藝、操作技術(shù)、生產(chǎn)管理等都很重要。在選定鉆探設(shè)備和合格施工隊(duì)伍之后，所用機(jī)具（如鉆頭、孔底裝置）非常重要，是關(guān)鍵技術(shù)。俄羅斯鉆探工作者在各向異性巖石中鉆進(jìn)時(shí)，為了減小鉆孔彎曲和提高鉆探技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，采用了富有針對(duì)性的鉆頭和孔底裝置，取得了較好的效果［7-23］。

2 各向異性巖石鉆進(jìn)用鉆頭

俄羅斯鉆探工作者在各向異性巖石中鉆進(jìn)時(shí)使用的鉆頭方面做了大量工作，除了已在本刊報(bào)道過的球狀胎體鉸接式鉆頭、水口寬度不同鉆頭等外，還設(shè)計(jì)出了以下鉆頭［7-23］。

2.1 扇形塊可移動(dòng)的鉆頭

這種鉆頭是俄羅斯一項(xiàng)發(fā)明專利技術(shù)，專利號(hào)為俄羅斯專利2167251 號(hào)［7］。這種鉆頭可以保證孔底所有點(diǎn)上強(qiáng)度不同的各向異性巖石，能夠更為均勻地破碎，從而減少鉆孔彎曲程度和提高鉆探的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。如圖2 所示，鑲在鉆頭上的金剛石切削具扇形塊1，可以沿著環(huán)狀導(dǎo)向槽移動(dòng)。扇形塊之間用固定在鉆頭體上的彈性件2 進(jìn)行簧壓，彈性件根據(jù)設(shè)計(jì)扇形塊可能移動(dòng)的距離和力度進(jìn)行設(shè)計(jì)。每個(gè)扇形塊都有一個(gè)限位裝置3。同時(shí)，每個(gè)扇形塊都與鉆頭體通過環(huán)狀導(dǎo)槽支撐表面相互作用。環(huán)狀導(dǎo)槽與鉆頭端面傾斜的角度為α，而且耦合支撐表面的傾斜角度α是沿著鉆頭回轉(zhuǎn)方向增大的。

與鉆頭體縱向中心線成的角度α計(jì)算：

式中：h——設(shè)定的扇形塊在鉆頭體縱向中心線上移動(dòng)的距離；L——設(shè)定的扇形塊在鉆頭回轉(zhuǎn)方向相反方向上移動(dòng)的距離。

這種鉆頭破碎各向異性巖石時(shí)，金剛石切削具承受來自巖石的不同阻力，這就決定了孔底破碎的不均勻性。

金剛石鉆頭在孔底鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭切削具與各向異性巖石相互作用，與遇到的巖層形成了不同角度。如果切削具沿著巖層上傾移動(dòng)（圖2b、圖3a），此時(shí)巖石強(qiáng)度最大。因?yàn)榇藭r(shí)切削具軸載P和切削剪切力FP的合力R 將指向順層方向（見圖3a），而在這個(gè)方向上各向異性巖石的硬度和彈性最大，所以金剛石切入深度和破碎槽的深度h1減小了，促使切削具前面剪切巖石面積減小，以降低破碎巖石的阻力。如果切削具沿著巖層下傾方向移動(dòng)（圖2c、圖3b），則合力R指向與巖層垂直方向（見圖3b），而在此方向上巖石的硬度和彈性最小。所以，在這種情況下，所以破碎槽的深度h2增大了（見圖3b）。

圖2 鉆頭概貌Fig.2 General appearance of the drill bit

圖3 各向異性巖石破碎過程示意Fig.3 Fragmentation process of anisotropic rock

為了使孔底所有點(diǎn)上的破碎各向異性巖石深度相等，在鉆頭上使用了扇形塊和鉆頭體導(dǎo)向槽連接的鉆頭底端支撐表面和導(dǎo)向槽側(cè)面支撐表面，其夾角為α。同時(shí)，此夾角α沿著鉆頭回轉(zhuǎn)方向上增大。如圖2b 所示，每個(gè)扇形塊都沿著巖層上傾方向移動(dòng)時(shí)，承受很大的巖石阻力，在給定合力作用下，在鉆頭回轉(zhuǎn)反向的方向上移動(dòng)的距離L為：

式中：N——扇形塊端面上的切削具數(shù)量；F1R——切削具沿著巖層上傾方向移動(dòng)時(shí)的巖石切削剪切阻力；C——彈性件2 的剛度。

由于金剛石鉆頭和鉆頭體聯(lián)接支撐表面都是傾斜平面，所以切削具切入巖石附加深度為Δh=Lcotα。切削具切入巖石Δh，軸載也增加了ΔP，所以，切削具沿著巖層上傾方向移動(dòng)時(shí)，軸載為

可見，由于巖石破碎阻力增加時(shí)軸載增加，孔底破碎深度之所以沒有減少，是因?yàn)橛捎谳S載增加巖石接觸壓力也增加了，保證了巖石產(chǎn)生更大的體積破碎所致。

扇形塊從面對(duì)巖層上傾位置（圖2b）向巖層下傾方向（圖2c）移動(dòng)時(shí)，來自巖石的阻力減小了，因此，扇形塊在彈性件的張力作用下退后移動(dòng)，金剛石切削具的附加出刃減小、巖石接觸壓力降低。所以，孔底破碎更加均勻，引起鉆孔彎曲因素的影響降低了。

扇形塊限位裝置的位置，根據(jù)彈性件的剛度值大小來決定，限制扇形塊在L給定數(shù)值范圍內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)。每個(gè)扇形塊后都有限位器存在，決定了每個(gè)扇形塊都有自己的獨(dú)立位移，實(shí)現(xiàn)了這種金剛石鉆頭和扇形塊特有的工作方式。

扇形塊移動(dòng)的距離L，根據(jù)彈性件的剛度和彈性件可以伸縮到限位器的距離來確定。對(duì)于直徑59 和 76 mm 的鉆頭來說，L的大小為 2～3 mm。金剛石切削具破碎深度h應(yīng)該不大于金剛石顆粒直徑的0.08～0.1。小顆粒金剛石鉆頭的α角，應(yīng)該大于大顆粒金剛石的α角，根據(jù)巖石破碎的均勻程度確定。不同金剛石直徑da、平均破碎深度hб時(shí)，h、L和α的計(jì)算值見表 1［7］。

表1 不同金剛石直徑da、平均破碎深度hб時(shí)，h、L 和 α 的計(jì)算值Table 1 Calculated values of h,L and α at different diamond size da and average penetration depth hб

應(yīng)該指出的是，不論α角大小如何，這種鉆頭都能夠根據(jù)巖石切削剪切強(qiáng)度的不同而自動(dòng)調(diào)節(jié)h和L。

可見，使用這種鉆頭可以保證孔底所有點(diǎn)上強(qiáng)度不同的各向異性巖石，能夠更為均勻地被破碎，從而減少鉆孔彎曲程度，并提高鉆探的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2.2 定位導(dǎo)向鉆頭

俄羅斯托木斯克工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)出了定位導(dǎo)向鉆頭（這是俄羅斯發(fā)明專利，發(fā)明證書號(hào)為俄羅斯專利 No.1620590［7］）。

如圖4 所示，該鉆頭包括有鉆頭體1 和含有金剛石3 的胎體2。鉆頭體端面外部表面與橫軸成γ角。胎體端面傾斜部分上有槽4，外側(cè)表面上鑲有定位導(dǎo)向件5 和6。胎體內(nèi)、外側(cè)面上鑲有側(cè)刃金剛石7 和8。兩個(gè)定位件之間的夾角為β。β角兩邊間的鉆頭胎體外部表面上未鑲側(cè)刃金剛石。

圖4 定位導(dǎo)向鉆頭Fig.4 Based and directed drill bit

鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭端面和巖石相互作用。在鉆頭端面傾斜表面上，在每顆金剛石與巖石的作用點(diǎn)上，都產(chǎn)生指向鉆頭中心的徑向分力。在直徑反向各個(gè)點(diǎn)上產(chǎn)生的橫向分力合力，互相抵消。由于在胎體內(nèi)有槽4，所以在胎體直徑反向部分的點(diǎn)上，形成非平衡的徑向力，其合力Fr指向槽4 的中心。而在槽4 直徑反向的點(diǎn)上，產(chǎn)生切向力的合力Fτ，與回轉(zhuǎn)速度向量方向相反。

徑向力Fr和切向力Fτ形成合力R，R位于定位件5 和6 的中間，可以保證其受載均勻。鉆頭被形狀平滑的定位導(dǎo)向件壓向井壁，不會(huì)破碎井壁，也不會(huì)使井筒偏離設(shè)計(jì)方向。

當(dāng)因鉆頭非勻速回轉(zhuǎn)而出現(xiàn)不穩(wěn)定的力的時(shí)候，例如破碎各向異性巖石而產(chǎn)生的不穩(wěn)定力的時(shí)候，所有徑向力和橫向力合力的數(shù)值和方向都是變化的，但是不會(huì)超越定位件5 和6 圈定的扇形塊范圍，所以可以排除鉆頭胎體壓向井壁，可以大大降低井眼偏離初始設(shè)計(jì)方向的強(qiáng)度。

俄羅斯1657594 號(hào)專利鉆頭，是通過改變胎體內(nèi)側(cè)表面金剛石切削具與巖石接觸數(shù)目m1和胎體外側(cè)表面金剛石切削具數(shù)目m2來改變巖石切削剪切阻力，以便改變各向異性巖石中鉆進(jìn)時(shí)鉆孔彎曲方向的。合力移動(dòng)角度β以下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：f——金剛石切削具與巖石的摩擦系數(shù)。

2.3 橢圓形導(dǎo)向（領(lǐng)眼）鉆頭

研發(fā)利用小的軸載（＜6 kN）以降低鉆孔彎曲的鉆頭，是繩索取心用鉆頭的改進(jìn)方向之一。但是小的軸載，不應(yīng)降低切削具下方的單位接觸應(yīng)力。這個(gè)問題可以通過減小鉆頭端部面積或者改進(jìn)鉆頭胎體結(jié)構(gòu)（金剛石布置方式、金剛石粒度、胎體成分等）來解決。為了降低各向異性巖石鉆進(jìn)時(shí)的鉆孔彎曲強(qiáng)度，在繩索取心鉆進(jìn)時(shí)，可以利用鉆具結(jié)構(gòu)不變、鉆頭端面面積減小的橢圓形導(dǎo)向（領(lǐng)眼）環(huán)狀鉆頭。圖5 是俄羅斯發(fā)明專利技術(shù)鉆頭，專利號(hào)為俄羅斯專利No.1231201。

圖5 橢圓形導(dǎo)向（領(lǐng)眼）鉆頭結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structure of the ellipsoidal drill bit

橢圓形鉆頭外形長軸等于鉆孔直徑，橢圓內(nèi)孔短軸等于巖心直徑（見圖5a）。因?yàn)轭I(lǐng)眼部分呈橢圓形狀，所以可以設(shè)計(jì)出鉆具和管材結(jié)構(gòu)不變、端面面積任何小的鉆頭來，而得到的巖心是原先標(biāo)準(zhǔn)尺寸的巖心。

另一種鉆頭也是胎體上扇形塊分為內(nèi)扇形塊和外扇形塊的鉆頭（見圖6），也具有與橢圓形鉆頭類似的性能。通過改變扇形快（c，d，α1，α2，β1，β2）的尺寸大小，可以設(shè)計(jì)出理論上任何小的端面面積、而不改變內(nèi)、外徑的鉆頭來（這是俄羅斯發(fā)明專利，專利號(hào)為俄羅斯專利No.49085）。鉆頭體內(nèi)、外環(huán)上的槽可以用來排除巖屑碎塊、安置對(duì)井底產(chǎn)生水力動(dòng)力學(xué)作用的裝置，以及加快排除井底巖屑等。

圖6 胎體上有內(nèi)、外扇形塊鉆頭的形式Fig.6 Drill bit with the inner and outer segments in the matrix

3 關(guān)于橫斷面質(zhì)心移動(dòng)孔底裝置（KCM）的分析研究

根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料得知，鉆柱沿孔壁向鉆柱回轉(zhuǎn)方向反向滑動(dòng)的內(nèi)擺線進(jìn)動(dòng)，是靜平衡桿柱在強(qiáng)力規(guī)程作用下的最穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)方式。對(duì)鉆進(jìn)過程和鉆進(jìn)指標(biāo)產(chǎn)生的所有負(fù)面影響，均與這種運(yùn)動(dòng)方式有關(guān)。但是，孔底鉆進(jìn)裝置圍繞鉆孔中心線回轉(zhuǎn)（Ф1運(yùn)動(dòng)形式）是可以保證各向異性巖石鉆進(jìn)時(shí)，孔筒彎曲率最低的運(yùn)動(dòng)方式［7］。

使用橫斷面質(zhì)心移動(dòng)的裝置（KCM）是解決復(fù)雜巖石地質(zhì)條件下鉆進(jìn)問題的有效途徑之一。巖石各向異性對(duì)孔底鉆進(jìn)裝置的工作及其運(yùn)動(dòng)方式影響很大，該裝置橫斷面質(zhì)心產(chǎn)生的離心力大部分用于克服各向異性巖石鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)力矩上。

橫斷面質(zhì)心移動(dòng)的裝置（KCM）的作用是，這種裝置能夠產(chǎn)生動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定作用或自動(dòng)對(duì)中作用，可以調(diào)整離心力Fц并同時(shí)保證呈Ф1運(yùn)動(dòng)形式，從而減輕鉆孔彎曲程度并提高鉆進(jìn)效果。

3.1 KCM 的安裝位置

帶有橫斷面質(zhì)心移動(dòng)的裝置（KCM）的鉆柱分為2 種。

（1）帶有橫斷面質(zhì)心移動(dòng)的裝置（KCM）的鉆柱，在巖心管上方置有后壁KCM，是安裝在靜平衡鉆柱的底部（如索斯諾地質(zhì)生產(chǎn)公司試驗(yàn)使用過的）或者用于不取心鉆進(jìn)用的孔底鉆進(jìn)裝置。這種裝置方式見圖 7（a）。

（2）帶有橫斷面質(zhì)心移動(dòng)的裝置（KCM）的鉆柱，安裝在步長為L的鉆柱壓縮區(qū)的整個(gè)長度上，這個(gè)長度可以保證鉆柱整個(gè)壓縮部位呈Ф1回轉(zhuǎn)狀態(tài)，并隨著變形程度的減小和彎曲半波長度的增加而從孔底到零斷面而加長。這種裝置方式見圖7（b）。

圖7 橫斷面質(zhì)心移動(dòng)裝置（KCM）的安裝示意Fig.7 Installation drawing of the downhole device“KCM”

3.2 KCM 的試驗(yàn)及效果

3.2.1 偏心距大小及其作用的試驗(yàn)研究

這種KCM 裝置實(shí)際上是一種偏心裝置，偏心距是其一個(gè)重要參數(shù)。偏心距指的是在受力構(gòu)件中軸向力作用點(diǎn)至截面形心的距離，直接影響KCM的性能和作用。在優(yōu)化KCM 的結(jié)構(gòu)時(shí)，使用不同樣機(jī)，對(duì)偏心距的大小及其作用進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

一個(gè)樣機(jī)用直徑57 mm 和44 mm 的巖心管制成。質(zhì)量9.5 kg 的重錘（鉛）置于順著KCM 內(nèi)管側(cè)表面上，內(nèi)管與外管用環(huán)箍對(duì)中。KCM 長度4 m，質(zhì)量40 dN，偏心距為8 mm（KCM-8）。KCM 試驗(yàn)時(shí)沒有使用對(duì)中器，間隙fк=1～2 mm。試驗(yàn)是在不取心鉆進(jìn)時(shí)進(jìn)行的。試驗(yàn)孔段的巖石是各向異性、巖石可鉆性8～9 級(jí)經(jīng)過泥板巖化、碳酸鹽化和赤鐵礦化處理的英安巖、粗面英安巖和玄武巖。按照彈性模量測定的各向異性系數(shù)為1.2～1.7。

對(duì)KCM-8 裝置鉆進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果與長度為6 m 的3K 剛性三角形穩(wěn)定器鉆進(jìn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，與3K 穩(wěn)定器鉆進(jìn)相比，鉆孔彎曲強(qiáng)度降低了40%～50%，機(jī)械鉆速提高了10%，鉆頭進(jìn)尺提高了30%。用標(biāo)準(zhǔn)功率表H-348 記錄的功率消耗量大為降低，鉆具振動(dòng)過程明顯緩和。

偏心距為1.6 mm 的另一個(gè)樣機(jī)的試驗(yàn)，是在索斯納地質(zhì)生產(chǎn)聯(lián)合公司的324 地質(zhì)勘探大隊(duì)6749號(hào)鉆孔進(jìn)行的。巖石為可鉆性9～10 級(jí)玄武巖。在110 m 孔段中，100 m 的彎曲強(qiáng)度為0.95°。金剛石鉆進(jìn)下部巖石時(shí)，100 m 的彎曲強(qiáng)度為2.9°。在鉆進(jìn)相鄰剖面距離100 m 的6747 號(hào)鉆孔時(shí)，在用KCM鉆進(jìn)的6749 鉆孔同一孔段，用金剛石取心鉆進(jìn)的100 m 彎曲強(qiáng)度為 4.7°。

試驗(yàn)結(jié)果表明，使用不同偏心距KCM 裝置鉆進(jìn)時(shí)，鉆孔彎曲強(qiáng)度下降了，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)提高了。

3.2.2 生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果

生產(chǎn)試驗(yàn)是用裝有3 個(gè)KCM 裝置的鉆柱進(jìn)行的，3 個(gè)KCM 裝置均安裝在鉆柱的下部，第一個(gè)KCM 裝在取心工具的上方，第二個(gè)KCM 經(jīng)過兩根鉆桿，即距離第一個(gè)KCM 6 m 的部位，第三個(gè)KCM經(jīng)過3 根鉆桿，即距離第一個(gè)KCM 9 m 的部位。經(jīng)與Boart Longyear 公司 HR 標(biāo)準(zhǔn)鉆具鉆進(jìn)比較，頂角彎曲強(qiáng)度大為改善，方位角彎曲有所緩解，機(jī)械鉆速明顯提高（見表 2）［7］。

表2 KCM 裝置鉆進(jìn)與其他公司鉆具鉆進(jìn)對(duì)比結(jié)果Table 2 Result comparison between drilling with KCM and drilling with drill devices of other companies

3.3 KCM 的偏心距e

為了保證鉆柱回轉(zhuǎn)呈Ф1運(yùn)動(dòng)形式，使偏心距最小，需要滿足以下要求：

（1）鉆柱回轉(zhuǎn)速度快；

（2）鉆柱變形程度最小，允許軸載最小時(shí)使用鉆頭、工藝和間隙最小的“鉆柱-鉆孔”系統(tǒng)，以得到好的鉆進(jìn)效果；

（3）鉆進(jìn)裝置和孔壁的摩擦系數(shù)最小；

（4）鉆進(jìn)各向異性巖石時(shí)孔底對(duì)鉆頭端部的彎矩最小。

根據(jù)上述要求，高速金剛石繩索取心鉆進(jìn)時(shí)使用這種KCM 裝置最為合適。

孔底載荷給定時(shí)實(shí)現(xiàn)孔底鉆進(jìn)裝置圍繞鉆孔中心線回轉(zhuǎn)（Ф1運(yùn)動(dòng)形式）用KCM 偏心距與鉆頭轉(zhuǎn)速的關(guān)系，見表 3 和圖 8［7］。

KCM 轉(zhuǎn)動(dòng)角度αKC不同時(shí)，鉆柱呈Ф1運(yùn)動(dòng)形式所含不同系列管材長度L與轉(zhuǎn)速的關(guān)系見表4［7］。

3.4 KCM 磨損試驗(yàn)

KCM 在孔內(nèi)使用后，對(duì)其測量了磨損情況。為此，在接有KCM 鉆桿的不同位置，在外表面每隔45°的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ線上，每隔0.5 m 進(jìn)行了點(diǎn)焊（見圖9～12）。按照測得的焊珠磨損最大值，來評(píng)價(jià)孔壁和鉆桿接觸的磨損量。測量精度為±5%，每次測量均進(jìn)行3 次，以保證測量誤差降到0.07%。

表3 KCM 偏心距與鉆頭轉(zhuǎn)速的關(guān)系Table 3 KCM eccentricity vs rpm of the drill bit

圖8 KCM 裝置偏心距與轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.8 KCM eccentricity vs rpm

表4 鉆柱呈Ф1運(yùn)動(dòng)形式所含不同系列管材長度L與鉆柱轉(zhuǎn)速的關(guān)系Table 4 Length L of the drilling rods of various sizes vs rpm of the drilling string when the drilling string is moving in mode Ф1

圖9 接有KCM 裝置的鉆桿磨損測量情況Fig.9 Wear of the drill rod with the downhole device KCM

圖10～12 是裝有KCM 裝置的3 個(gè)鉆桿外表面磨損的展開圖。其中外表面磨損量為0～0.7 mm的，是低磨損量；磨損量為0.7～1.4 mm 的，是中等磨損量；1.4 mm 及其以上的是高磨損量。

試驗(yàn)了3 種裝有KCM 的鉆桿外表面磨損情況。裝有KCM1 的鉆桿置在巖心管的上方，距孔底3.3 m。裝有KCM2 的鉆桿，經(jīng)過每根長3 m 的2 根繩索取心標(biāo)準(zhǔn)鉆桿，距孔底的距離為12.3 m。裝有KCM3 的鉆桿置于KCM 鉆桿的上方，經(jīng)過3 根繩索取心鉆桿，即置于巖心管的上方，距孔底24.3 m。所有KCM 裝置參數(shù)都相同：偏心距e=1.24 mm，外徑88.9 mm，內(nèi)徑77.8 mm，長度3.0 m。

圖 10～12 表明，最大磨損量為 1.4 mm 以上，最小磨損量為0～0.7 mm，中間磨損量為0.7～1.4 mm，說明磨損是比較均勻的，說明這種KCM 是圍繞鉆孔中心線回轉(zhuǎn)的，回轉(zhuǎn)的性質(zhì)是穩(wěn)定的。KCM底部磨損較輕，是因?yàn)樵贙CM 上方有對(duì)中器存在的結(jié)果。KCM 上部磨損較重，是因?yàn)樵阢@柱中沒有對(duì)中器，以及最大磨損部位與半波峰部重合所致。Ⅳ線和Ⅴ線焊珠區(qū)最大磨損帶比較寬，是因?yàn)橥饬ψ兓ㄣ@柱回轉(zhuǎn)速度以及KCM 和鉆桿對(duì)孔壁的壓力）而使KCM 斷面發(fā)生一定轉(zhuǎn)動(dòng)引起的。

圖10 KCM1 裝置磨損展開圖Fig.10 Developed view of wear on the downhole device KCM1

圖11 KCM2 裝置磨損展開圖Fig.11 Developed view of wear on the downhole device KCM2

圖12 KCM3 裝置磨損展開圖Fig.12 Developed view of wear on the downhole device KCM3

磨損測量結(jié)果可以說明，這種KCM 能使鉆具圍繞鉆孔中心線回轉(zhuǎn)，具有穩(wěn)定的Ф1運(yùn)動(dòng)形式，而且可以把巖心管和鉆桿吸引到這種Ф1運(yùn)動(dòng)形式上來，從而減小鉆孔彎曲強(qiáng)度，提高鉆探的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對(duì)于各向異性巖石鉆進(jìn)來說，很有意義，非常重要。

4 討論和建議

（1）多數(shù)情況下，特別是在深孔條件下，鉆探遇到的巖石主要是各向異性的。各向異性巖石的特點(diǎn)之一是不同方向上的強(qiáng)度不同，在垂直層面的方向上硬度最小，在平行層面的方向上硬度最大。根據(jù)巖石破碎原理，巖石總是首先在阻力（強(qiáng)度）最小的方向上破碎的，所以容易造成鉆孔彎曲，影響鉆孔質(zhì)量，鉆探效率降低?？梢?，各向異性巖石中的鉆進(jìn)問題，是鉆探工程中常常遇到的一個(gè)難題。

（2）影響各向異性巖石中鉆探鉆孔彎曲的因素很多，諸如施工條件、機(jī)組人員技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)、鉆探設(shè)備、鉆探工具、鉆探工藝、操作技術(shù)、施工管理等。在施工人員和鉆探設(shè)備選定之后，鉆探工具（含鉆頭、孔底裝置）、鉆探工藝、操作水平和經(jīng)驗(yàn)非常重要。其中在硬件方面，鉆頭和孔底裝置最為重要，是關(guān)鍵技術(shù)。

（3）俄羅斯科技人員在應(yīng)對(duì)各向異性巖石中宜用的鉆頭方面，做了大量的研究工作，取得了不少成果，獲得了多項(xiàng)專利。他們?nèi)〉玫某晒c他們設(shè)計(jì)出來的鉆頭有直接關(guān)系。在鉆頭設(shè)計(jì)方面，他們有其獨(dú)特的設(shè)計(jì)思想，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)試驗(yàn)，證明是有效的，是成功的。我們應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行分析研究，取其精華，去其糟粕，設(shè)計(jì)出適合我國國情的鉆頭。

（4）俄羅斯科技人員提出鉆具圍繞鉆孔中心線回轉(zhuǎn)的概念，即Ф1運(yùn)動(dòng)形式，對(duì)于減少鉆孔彎曲，保證正常鉆進(jìn)具有一定意義。他們提出來的形面質(zhì)心移動(dòng)裝置（KCM），實(shí)際上就是偏心管裝置，實(shí)踐證明對(duì)于減小鉆孔彎曲，保持鉆具圍繞鉆孔中心線回轉(zhuǎn)是個(gè)有效措施。建議我們有關(guān)單位開展相關(guān)試驗(yàn)研究，進(jìn)一步驗(yàn)證其可行性和有效性。