湯鳳林，НескоромныхВ.В.，寧伏龍，段隆臣，ЧихоткинВ.Ф.

（1.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海200032；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢430074；3.СибирскийФедеральныйУниверситет，Красноярск660041，Россия）

金剛石鉆進(jìn)在我國許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，取得了很大成績［1-7］。俄羅斯在這方面也做了不少工作，俄羅斯西伯利亞聯(lián)邦大學(xué)НескоромныхВ.В.教授等人研究了巖石的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和巖石破碎過程，探討了鉆進(jìn)速度與規(guī)程參數(shù)的關(guān)系，提出了臨界鉆進(jìn)規(guī)程的概念，推薦了保證正常鉆進(jìn)、防止鉆頭非正常磨損的措施，在生產(chǎn)上取得了很好的效果［8-24］。這些成果對(duì)我國同行有一定參考價(jià)值，值得我們關(guān)注。

1 巖石應(yīng)力變形狀態(tài)

為了研究金剛石鉆進(jìn)時(shí)的巖石應(yīng)力狀態(tài)，使用了計(jì)算機(jī)模擬程序。在NASTRAN for Windows環(huán)境中，對(duì)在設(shè)定巖石物理力學(xué)性質(zhì)的鉆孔中鉆進(jìn)時(shí)的情況，進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬。主要是研究在鉆頭靜壓條件下，均質(zhì)巖石破碎中的應(yīng)力分布狀況。模擬了鉆頭上單個(gè)金剛石與孔底巖石的接觸情況。作用在環(huán)狀鉆頭上的載荷為10000 N。為了模擬孔底情況，在巖樣周圍設(shè)置了固定形式的邊界條件。鉆進(jìn)時(shí)使用的巖樣是花崗巖，其彈性模量60000 MPa，泊松比0.23，密度2.7 g/cm3，極限許用壓應(yīng)力160 Pa，極限許用拉應(yīng)力10 Pa。試驗(yàn)主要結(jié)果如下［8-9］。

圖1示出了鉆進(jìn)時(shí)環(huán)狀孔底巖石中的正應(yīng)力（壓應(yīng)力和拉應(yīng)力）的分布情況。壓應(yīng)力為正值，拉應(yīng)力為負(fù)值。從圖1可見，在形成巖心部位和鉆頭本身中作用的是拉應(yīng)力，而在巖石中作用的是壓應(yīng)力。

圖1 環(huán)狀孔底的正應(yīng)力Fig.1 Nor mal stress at the cir cular bottom

圖2示出了被鉆巖石中的應(yīng)力分布情況。此時(shí)按照ФонМизес標(biāo)準(zhǔn)（巖石抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和變形）用的是相當(dāng)應(yīng)力。壓應(yīng)力為正值，拉應(yīng)力為負(fù)值。從圖2可見，在形成巖心部位和鉆頭本身中作用的是拉應(yīng)力，而在鉆頭下方和巖石中作用的是壓應(yīng)力。在施載整個(gè)表面上都有變形。

圖2 環(huán)狀孔底應(yīng)力分布Fig.2 Stress distribution at the circular bottom

圖3示出了金剛石鉆進(jìn)中巖石和鉆頭接觸時(shí)，巖石中的剪應(yīng)力分布情況。從圖3可見，鉆頭端部下方的剪應(yīng)力最大，而在形成巖心的部位，剪應(yīng)力很小。正是這種應(yīng)力分布形式，保證了獲得高質(zhì)量巖心并保護(hù)完好的最優(yōu)條件。

圖3 環(huán)狀孔底的剪應(yīng)力Fig.3 Shearing stress at the circular bottom

圖4示出了金剛石鉆進(jìn)中巖石與鉆頭接觸時(shí)的巖石變形過程。從圖4可見，鉆頭端部下方巖石變形最大，而在巖心形成部位變形不大。

圖4 環(huán)狀孔底巖石變形過程分析Fig.4 Analysis of rock deformation process at the cir cular bottom

圖5示出了模擬鉆進(jìn)層狀巖石時(shí)相當(dāng)應(yīng)力的分布情況。從圖5可見，這種巖石中的應(yīng)力與均質(zhì)巖石中有所不同，主要表現(xiàn)有應(yīng)力集中和鉆頭下方應(yīng)力帶形狀情況有所不同。

圖5 模擬鉆進(jìn)層狀巖石時(shí)相當(dāng)應(yīng)力的分布情況Fig.5 Distribution of equvalent str ess in modelling drilling bedded rock

2 巖石破碎過程

2.1 巖石破碎的3種方式

根據(jù)壓模試驗(yàn)結(jié)果得知，按破碎特點(diǎn)和鉆進(jìn)效果，巖石破碎有3種方式，見圖6［4-5］。

圖6 巖石的不同破碎變形方式Fig.6 Different modes of rock fragmentation and deformation

切削具上軸載P不大時(shí)，切削具與巖石的接觸壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巖石硬度，由于必須克服巖石的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（巖石硬度），所以此時(shí)切削具不能破碎巖石。切削具移動(dòng)時(shí)，將研磨孔底巖石，巖石的破碎是由切削刃與巖石接觸摩擦所做的功引起的，因此分離下來的巖石顆粒很小，鉆進(jìn)速度低，鉆孔進(jìn)尺h(yuǎn)很慢。這種破碎方式稱為巖石表面研磨，這個(gè)區(qū)域稱為表面破碎區(qū)Ⅰ。

如果切削具上的軸向載荷增加，使巖石晶間破壞，巖石結(jié)構(gòu)間缺陷發(fā)展，特別是孔底受多次載荷影響產(chǎn)生的疲勞裂隙更加發(fā)展，于是眾多裂隙交錯(cuò)，盡管切削具與巖石的接觸壓力仍然小于巖石硬度，仍可產(chǎn)生較粗顆粒的分離。這種破碎方式稱為疲勞破碎，這個(gè)區(qū)域稱為疲勞破碎區(qū)Ⅱ。

如果切削具上的軸向載荷繼續(xù)增加，達(dá)到切削具可以有效切入巖石，其結(jié)果是：切削具在孔底移動(dòng)時(shí)不斷克服巖石的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，切下巖屑。此時(shí)切削具與巖石的接觸壓力大于或等于巖石硬度。這種破碎方式稱為體積破碎，這個(gè)區(qū)域稱為體積破碎區(qū)Ⅲ。體積破碎時(shí)，可以分離出大顆粒巖石，破碎效果好。

2.2 鉆頭切入巖石深度

我們可以以鉆頭切入巖石深度為切入點(diǎn)，討論金剛石鉆進(jìn)時(shí)的巖石破碎過程［8-9］。

如圖7所示，金剛石鉆進(jìn)時(shí)，在軸載P和扭矩切力F作用下，在合力R的方向上形成壓縮核AMB，在壓縮核頂端與孔底表面上形成使巖石產(chǎn)生分離的裂隙aM。

圖7 金剛石破碎巖石過程示意Fig.7 Rock fragmentation process by diamond

機(jī)械鉆速VM可按下式計(jì)算：

式中：VT、Vp——分別為巖石破碎形成裂隙的速度和金剛石移動(dòng)的線速度，m/s；λ——影響提高VT各因素（如巖石結(jié)構(gòu)缺欠等）的系數(shù)；Сг——巖石單位體積剛度，N/cm3；σ——巖石壓縮核中的應(yīng)力，N/cm2；ω——鉆頭轉(zhuǎn)速，r/min；np——切削線上有效破碎巖石的金剛石粒數(shù)，粒；N0——切削線上的金剛石總粒數(shù)，粒；h、hЛ——分別為金剛石顆粒切入巖石的深度和巖石破碎形成裂隙的深度，mm。

假設(shè)金剛石是球狀的，則：

式中：R——扭矩切力F和軸載P的合力；SCK——巖石破碎時(shí)的剪切面積。

巖石破碎形成裂隙的深度hл，可以表示為：

式中：α——合力R和軸載P的夾角；d——金剛石直徑。

金剛石切入巖石深度h為：

式中：P——軸載，N；F——扭矩切力，N；2l——裂隙長度，mm；a——晶格常數(shù)，mm；d——金剛石直徑，mm；E——巖石彈性模量，Pa；ε——巖石破碎時(shí)巖石變形的相對(duì)變形量（長度）；αп——巖石熱膨脹系數(shù)，mm/℃；t——巖石表層溫度，℃；τ——破碎載荷的施載時(shí)間，s；τ0——固體中原子振動(dòng)周期，10-12～10-13s。

從式（4）可見，如果軸載P和切力F增加、巖石裂隙大小2l增加、巖石表層溫度t（巖石溫度提高，巖石強(qiáng)度降低）增加、破碎載荷作用時(shí)間τ增加，則金剛石切入巖石深度h增加。如果金剛石直徑d增加、巖石彈性模量E增加（彈性模量增加通常與巖石硬度增加成比例，可使巖石變形在不破壞連續(xù)性條件下大為增加，即提高了巖石的塑性），則金剛石切入巖石深度h降低。

如圖7和式（3）、式（4）所示，對(duì)于不同巖石和不同破碎巖石方式來說，巖石破碎裂隙深度hл和金剛石切入巖石深度h是不同的，二者的差別是很大的。

2.3 巖石預(yù)破碎區(qū)

在巖石破碎過程中，在排除巖屑的同時(shí)，在孔底空間內(nèi)形成一個(gè)微裂隙系統(tǒng)發(fā)育的弱巖層，這個(gè)巖層稱為預(yù)破碎區(qū)。從加速巖石破碎過程和降低碎巖能耗量觀點(diǎn)來看，這個(gè)預(yù)破碎區(qū)非常重要。

碎巖切削具的破碎載荷均勻地向巖石各個(gè)方向施加而產(chǎn)生的應(yīng)力和變形，是產(chǎn)生這個(gè)預(yù)破碎區(qū)的主要原因。

烏克蘭科學(xué)院超硬材料研究所利用熒光探測方法，對(duì)這個(gè)預(yù)破碎區(qū)的規(guī)律性進(jìn)行過研究。該項(xiàng)研究是用孕鑲金剛石鉆頭進(jìn)行的。鉆進(jìn)用不同軸載，記錄鉆頭每轉(zhuǎn)的進(jìn)尺。鉆進(jìn)后用具有高度潤濕和穿透能力的熒光液體，對(duì)孔底預(yù)破碎區(qū)進(jìn)行了處理。根據(jù)熒光液體的亮度來確定預(yù)破碎區(qū)裂隙擴(kuò)展的范圍［8］。

鉆進(jìn)花崗巖-斑巖、輝長巖和石英砂巖時(shí)形成的破碎區(qū)深度如表1所示。

表1 預(yù)破碎區(qū)研究結(jié)果Table 1 Results from study on the pre?crushing zone

從表1可見，預(yù)破碎區(qū)的深度比鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺大得多，這個(gè)差別在脆性巖石中是很大的，在比較塑性的輝長巖中很小。這個(gè)深度在軸載250～750 d N范圍內(nèi)增加很快，但在軸載繼續(xù)增加時(shí)，增加不大。

為了研究預(yù)破碎區(qū)，選取了彈脆性粗粒玄武巖和彈塑性的各向異性熔結(jié)凝灰?guī)r，對(duì)用金剛石表鑲鉆頭鉆得的巖樣做成了薄片，供Polam-111顯微鏡的反射光觀察使用。根據(jù)顯微鏡和照片放大計(jì)算的結(jié)果，得出了預(yù)破碎區(qū)的厚度。

圖8是粗粒玄武巖巖樣預(yù)破碎區(qū)的照片。從圖8可見，預(yù)破碎區(qū)由2部分組成：非常破碎部分和裂隙弱化部分，邊界用虛線表示。非常破碎部分的厚度為0.17 mm，裂隙弱化部分的厚度為1.7 mm?？梢钥闯?，預(yù)破碎區(qū)的形狀和孔底形狀相近。

圖8 粗粒玄武巖預(yù)破碎區(qū)照片F(xiàn)ig.8 Photo of the pre?crushing zone in coarse grain basalt

圖9是彈塑性各向異性熔結(jié)凝灰?guī)r預(yù)破碎區(qū)的照片。在圖9中，預(yù)破碎區(qū)也由2部分組成：非常破碎部分和塑性變形部分。非常破碎部分是壓碎的和松散的部分，位于距孔底0.12 mm的深度。塑性變形部分包括孔底部分和孔壁部分，此部分的厚度為0.42 mm。

圖9 彈塑性各向異性熔結(jié)凝灰?guī)r預(yù)破碎區(qū)照片F(xiàn)ig.9 Photo of the pre?crushing zone in elastic and plastic anisotr opic sintered tuff

所用巖樣是用軸載600 dN、轉(zhuǎn)速150 r/min和乳化液作為沖洗液進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)的。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）預(yù)破碎區(qū)的大小隨著鉆頭軸載的增加而增加，隨轉(zhuǎn)速的增加而少許減少。

（2）在彈脆性粗粒玄武巖中，破碎區(qū)中的巖石呈非常破碎裂隙形式，而且裂隙是在礦物顆粒間發(fā)展的，脆性結(jié)晶礦物也是被破碎的。

（3）在塑性熔結(jié)凝灰?guī)r中，預(yù)破碎區(qū)是以松散、破碎的巖石形式出現(xiàn)的，沒有形成明顯的裂隙。

（4）各向異性巖石中的裂隙，主要是沿著層面、片理面形成。

預(yù)破碎區(qū)是鉆進(jìn)工藝作用的結(jié)果，這種工藝作用可以鉆進(jìn)時(shí)在巖石中形成預(yù)破碎區(qū)，使孔底表面巖石弱化，降低巖石破碎的能耗量，對(duì)于提高鉆進(jìn)效果具有積極意義。

3 巖石破碎過程與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的關(guān)系

巖石破碎過程往往是以該過程中鉆進(jìn)（破碎）速度及其變化情況表示的。鉆進(jìn)速度可以用鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺（mm/r）或機(jī)械鉆速（m/h）表示?，F(xiàn)據(jù)所用資料的原始形式，分別討論如下［8-24］。

3.1 鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的關(guān)系

在金剛石鉆進(jìn)工藝的研究工作和實(shí)際建議中，常常把鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)об看成是可以控制鉆進(jìn)工藝過程的指標(biāo)，即：

式中：hоб——鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺，mm/r；VM——機(jī)械鉆速，mm/min；n——鉆頭轉(zhuǎn)速，r/min。

這是一個(gè)綜合性指標(biāo)，可以用它來間接研究和評(píng)價(jià)孔底鉆進(jìn)的物理過程，諸如巖石對(duì)切削具切入的反應(yīng)、鉆頭的工作情況以及巖石物理力學(xué)性質(zhì)和鉆頭切削具磨損情況變化的條件下，鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)（軸載、鉆頭轉(zhuǎn)速、沖洗液量）的作用問題等。所以，可以利用鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)об的大小來確定最優(yōu)鉆進(jìn)規(guī)程。

最優(yōu)鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺指的是，在金剛石切削具不產(chǎn)生拋光、在最小軸載作用下的鉆頭每轉(zhuǎn)破碎巖石進(jìn)尺的數(shù)值，當(dāng)軸載哪怕少許增加上述數(shù)值時(shí)，金剛石切削具就會(huì)過度切入巖石、本身破壞，做無用功。

最優(yōu)鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺的數(shù)值，與金剛石切削具的尺寸、巖石物理力學(xué)性質(zhì)和鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)有關(guān)。全俄勘探技術(shù)研究所通過試驗(yàn)確定，表鑲金剛石鉆頭的最優(yōu)每轉(zhuǎn)進(jìn)尺是金剛石直徑d的2.5%～10%，即hоб=（0.025～0.1）d［8-9］。

最優(yōu)每轉(zhuǎn)進(jìn)尺與粒度Z（粒/ct）（1 ct=0.2 g，下同）的關(guān)系為：

單粒金剛石的許用軸載為：

鉆頭的軸載值為：

式中：M——底刃金剛石質(zhì)量，ct。

金剛石表鑲鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，推薦的最優(yōu)單粒金剛石切入值為h=0.001～0.008 mm/r。h＜0.001 mm/r時(shí)，金剛石拋光。h＞0.008 mm/r時(shí)，金剛石切削具嚴(yán)重磨損。

圖10給出了鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的關(guān)系，以及說明了巖石表面疲勞破碎和體積破碎的過程［8-9］。

圖10 鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的關(guān)系以及巖石破碎過程示意Fig.10 Drill bit penetration per revolution vs drilling parameters

從圖10（a）可見，如果軸載增加，則不論鉆頭轉(zhuǎn)速如何，鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺的數(shù)值都是增加的，在巖石表面疲勞破碎階段和體積破碎階段都是如此。

鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺與轉(zhuǎn)速的關(guān)系比較復(fù)雜。在表面疲勞破碎階段（圖10b），如果軸載不能足以產(chǎn)生體積破碎，則轉(zhuǎn)速高時(shí)的每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)y數(shù)值大是其特點(diǎn)。隨著轉(zhuǎn)速的降低，在軸載增加（P1→P2→P3）時(shí)，每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)y的數(shù)值趨于相等。其原因在于，在巖石疲勞破碎過程中，切削具多次重復(fù)循環(huán)施載而使巖石中產(chǎn)生大量的裂隙并使其發(fā)展，因此是巖石強(qiáng)度和硬度降低所致?？梢姡?dāng)切削具載荷不能足以切入巖石時(shí)，如果采用高的鉆頭轉(zhuǎn)速，則這種施載方式可能比較有效。

當(dāng)施加的軸載Pn到達(dá)一定數(shù)值時(shí)，此時(shí)的軸載Pn足以使切削具切入巖石，所以破碎巖石變成體積破碎方式。但是，體積破碎時(shí)，鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺的高值是在較低鉆頭轉(zhuǎn)速（nmin）情況下取得的，鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺的數(shù)值是隨鉆頭轉(zhuǎn)速的增加而降低的。形成這種機(jī)制的原因是，在形成破碎穴時(shí)，巖石沿著孔底表面（AБ線）被切削具剪切下來。如果切削具移動(dòng)速度（Vp）等于AБ（見圖10c）方向上形成巖石分離裂隙的速度（VT），則巖石破碎情況是最優(yōu)的。而在高轉(zhuǎn)速時(shí)，切削具前面巖石分離裂隙的形成速度VT小于切削具移動(dòng)速度Vp，切削具承受的巖石阻力增大，猶如“漂浮”起來，即切削具切入巖石深度降低了（見圖10d）。切削具“漂浮”時(shí)，應(yīng)該減小分離裂隙A*Б*長度，以便切削具移動(dòng)速度重新等于分離裂隙AБ形成的速度。

巖石體積破碎時(shí)，如果轉(zhuǎn)速增加，可以通過增加軸載（P4、P5、P6）辦法，來使每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)0相近（圖10 a）。所以，為了保持合理的鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺，隨著鉆頭轉(zhuǎn)速的增加，應(yīng)該增加鉆頭軸載。

巖石體積破碎時(shí)，可能出現(xiàn)破碎非常有效的情況。為此需要完全凈化孔底巖屑，保持軸載和轉(zhuǎn)速的合理組合，以便巖石分裂裂隙AБ（圖10c）形成速度與切削具移動(dòng)速度相應(yīng)，即巖石壓縮核中的應(yīng)力，在剪應(yīng)力和拉應(yīng)力的作用下，足以剪切掉切削具前面上的巖石。

孔底巖屑堵塞時(shí)，如果供給的沖洗液量不足，則巖石破碎條件惡化。在這種情況下，如果巖石體積破碎所需軸載足夠充分的話，則可以看到與表面疲勞破碎類似的破碎方式，鉆頭切削具重復(fù)破碎巖屑?jí)|，不能產(chǎn)生有效破碎巖石的應(yīng)力。在這種情況下，鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，將與表面疲勞破碎方式類似，鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺在較高鉆頭轉(zhuǎn)速（nmax）時(shí)達(dá)到高值（見圖11a、11b）［8-9］。

圖11 鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺與規(guī)程參數(shù)的關(guān)系以及孔底巖屑堵塞時(shí)巖石破碎示意Fig.11 Drill bit penetration per revolution vs drilling parameters(a),volumeric fragmentation when cuttings is blocked up at bottom(b),and thermo?mechanical fragmentation(c)

但是，如果軸載過大，則會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的熱力機(jī)械破碎巖石的方式（圖11c），此時(shí)鉆頭熱力強(qiáng)度降低，導(dǎo)致鉆頭損壞。首先是金剛石切削具損壞（折裂、崩刃）和磨損。開始階段，由于轉(zhuǎn)速高，切削具磨損快，所以鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺降低。后來，由于胎體金屬磨損嚴(yán)重、切削具金剛石出刃大，轉(zhuǎn)速提高導(dǎo)致鉆速增加。這是由于孔底被鉆頭胎體磨損產(chǎn)物呈“金屬化”而使摩擦力和鉆頭回轉(zhuǎn)阻力減小引起的。此時(shí)容易發(fā)出虛假信號(hào)，給人造成錯(cuò)覺，認(rèn)為每轉(zhuǎn)進(jìn)尺增加了，似乎鉆頭孔底工作條件良好，會(huì)給選擇最優(yōu)鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)帶來困難。

可見，由于熱力機(jī)械破碎時(shí)，胎體損壞和金剛石露出而使金剛石切削具嚴(yán)重受損，此時(shí)為了避免鉆頭熔化損壞、甚至燒鉆，應(yīng)該停止鉆進(jìn)，采取相應(yīng)措施。

3.2 機(jī)械鉆速與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的合理組合

如果鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)配合合理，則金剛石鉆進(jìn)可以獲得很高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)［8-24］。圖12上示出了直徑59 mm和76 mm孕鑲金剛石鉆頭機(jī)械鉆速與軸載的關(guān)系曲線。從圖12可見，機(jī)械鉆速隨鉆頭轉(zhuǎn)速的提高而增加，而且在軸載2400 d N時(shí)達(dá)到最大值。

圖12 不同轉(zhuǎn)速時(shí)機(jī)械鉆速與軸載的關(guān)系曲線Fig.12 Mechnical pnetr ation r ate vs weight on bit at different rpm

鉆頭轉(zhuǎn)速提高時(shí)，金剛石切入巖石深度下降，相應(yīng)的巖石破碎穴深度也下降了。這首先是因?yàn)樽冃伟l(fā)育的時(shí)間減少了，巖石中破碎合應(yīng)力降低了，與之相應(yīng)地切削具切入巖石深度變淺了。由于巖石中破碎合應(yīng)力降低了，所以巖石切削剪切阻力和壓碎阻力增大了，切削具切入巖石深度變淺了。

圖13給出了轉(zhuǎn)速和軸載對(duì)機(jī)械鉆速增幅的影響以及與轉(zhuǎn)速增加的對(duì)比資料。

圖13 不同軸載條件下鉆頭機(jī)械鉆速增幅d和鉆頭轉(zhuǎn)速增幅m之比（d/m）與鉆頭轉(zhuǎn)速n的關(guān)系曲線Fig.13 Ratio of penetration rate increase rate d to rpm increase rate m（d/m）at different weight on bit

根據(jù)圖13可以確定，機(jī)械鉆速隨著轉(zhuǎn)速的提高而提高，但是隨著轉(zhuǎn)速的提高（由200 r/min提高到1200 r/min），機(jī)械鉆速的增幅降低了（由0.95～0.7降到0.7～0.5）。同時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，機(jī)械鉆速在硬巖中的增幅比軟巖低。

圖13中曲線表明，隨著鉆頭轉(zhuǎn)速的增加，機(jī)械鉆速的增幅d/m在最小軸載600 d N和最大軸載3000 dN時(shí)最小。在第一種情況下，顯然是由于軸載不能形成體積破碎所致，在第二種情況下，是由于軸載太大，導(dǎo)致孔底形成巖屑堵塞所致。

從圖13可見，在軸載1800、2400 d N和轉(zhuǎn)速800 r/min時(shí)，機(jī)械鉆速增幅開始超過轉(zhuǎn)速增幅，這就說明這些參數(shù)組合，即軸載1800～2400 dN和轉(zhuǎn)速800～1200 r/min組合是最優(yōu)的參數(shù)組合。這組參數(shù)組合與巖石體積破碎的最優(yōu)條件符合，在最優(yōu)條件中，這2個(gè)主要參數(shù)是非常重要的。

可見，保證機(jī)械鉆速最高的鉆頭最優(yōu)軸載，都與每一個(gè)鉆頭的轉(zhuǎn)速相呼應(yīng)。通常的做法是：轉(zhuǎn)速增加時(shí)，增加軸載來提高碎巖應(yīng)力（這種碎巖應(yīng)力在鉆頭切削具移動(dòng)速度增加時(shí)是降低的）。但是，軸載不變，轉(zhuǎn)速增加到極限值時(shí)，則機(jī)械鉆速下降，金剛石鉆頭端面會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的微裂隙和金剛石鉆頭胎體拋光。為了防止開始的拋光過程，應(yīng)該少許提高鉆頭軸載，然后再提高轉(zhuǎn)速，增加沖洗液量。可以通過這些步驟來確定轉(zhuǎn)速和軸載的最優(yōu)配合。

鉆頭極限轉(zhuǎn)速nnp根據(jù)極限許用功率Nnp確定：

式中：DB——鉆頭直徑，m；Poc——軸載，N。

表2為全俄勘探技術(shù)研究所提出了金剛石鉆頭鉆進(jìn)不同硬度巖石用的軸載和轉(zhuǎn)速配合資料［8-9］。

表2 金剛石鉆頭鉆進(jìn)不同硬度巖石用的軸載和轉(zhuǎn)速Table 2 Weight on bit and rpm for diamond drilling in different hardness rock

應(yīng)該指出的是，表中所列資料為平均值，沒有考慮鉆頭胎體中的金剛石濃度。

軸載值可以用下式計(jì)算：

式中：φ0——考慮金剛石與孔底接觸面積變化的系數(shù)，φ0=0.17～0.25，最小值于巖石抗壓強(qiáng)度РШ＞3.5 GPa時(shí)使用，最大值于РШ＜1.5 GPa時(shí)使用；fa——底刃金剛石與巖石接觸的總面積，m2。

金剛石鉆頭的軸載應(yīng)該隨著巖石硬度的增加和底刃金剛石濃度的增加而增加。

式（10）是針對(duì)新鉆頭開始鉆進(jìn)時(shí)計(jì)算的。隨著鉆頭磨合、巖石破碎區(qū)增大和孔底巖屑的增多，在提高轉(zhuǎn)速和沖洗液量的同時(shí)，應(yīng)該增加軸載。當(dāng)機(jī)械鉆速開始下降（孕鑲鉆頭下降慢、表鑲鉆頭下降快，因?yàn)楹笳哞傆写箢w粒金剛石，大顆粒與巖石接觸面積隨著磨損而增加快）時(shí)，一般應(yīng)該開始增加軸載。所以，應(yīng)該隨著底刃金剛石與巖石接觸面積的增加而加大金剛石鉆頭的軸載：表鑲鉆頭增加1～1.2倍，孕鑲鉆頭增加30%。

圖14是金剛石鉆進(jìn)時(shí)軸載對(duì)鉆進(jìn)規(guī)程影響關(guān)系圖，給出了鉆頭轉(zhuǎn)速700～800 r/min時(shí)О2И3孕鑲鉆頭機(jī)械鉆速VM、鉆頭磨損G與鉆頭單位軸載的關(guān)系曲線。

圖14 鉆頭機(jī)械鉆速、磨損與單位軸載的關(guān)系曲線Fig.14 Penetration rate and bit wear vs specific weight on bit

分析圖14曲線可見，在鉆頭單位軸載15 N/mm2時(shí)，機(jī)械鉆速最大，鉆頭磨損最小。繼續(xù)增加鉆頭軸載時(shí)，機(jī)械鉆速開始減小，然后增加，同時(shí)金剛石耗量增加。目測鉆頭磨損性質(zhì)可見，高軸載（圖14中Ⅱ區(qū)）時(shí)，金剛石上有裂紋和崩刃，而在Ⅰ區(qū)的規(guī)程參數(shù)時(shí)，胎體沒有明顯磨損，金剛石沒有損壞。

為了研究轉(zhuǎn)速和軸載乘積對(duì)鉆頭磨損的影響，圖15給出了用軸載和轉(zhuǎn)速乘積等于一個(gè)定值Pocn=const關(guān)系式表達(dá)的金剛石磨損的資料。分析圖15可見，使用A區(qū)規(guī)程參數(shù)進(jìn)行鉆進(jìn)的鉆頭，沒有異常磨損，使用B區(qū)規(guī)程參數(shù)進(jìn)行鉆進(jìn)的鉆頭，所有金剛石都有損傷，而使用C區(qū)規(guī)程參數(shù)進(jìn)行鉆進(jìn)的鉆頭，有的金剛石有異常磨損，有的沒有異常磨損，是個(gè)過渡區(qū)。

對(duì)比圖14和圖15可見，圖15中的A區(qū)與圖14中Ⅰ區(qū)相應(yīng)，而圖15中B區(qū)與圖14中Ⅱ區(qū)相應(yīng)。C區(qū)的存在說明鉆頭制作質(zhì)量不同和有隨機(jī)因素的影響。

圖15 鉆頭磨損與軸載和轉(zhuǎn)速的乘積(P oc n)的關(guān)系曲線Fig.15 Dr ill bit wear vs pr oduct of weight on bit P oc times rpm n(P oc n)

金剛石鉆進(jìn)時(shí)，除了軸載和轉(zhuǎn)速外，供給孔底的沖洗液量是個(gè)很重要的參數(shù)，因?yàn)闆_洗液不緊要排除孔底巖屑，還要冷卻鉆頭。鉆頭水路沖洗液流動(dòng)速度是保證金剛石鉆頭有必要冷卻程度的主要因素。同時(shí)，增加鉆頭水路沖洗液流動(dòng)速度有助于提高機(jī)械鉆速。

增加鉆頭水路沖洗液流動(dòng)速度，可以采取以下途徑：增加沖洗液量；沖洗液量低時(shí)增加水口數(shù)量、減小水口尺寸；改變水口特征和研發(fā)沖洗液液流加速劑。后兩種途徑是比較有前景的，因?yàn)槠涮攸c(diǎn)是供給沖洗液的能量消耗少，沖洗液流對(duì)鉆孔和巖心的侵蝕作用小。同時(shí)，水口多可以保證鉆頭胎體冷卻均勻。

考慮到?59 mm和?76 mm鉆頭的水口數(shù)量，建議使用的沖洗液量分別為15～40 L/min和15～55 L/min。

隨著胎體的磨損，特別是孕鑲鉆頭胎體的磨損，水口高度也在減小，沖洗液流動(dòng)速度增加。沖洗液流動(dòng)速度可按下式計(jì)算：

式中：kK——鉆頭水口數(shù)量；bK——水口寬度；bK——水口初始高度。

如果推薦的鉆頭水口流動(dòng)速度為7～10 m/s，水口高度減小，則沖洗液流量也應(yīng)隨鉆頭磨損而成比例減小。如果沖洗液量不隨水口面積的減小而減小，則在鉆頭上產(chǎn)生壓力降，即產(chǎn)生水力阻力，鉆頭產(chǎn)生水力回流。如果降低沖洗液量，則巖屑凈化和鉆頭冷卻條件沒有惡化，而且能耗量減小了，鉆進(jìn)效率提高了。所以，在設(shè)計(jì)金剛石鉆進(jìn)孔底供給沖洗液量時(shí)，這一點(diǎn)需要加以考慮。

全俄勘探技術(shù)研究所伊爾庫茨克分所進(jìn)行的研究結(jié)果表明，可以把金剛石鉆頭水口形狀和鉆探效率聯(lián)系起來。研究確定，水口形狀成對(duì)數(shù)曲線形、入口部分與鉆頭回轉(zhuǎn)方向反向，與鉆頭端面成96°的水口形狀是水口的最優(yōu)形狀，這種曲線水口形狀見圖16，這是前蘇聯(lián)發(fā)明技術(shù)，蘇聯(lián)證書號(hào)為a.c.CCCP，№1355686［8-9］。

圖16 不同形狀水口金剛石鉆頭Fig.16 Diamond bits with logarithm curve waterway(a),and vertical line waterway(b)

對(duì)數(shù)曲線形水口金剛石鉆頭在鉆頭體和胎體中，可以形成曲線形通道（圖16a），有利于排除巖屑，比直通式水口（圖16b）長，有利于冷卻胎體。在索斯諾地質(zhì)生產(chǎn)公司使用長曲線水口鉆頭時(shí)，鉆探效率和鉆頭壽命均提高了30%左右，說明這種長的對(duì)數(shù)曲線形狀水口鉆頭的研發(fā)是成功的。

3.3 極限鉆進(jìn)規(guī)程與規(guī)程參數(shù)調(diào)節(jié)

烏克蘭超硬材料研究所鉆探科研人員提出了極限鉆進(jìn)規(guī)程的概念，即當(dāng)軸載P和轉(zhuǎn)速n的乘積（Pn）達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，胎體溫度急劇上升，鉆頭磨損明顯加劇，沖洗液量Q再大也無濟(jì)于事，說明已經(jīng)到了臨界規(guī)程狀態(tài)［2-5］。他們利用人造金剛石鉆頭（粒度為200～400μm）在花崗巖中進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)，獲得了胎體溫度、鉆頭磨損與軸載P和轉(zhuǎn)速n乘積（Pn）關(guān)系的資料，見圖17。

圖17關(guān)系曲線表明，正常鉆進(jìn)規(guī)程狀態(tài)時(shí)，功率和胎體溫度隨著軸載和轉(zhuǎn)速的提高而穩(wěn)步提高。但當(dāng)（Pn）值達(dá)到（61.1±3.8）102·kN·r/min時(shí)，胎體溫度由平緩的100～200℃急劇增加到600～700℃，耗用功率由2～3 k W增加到6 k W，說明此時(shí)已經(jīng)到了臨界狀態(tài)。

圖17 鉆進(jìn)時(shí)鉆頭胎體溫度T和功率消耗量N與鉆壓轉(zhuǎn)速乘積（Pn)的關(guān)系曲線Fig.17 Drill bit matrix temperature T,power consump?tion N vs WOB speed pr oduct(Pn)during drilling

圖18示出了鉆頭磨損（用單位體積破碎功的磨損量w表示）與PV（線速度）乘積的關(guān)系曲線。該曲線表明，當(dāng)PV達(dá)到一定數(shù)量時(shí)鉆頭磨損量急劇增加，實(shí)驗(yàn)室條件下如此，野外條件下更為明顯。

圖18 鉆頭磨損w與PV乘積的關(guān)系曲線Fig.18 Drill bit wear vs product of weight on bit times rpm(linear)PV

圖19曲線表明，當(dāng)正常鉆進(jìn)規(guī)程條件下，胎體溫度隨Q的增加基本穩(wěn)定在200℃以內(nèi)，但到P=12000 N和n=1015 r/min（臨界規(guī)程）時(shí)，胎體溫度達(dá)到400℃以上，而且增加沖洗液量已經(jīng)不起作用了。

圖19 鉆頭胎體溫度T與沖洗液量Q的關(guān)系曲線Fig.19 Dr ill bit matrix temperatur e T vs drilling fluid flow rate Q

對(duì)于給定的巖石來說，臨界規(guī)程參數(shù)Pn乘積是一個(gè)常數(shù)（范圍），可以通過實(shí)驗(yàn)室確定，也可在生產(chǎn)條件下通過研究確定。在數(shù)學(xué)上F=Pn是一組雙曲線，見圖20。在這組曲線上，軸載和轉(zhuǎn)速可以有不同組合，例如可以取較大軸載P1和較小轉(zhuǎn)速n1的組合（點(diǎn)1），也可以取較小軸載P2和較大轉(zhuǎn)速n2的組合（點(diǎn)2），以此類推，可以根據(jù)所鉆具體巖石性質(zhì)和設(shè)備能力選定，以便得到好的鉆進(jìn)效果。只要其乘積小于臨界值范圍，就可以保持在正常鉆進(jìn)范圍內(nèi)。當(dāng)然，所用Pn乘積也不能太小，否則機(jī)械鉆速可能就太低了，功率利用也不充分。為此，應(yīng)該采用的規(guī)程參數(shù)Pn乘積值位于靠近臨界規(guī)程的位置上。此外，還要使用能夠保證正常鉆進(jìn)的沖洗液量Q。

圖20 規(guī)程參數(shù)的調(diào)整原理Fig.20 Principle of adjusting drilling parameters

4 認(rèn)識(shí)、討論與建議

根據(jù)上述資料及分析，提出以下認(rèn)識(shí)、討論和建議。

（1）鉆進(jìn)時(shí)為了有效地破碎巖石，需要了解所鉆巖石的應(yīng)力變形狀態(tài)。在巖石破碎過程中，有不同破碎巖石方式，其中體積破碎方式效果最好，故在鉆探工程中為了提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，應(yīng)該采取措施，使巖石處于體積破碎狀態(tài)。試驗(yàn)研究確定，在巖石破碎中有預(yù)破碎區(qū)存在，有利于認(rèn)識(shí)和了解巖石破碎過程。

（2）鉆進(jìn)速度是鉆探工程的主要技術(shù)指標(biāo)，常常用機(jī)械鉆速VM表示（m/h），也可用鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)об（mm/r）表示。鉆進(jìn)速度與規(guī)程參數(shù)軸載P、鉆頭轉(zhuǎn)速n和沖洗液量Q有關(guān)，更與后者的合理組合有關(guān)。因此，應(yīng)該對(duì)這種組合進(jìn)行研究。

（3）在規(guī)程參數(shù)中，軸載是最重要的規(guī)程參數(shù)，只有這個(gè)參數(shù)（單位軸載）達(dá)到或超過巖石硬度時(shí)才能切入巖石，進(jìn)行破碎。鉆頭轉(zhuǎn)速是第二個(gè)重要參數(shù)，其重要性視巖石性質(zhì)而定，在弱研磨性巖石中，它是很重要的，鉆進(jìn)效果幾乎與其成正比；但在研磨性堅(jiān)硬巖石中鉆進(jìn)時(shí)，高轉(zhuǎn)速會(huì)使鉆頭摩擦磨損嚴(yán)重，直接影響鉆進(jìn)效果，故不宜太高。第三個(gè)參數(shù)是沖洗液量，對(duì)保證排除巖屑和冷卻鉆頭非常重要，應(yīng)予充分保證。

（4）在規(guī)程參數(shù)調(diào)節(jié)和優(yōu)化中，軸載和轉(zhuǎn)速的乘積Pn是決定性限制因素。我們從物理學(xué)知道，力和速度的乘積就是功率。在鉆探工程上，這個(gè)功率指的主要就是動(dòng)力機(jī)（電動(dòng)機(jī)或柴油機(jī)等）的功率。為了安全起見，所用Pn不能超過動(dòng)力機(jī)的許用功率。但是為了充分利用動(dòng)力機(jī)功率，提高鉆探效率，Pn又不宜太小，即所用Pn曲線應(yīng)該貼近動(dòng)力機(jī)許用功率曲線。

（5）一般情況下，鉆進(jìn)速度隨軸載和轉(zhuǎn)速的提高而增加，故在鉆探施工中，為了提高鉆速，可以使用盡量大的軸載和轉(zhuǎn)速，但是不能超過臨界規(guī)程范圍。是否到達(dá)臨界規(guī)程范圍，可以通過鉆機(jī)上功率表的變化或柴油機(jī)聲響、冒黑煙等情況判斷，一旦出現(xiàn)異常，應(yīng)該立即采取措施，調(diào)節(jié)參數(shù)，加以解決。但是，在盡量大的Pn乘積中，對(duì)于每一種巖石來說，軸載和轉(zhuǎn)速都有一個(gè)最優(yōu)參數(shù)組合，究竟是采取大軸載、小轉(zhuǎn)速、適當(dāng)水量，還是小軸載、大轉(zhuǎn)速、充足水量組合，宜根據(jù)所鉆巖石性質(zhì)和鉆進(jìn)中的實(shí)際工況決定，目標(biāo)是鉆探效率高、鉆孔質(zhì)量好。在正常鉆進(jìn)范圍內(nèi)，要保證沖洗液量足額優(yōu)質(zhì)，到達(dá)臨界規(guī)程后沖洗液量就“愛莫能助”了。

我國的金剛石鉆進(jìn)在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，取得了很大成績。如果我們能夠進(jìn)一步研究金剛石鉆進(jìn)的理論，進(jìn)一步總結(jié)金剛石鉆進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)，例如我們在20世紀(jì)80年代總結(jié)出來的“輕壓、快轉(zhuǎn)、充足水量”的經(jīng)驗(yàn)，再把國外的經(jīng)驗(yàn)消化、吸收，引進(jìn)為我所用，我們就一定能夠做出更大的貢獻(xiàn)。