羅宏保，李俊萍，吳金生

（中國地質科學院探礦工藝研究所，四川成都611734）

0 引言

目前我國干熱巖開發(fā)仍處于試驗性階段，干熱巖的開發(fā)應用是一項涉及多個方面的工程，其中干熱巖鉆井施工效率是評價干熱巖開發(fā)經(jīng)濟性的一個非常重要的因素［1-2］。干熱巖地層溫度高、巖石致密堅硬，在這樣的地層條件下如何實現(xiàn)高效鉆井仍存在很多技術難點［3-4］，比如全井采用常規(guī)回轉鉆進工藝，鉆進進尺較慢，不能滿足勘探開發(fā)要求［5］。根據(jù)不同井深地層環(huán)境，現(xiàn)在一般采用多工藝鉆進施工，而在干熱巖鉆井部分鉆井段根據(jù)干熱巖地層特性，發(fā)揮空氣潛孔錘鉆進技術優(yōu)勢，是解決硬巖地層鉆進進尺速度慢的有效方法之一［6-8］。

青海共和干熱巖GH-01 井在二開階段井深1508～2256 m 段采用空氣潛孔錘鉆進，純鉆時間內平均機械鉆速達4.49 m/h，較回轉鉆進鉆速提高2～3 倍。實踐證明，空氣潛孔錘鉆進技術在硬巖地層可大幅度提高鉆井效率，但是由于空氣潛孔錘鉆頭在高溫硬巖條件下短時間內磨損嚴重，易出現(xiàn)鉆頭掉齒、斷齒情況（如圖1 所示），無法保證井眼尺寸，而且小井眼還會導致其它鉆進問題的出現(xiàn)致使無法正常鉆進［9］。實際施工中就需要重新更換鉆頭，花費大量時間進行修孔，消耗的油料、時間成本較高，綜合鉆進效率較低［10-11］。

圖1 GH-01 井空氣潛孔錘鉆頭磨損情況Fig.1 Wear situation of the air DTH hammer bit used in GH-01

空氣潛孔錘鉆進技術已經(jīng)發(fā)展了幾十年［12］，潛孔錘鉆頭無論是規(guī)格型號還是結構設計上都是相對比較成熟的產(chǎn)品，但是鑒于在青海共和干熱巖GH-01 井應用情況，需要進行空氣潛孔錘鉆頭優(yōu)化，對其優(yōu)化主要從結構設計、鉆頭材料選型、固齒工藝等幾個方面來進行，研制適用于高溫硬巖的空氣潛孔錘鉆頭，提高空氣潛孔錘鉆進綜合效率，為干熱巖鉆探開發(fā)提供技術支持和技術儲備［13-14］。

1 鉆頭結構優(yōu)化設計

針對青海共和干熱巖GH-01 井使用空氣潛孔錘鉆進出現(xiàn)的問題對鉆頭結構進行針對性優(yōu)化。從青海共和干熱巖GH-01 井潛孔錘鉆頭磨損情況可以看出，邊齒基本全部脫落或斷裂，但中齒磨損較少。經(jīng)過分析認為：鉆頭體磨損較快，導致邊齒外露是邊齒脫落的重要原因之一，而邊齒脫落又會使得鉆頭上單個硬質合金齒承受的沖擊功增大，造成鉆頭中間斷齒。因此首先在鉆頭體保徑方面進行優(yōu)化設計，增強鉆頭體的保徑能力。保徑設計是采取在邊齒附近鑲嵌硬質合金的方式，并且增加保徑硬質合金齒顆粒數(shù)。通過保徑硬質合金齒延緩鉆頭體在高溫硬巖中的磨損，從而延緩邊齒的脫落，保證鉆孔孔徑滿足要求。

鉆頭結構優(yōu)化的另一個方面是風路設計，風路設計關系到鉆頭鉆進排渣的效果，排渣不暢會導致巖屑在鉆頭周圍不斷地磨損鉆頭。根據(jù)選用的新型沖擊器的密閉氣流系統(tǒng)，在風路優(yōu)化上創(chuàng)新了外部吹渣排風孔設計。高速氣流不再是從錘柄的中心孔進入孔底排渣，而是從錘柄側面的氣孔進入，這樣的設計氣流更加直接地進入孔底，排渣效果更好，并且原先的空心錘柄設計變?yōu)閷嵭腻N柄，提高了鉆頭錘柄的強度，而潛孔錘鉆頭鉆進過程中常見的事故就是錘柄斷裂［15］。

通過對空氣潛孔錘鉆頭保徑和風路2 個方面進行優(yōu)化設計（參見圖2），可延長鉆頭的使用壽命。

圖2 鉆頭結構優(yōu)化設計Fig.2 Optimized design of the bit structure

2 鉆頭材料優(yōu)化選型

空氣潛孔錘鉆頭加工材料是鉆頭使用壽命保證的最基本要素，主要包括鉆頭體加工合金鋼和硬質合金。

潛孔錘鉆頭剛體材料選擇的原則［16］：

（1）堅韌耐磨，具有良好的剛性和韌性配合；

（2）加工工藝性能良好。易切削，退火后硬度不大于HB260，但也不宜過軟，以免粘刀影響粗糙度，同時可淬性和淬透性要好。

目前常用的鉆頭體合金鋼是35CrMo 材料，該材料能夠滿足鉆頭在硬度較低的基巖中的鉆進需求且成本相對較低，但是無法滿足在高溫高硬的花崗巖中鉆進的需求，因此我們選用了機械屬性更好的30NiCrMo16-6 材料，2 種材料的屬性對比如表1所示。

表1 2 種鉆頭體材料屬性對比Table 1 Comparison of two material properties of bit body

硬質合金質量是鉆頭質量最重要的保證條件之一。對硬質合金的基本要求是：抗沖擊，耐磨損。其選用原則為：硬質合金的性能必須與巖石和沖擊器、鉆機類型相適應［16］。對于硬質合金的選擇，根據(jù)青海共和干熱巖GH-01 井空氣潛孔錘鉆頭磨損情況，針對高溫硬巖地層特點，我們對硬質合金進行了優(yōu)化選型，選擇硬度、抗彎強度和沖擊韌性更好的硬質合金，所選擇的硬質合金硬度達到HRA89.5～90.5、抗 彎 強 度 ≥2800 MPa、耐 溫 ≥800 ℃。

3 鉆頭冷壓固齒工藝

鉆頭失效形式最主要的是硬質合金齒磨損、破碎、脫落，這除了與鉆頭鉆進過程中服役條件惡劣有關外，還與鉆頭固齒工藝有很大的關系。目前我國球齒鉆頭的固齒工藝主要有冷壓、釬焊、熱嵌3 種方法。不論采用何種固齒工藝，都必須保證鉆頭在使用過程中不掉齒，這是球齒鉆頭的關鍵問題，因此對鉆頭的固齒工藝進行研究非常重要［17］。

目前潛孔錘鉆頭的固齒工藝采用較多的是冷壓固齒，冷壓固齒屬于壓配合固齒，其固齒力是由硬質合金齒、固齒孔之間的過盈量引起齒孔壁鋼體產(chǎn)生的彈塑性變形提供的。冷壓固齒的工藝流程：固齒孔鉆孔機加工?鉆頭體熱處理?固齒孔鉸孔?測孔徑?硬質合金磨齒?壓齒。整個冷壓固齒流程中要注意以下幾點：

（1）固齒孔的鉆、鉸中應盡量提高加工精度和孔壁表面光潔度，以提高對合金齒的固緊力。根據(jù)硬度不同的材料，分為先鉆孔后熱處理再鉸孔和先熱處理后再鉆孔、鉸孔2 種加工方式。

（2）測孔徑使用浮標式氣動量儀測孔，精度達到0.001 mm（微米）級別，并做好相應的數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計和每個孔的標注工作。數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計是為后續(xù)硬質合金磨齒做準備，標注每個孔是為壓齒做準備。

（3）磨齒根據(jù)測孔統(tǒng)計的數(shù)據(jù)加上確定的過盈量后在液壓磨床上從大到小逐級磨齒，精度達到0.001 mm（微米）級別。硬質合金齒磨完后需用柴油對合金齒進行清洗。

（4）壓齒時一定要盡量保證壓頭、硬質合金齒、齒孔三者的中心線重合。

在注意以上幾點的基礎上，固齒過盈量大小的選擇則是冷壓固齒的關鍵［18-19］，過盈量過小，提供的固緊力小，鉆頭工作過程中容易引起硬質合金齒的脫落；過盈量過大，固齒困難且易引起硬質合金齒破碎或者鉆頭體孔壁開裂。為了確定硬質合金齒和齒孔間的最佳過盈量，我們采用有限元仿真分析的方法對冷壓固齒過程進行模擬。通過建立有限元模型，仿真計算得到不同過盈量在壓齒過程中的關鍵參數(shù)，為冷壓固齒提供指導［20］。

3.1 模型建立和網(wǎng)格劃分

如圖3 所示的潛孔錘鉆頭三維模型，在不影響分析結果的基礎上為了減少計算量，通過對三維模型簡化得到單個硬質合金齒壓齒過程的二維模型，模型采用二維軸對稱模擬［21-22］。有限元網(wǎng)格劃分在ANSYS Workbench 平臺實現(xiàn)，網(wǎng)格劃分工具為ANSYS Meshing 2019R3。圖4 為二維有限元模型網(wǎng)格圖劃分。

3.2 邊界條件設置

鉆頭體模型采用雙線性各向同性硬化彈塑性本構，根據(jù)鉆頭體30NiCrMo16-6 材料屬性，設置參數(shù)為：密度7800 kg/m3、彈性模量210 GPa、泊松比0.3。根據(jù)硬質合金材料屬性，設置參數(shù)為：密度15000 kg/m3、彈性模量 600 GPa、泊松比 0.22。

圖3 潛孔錘鉆頭三維模型Fig.3 3D model of the DTH hammer bit

圖4 二維有限元模型網(wǎng)格圖劃分Fig.4 2D FEM model of the drill teeth and hole

仿真模擬分析硬質合金齒過盈壓入和拔出過程，具體邊界條件（參見圖5）如下：

（1）鉆頭體左側采用Fixed 固定約束。

（2）硬質合金齒右端夾持段采用位移邊界條件，整個過程分2 步，第一步沿水平方向向左壓入鉆頭體齒孔，第二步沿水平方向向右拔出硬質合金齒。加載的位移值如表2 所示。

圖5 邊界條件Fig.5 Boundary condition

表2 各工況邊界條件加載Table 2 Boundary condition loading under various working conditions

為了模擬不同過盈量的影響，選取0.04、0.05、0.06、0.07、0.08 mm 5 種不同過盈量進行分析。利用ANSYS 接觸設置中的過盈量設置功能，實現(xiàn)不同過盈量的添加。具體接觸和過盈量設置見圖6，圖中紅色線代表的是接觸面，藍色線代表的是目標面，接觸摩擦系數(shù)設置為0.1。

圖6 接觸示意圖及接觸設置Fig.6 Contact diagram and contact setting

3.3 計算結果分析

計算得到硬質合金齒不同過盈量壓入和拔出過程中鉆頭體和合金齒的等效應力云圖如圖7、圖8所示。

圖7 壓入過程等效應力云圖Fig.7 Equivalent stress cloud map of the pressing process

圖8 拔出過程等效應力云圖Fig.8 Equivalent stress cloud map of the pullout process

將硬質合金不同過盈量壓入和拔出過程中所需外力變化曲線圖，通過擬合形成外力對比圖，如圖9、圖10 所示。

根據(jù)仿真模擬分析計算結果，我們得出以下結論：壓齒過程中最大壓入力隨著過盈量的增大而增大，過盈量達到0.07 mm 時，壓入力增大放緩，0.08 mm 過盈量壓入力與0.07 mm 過盈量壓入力接近；拔出過程中最大拔出力隨著過盈量的增大而呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在過盈量為0.06 mm 時，初始拔出力最大，達到了27187 N。

圖9 不同過盈量壓入力對比Fig.9 Comparison of press forces at different interferences

圖10 不同過盈量最大拔出力變化Fig.10 Comparison of pullout forces at different interference

因此，通過鉆頭固齒有限元仿真分析計算，我們得到了理論計算上冷壓固齒的最佳過盈量，為后續(xù)鉆頭試制的固齒工藝提供了技術指導和支持。

4 結語

針對青海共和干熱巖GH-01 井空氣潛孔錘鉆進技術應用中鉆頭磨損較快、掉齒、斷齒的問題，從結構設計、材料選型、固齒工藝等幾個方面對空氣潛孔錘鉆頭進行了優(yōu)化。結構上增強保徑設計，延緩了鉆頭體磨損速度；創(chuàng)新排渣風路的設計，增強了排渣效果，減少了巖屑對鉆頭的重復磨損；鉆頭材料選擇了更適用于高溫硬巖的合金鋼和硬質合金，提高了鉆頭壽命；優(yōu)化了固齒工藝，運用有限元仿真分析計算最優(yōu)冷壓固齒參數(shù)，為鉆頭冷壓固齒提供了技術支持。

通過以上研究的開展，為試制適用于高溫硬巖的空氣潛孔錘鉆頭奠定了基礎，后續(xù)將在室內模擬花崗巖地層開展鉆頭鉆進試驗，在條件合適的情況下開展野外生產(chǎn)試驗，根據(jù)鉆頭鉆進試驗效果對高溫硬巖空氣潛孔錘鉆頭進行完善、改進，并對干熱巖鉆井空氣潛孔錘鉆進技術工藝進行研究，為干熱巖鉆井多工藝高效鉆進提供技術支持和技術儲備。