常 思 ，劉寶昌*，2，3，韓 哲 ，王雪琪 ，白皓亮

（1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026；2.吉林大學(xué)超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130012；3.自然資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130026）

0 引言

近年來，隨著鉆探深度的增加，鉆進(jìn)條件越來越復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的機(jī)械碎巖方法已經(jīng)很難滿足深部硬巖鉆進(jìn)的要求［1-2］，因此世界各國都在完善機(jī)械碎巖的同時(shí)，積極探索新的碎巖方法，發(fā)展了很多新型的碎巖技術(shù)［3-4］。當(dāng)前一些主要的破巖方法包括：水力輔助碎巖、粒子沖擊碎巖、激光鉆井碎巖、等離子體碎巖、微波碎巖、火焰輔助碎巖、熱熔鉆進(jìn)碎巖等［5-9］。這些方法雖然相對傳統(tǒng)的機(jī)械碎巖方法的鉆進(jìn)效率有提升，但是由于需要特殊設(shè)備而使得成本較高，而且很多關(guān)鍵技術(shù)還不成熟，限制了其進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

摩擦熱-機(jī)械碎巖技術(shù)是借助鉆頭鉆進(jìn)巖石過程中產(chǎn)生的摩擦熱來輔助機(jī)械碎巖的一種方法。鉆頭與巖石產(chǎn)生摩擦導(dǎo)致溫度升高，使得大多數(shù)巖石的強(qiáng)度明顯降低，經(jīng)過鉆井液與巖石表面的熱交換作用后，巖石表面會(huì)迅速冷卻，內(nèi)部產(chǎn)生極大的熱沖擊應(yīng)力，使與鉆頭接觸的巖石強(qiáng)度削弱，鉆進(jìn)速度大幅度提高［10］。俄羅斯的鉆探專家在此領(lǐng)域開展了諸多研究，比較有代表性的是全俄勘探技術(shù)研究所的Г.С.勃拉托夫教授，他研制了取心式及全面鉆進(jìn)式熱?機(jī)碎巖硬質(zhì)合金鉆頭，在碎巖機(jī)理、摩擦元件材料選擇、鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面開展了研究。與常規(guī)硬質(zhì)合金鉆頭相比，熱-機(jī)碎巖硬質(zhì)合金鉆頭的鉆進(jìn)性能有較大幅度的提升［11-12］。20 世紀(jì) 90 年代，長春地質(zhì)學(xué)院的張祖培教授、孫友宏教授引進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)，開展了一系列研究工作，在摩擦元件［13］、胎體配方［14］、鉆進(jìn)工藝［15-16］等方面取得了進(jìn)展，研制了摩擦熱能?機(jī)械能硬質(zhì)合金取心鉆頭［17］。

上述研究的利用摩擦熱碎巖的鉆頭主要是以切削軟-中硬地層為主的硬質(zhì)合金鉆頭。隨著硬質(zhì)合金鉆頭在地質(zhì)鉆探中的應(yīng)用逐漸減少，對熱-機(jī)碎巖鉆頭的研究也相應(yīng)減少。孕鑲金剛石鉆頭是硬巖鉆進(jìn)中最常用的鉆頭［18-20］，并且孕鑲金剛石鉆頭靠金剛石刻劃磨削巖石時(shí)也會(huì)產(chǎn)生摩擦熱［21-23］，有助于碎巖。因此，本研究向孕鑲金剛石鉆頭中引入摩擦元件，設(shè)計(jì)制備了一種新型熱-機(jī)碎巖鉆頭，并開展了室內(nèi)鉆進(jìn)試驗(yàn)研究。

1 熱-機(jī)碎巖鉆頭的設(shè)計(jì)及制備

1.1 鉆頭參數(shù)計(jì)算

熱-機(jī)碎巖金剛石鉆頭在鉆進(jìn)過程中，摩擦元件周期性地對孔底巖石進(jìn)行摩擦加熱，同時(shí)鉆井液對巖石又有冷卻作用。摩擦元件的尺寸、鉆井液流經(jīng)鉆頭的水口尺寸和數(shù)量是決定孔底接觸溫度的重要參數(shù)。為保證摩擦熱和冷熱交替作用更為顯著，有必要對鉆頭水口和摩擦元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

1.1.1 鉆頭水口參數(shù)計(jì)算

熱-機(jī)碎巖鉆頭鉆進(jìn)孔底巖石過程中會(huì)出現(xiàn)周期性的胎體摩擦加熱（加熱的最高溫度為Thot）和鉆井液冷卻（冷卻的最低溫度為Tcool），使得巖石表層在熱沖擊作用下產(chǎn)生裂紋［24］，此外巖石表面分布有不同發(fā)育水平的微裂紋網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)沖洗液流經(jīng)后，微裂紋內(nèi)產(chǎn)生向外的拉應(yīng)力而出現(xiàn)擴(kuò)展現(xiàn)象［25］，如圖1所示。

圖1 巖石裂紋受到熱沖擊產(chǎn)生向外擴(kuò)展的拉應(yīng)力Fig.1 Rock cracks produce outward expanding tensile stress caused by thermal shock

裂紋的最大拉應(yīng)力可由公式（1）確定［26］：

式中：β——巖石熱膨脹系數(shù)，10-6/℃；E——巖石彈性模量，GPa；Thot——摩擦加熱溫度，℃；Tcool——鉆井液冷卻溫度，℃；μ——巖石泊松比。

拉應(yīng)力σ的大小取決于巖石本身的熱物理參數(shù)及受到的加熱冷卻溫度梯度（Thot-Tcool），因此裂紋并不會(huì)在鉆井液冷卻瞬間立刻擴(kuò)展，力的作用存在一個(gè)最小延遲時(shí)間tmin。當(dāng)鉆井液作用時(shí)間t＜tmin時(shí)，巖石僅在拉應(yīng)力的作用下被拉伸，裂紋未發(fā)生擴(kuò)展；當(dāng)鉆井液作用時(shí)間t＞tmin時(shí)，裂紋擴(kuò)展，巖石表層出現(xiàn)弱化現(xiàn)象。取臨界值t=tmin作為鉆井液作用時(shí)間，其與鉆頭水口的最小寬度l0有關(guān)，可通過計(jì)算確定。

若已知鉆頭直徑、鉆井液作用時(shí)間和鉆頭轉(zhuǎn)速，可得鉆頭線速度u：

式中：D——鉆頭外徑，mm；n——鉆頭轉(zhuǎn)速，r/min。

已有研究得知［27］，在加熱冷卻溫度差(Thot-Tcool)為300 ℃的條件下，裂紋擴(kuò)展最小延遲時(shí)間tmin為 0.0028 s；在加熱冷卻溫度差(Thot-Tcool) 為600 ℃的條件下，裂紋擴(kuò)展最小延遲時(shí)間tmin為0.0001 s。

由式（3）可以得到直徑59 mm 的金剛石鉆頭在不同轉(zhuǎn)速下鉆頭水口的最小寬度值（見表1）。

表1 鉆頭水口最小寬度計(jì)算Table 1 Calculation of the minimum water port width of the drill bit

由表1 可知，當(dāng)加熱冷卻溫度差為600 ℃時(shí)，鉆頭水口最小寬度數(shù)值較小，研究意義不大，所以在設(shè)計(jì)時(shí)不以其作為設(shè)計(jì)參考依據(jù)。而且花崗巖在加熱冷卻溫度差為300 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高有明顯的降低，微裂紋處于快速發(fā)育階段［28-29］，故選擇加熱冷卻溫度差為300 ℃時(shí)的鉆頭水口最小寬度作為設(shè)計(jì)參考依據(jù)。隨著鉆頭轉(zhuǎn)速的增加，鉆頭水口最小寬度值增大，故需要將高轉(zhuǎn)速時(shí)的鉆頭水口寬度作為參考依據(jù)。?59 mm 鉆頭在轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，鉆頭水口最小寬度為5.1873 mm，本文取5.5 mm。

1.1.2 摩擦元件尺寸計(jì)算

將常規(guī)六水口鉆頭胎體塊的其中3 塊作為摩擦元件胎塊，其余3 塊與它們之間的一個(gè)水口形成新的金剛石胎塊，與摩擦元件胎塊相連，形成三水口鉆頭（參見圖2）。

鉆頭胎體面積可由公式（4）計(jì)算：

式中：m——水口數(shù)；b——水口寬度，mm；a——胎體厚度，mm。

鉆頭胎體中金剛石的濃度為80%（400%濃度制），金剛石的粒徑為35/40 目。為保證加入摩擦元件前后金剛石受到的壓力一致，加入的摩擦元件的面積需要等效于原鉆頭失去的金剛石的有效面積。80%濃度金剛石占金剛石底唇面面積的20%，則每個(gè)胎塊上摩擦元件所占面積S＇可由公式（5）算出：

計(jì)算可得每個(gè)摩擦元件胎塊中摩擦元件材料所占面積至少為42.7 mm2?？紤]到實(shí)際鉆頭胎體厚度較小，對較大的摩擦元件包鑲能力低，故采用兩個(gè)小尺寸來構(gòu)成摩擦元件所占面積。本文選擇的摩擦元件的尺寸為6.4 mm×3.5 mm×3 mm，則摩擦元件胎塊中包含的摩擦元件面積為44.8 mm2。

1.2 鉆頭胎體設(shè)計(jì)

熱?機(jī)碎巖鉆頭胎體的設(shè)計(jì)主要包括胎體材料耐磨性、包鑲能力，金剛石粒徑、濃度，以及摩擦元件材料、尺寸、排布方式的選擇［30-31］。

通常情況下胎體的硬度越小，胎體與巖石的接觸面積越大，摩擦所獲得的熱量也就越高，并且軟胎體也有利于摩擦元件的有效露出。因此，綜合考慮堅(jiān)硬巖石的可鉆性和研磨性，同時(shí)兼顧胎體與熱?機(jī)碎巖相適應(yīng)的性質(zhì)，選用的胎體材料為吉林省勘探技術(shù)研究所提供的軟胎體64 號配方，胎體配方成分如表2 所示，胎體配方密度為9.926 g/cm3，硬度為HRC15～18。

表2 鉆頭胎體配方成分Table 2 Formula composition of the bit

熱-機(jī)碎巖鉆頭主要通過摩擦元件與巖石的摩擦生熱弱化巖石，因此摩擦元件應(yīng)耐高溫、耐摩擦，并具有較高的抗壓強(qiáng)度，以保證孔底所必需的溫度。本研究選擇氮化硅（Si3N4）作為摩擦元件材料［32］，其性能如表 3 所示。

表3 摩擦元件氮化硅的性能參數(shù)Table 3 Property parameters of the friction element Si3N4

本文設(shè)計(jì)的熱?機(jī)碎巖孕鑲金剛石鉆頭胎體為摩擦元件胎塊-水口-金剛石胎塊交替的結(jié)構(gòu)。摩擦元件與巖石相互摩擦使巖石表層溫度升高，隨后鉆井液從鉆頭水口流出，沖刷巖石使之迅速冷卻，使巖石內(nèi)部出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，最后由金剛石對經(jīng)過熱沖擊弱化的巖石進(jìn)行破碎。熱-機(jī)碎巖鉆頭胎體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 熱-機(jī)碎巖鉆頭胎體結(jié)構(gòu)Fig.2 Matrix structure of the thermo?mechanical impregnated diamond bit

1.3 鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的熱-機(jī)碎巖鉆頭的外徑為59.5 mm、內(nèi)徑為41.5 mm。胎體工作層高度5 mm。鉆頭有3個(gè)矩形水口，水口寬度5.5 mm、高度8 mm。鉆頭結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 鉆頭結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of the drill bit

1.4 鉆頭制備工藝

設(shè)計(jì)的熱-機(jī)碎巖鉆頭由中頻感應(yīng)熱壓法制備，其制備工藝流程與常規(guī)孕鑲金剛石鉆頭類似［33］。具 體 燒 結(jié) 過 程 如 下［34］：以 10 ℃/s 的 速 度 升 溫 到700 ℃時(shí)壓力到10 kN，繼續(xù)以3 ℃/s 的速度升溫到890 ℃時(shí)壓力到30 kN，保溫保壓8 min，保溫時(shí)間結(jié)束以9 ℃/s 的速度降溫到610 ℃時(shí)卸壓，燒結(jié)結(jié)束放入保溫材料中緩慢冷卻。最終燒結(jié)制備的鉆頭成品如圖4 所示。

圖4 燒結(jié)制備的鉆頭Fig.4 Sintered drill bit

2 室內(nèi)鉆進(jìn)試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 鉆進(jìn)試驗(yàn)

利用常規(guī)六水口鉆頭、熱-機(jī)碎巖鉆頭和三水口鉆頭（與熱?機(jī)碎巖鉆頭結(jié)構(gòu)相同，摩擦元件胎塊中不含摩擦元件）對可鉆性9 級、強(qiáng)研磨性的中粒黑云二長花崗巖進(jìn)行室內(nèi)鉆進(jìn)試驗(yàn)，研究不同鉆進(jìn)參數(shù)組合下的鉆頭的鉆進(jìn)效率和磨損情況。巖體體積尺寸為24.5 cm×24.5 cm×48 cm，試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為18 ℃。主要試驗(yàn)設(shè)備有XY-4 型立軸式鉆機(jī)，PMB-50 型泥漿泵。鉆進(jìn)參數(shù)為［35-37］：鉆壓 10 kN，轉(zhuǎn)速388 r/min，泵量10～30 L/min。

采用KZR90-08V0 型無紙記錄儀，配套Pt100型防水熱電偶，測量并記錄鉆頭與孔底巖石的接觸溫度。熱電偶安裝與測試見圖5。每個(gè)鉆孔垂直方向相距100 mm 埋設(shè)一個(gè)熱電偶。

圖5 熱電偶安裝與測試Fig.5 Thermo?couple installation and testing

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

孔底接觸溫度、機(jī)械鉆速等鉆進(jìn)試驗(yàn)測試結(jié)果如圖6 所示。每個(gè)鉆頭鉆進(jìn)3 塊巖石，不同排量下采用同種結(jié)構(gòu)的全新鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)，測得數(shù)據(jù)后取平均值。

圖6 鉆進(jìn)試驗(yàn)測試結(jié)果Fig.6 Drilling test results

從圖 6（a）和（b）可以看出，隨著鉆井液流量升高，3 組鉆頭的孔底接觸溫度和機(jī)械鉆速總體呈下降趨勢。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是鉆井液在孔底循環(huán)過程中帶走了產(chǎn)生的熱量，使得巖石弱化程度降低，機(jī)械鉆速從而降低。由此可見，機(jī)械鉆速與孔底接觸溫度有關(guān)。這也可以解釋圖6（b）中六水口鉆頭比熱-機(jī)碎巖鉆頭和三水口鉆頭機(jī)械鉆速低的原因：因?yàn)樗跀?shù)越多，冷卻效果越好，巖石表面裂紋的擴(kuò)展受溫度影響較小。相同鉆井液流量下熱?機(jī)碎巖鉆頭最高可比六水口鉆頭的機(jī)械鉆速高33.3%。與三水口鉆頭相比，熱?機(jī)碎巖鉆頭的機(jī)械鉆速更高，說明摩擦元件具有提升鉆速的作用。

三水口鉆頭在10 L/min 時(shí)鉆速較低，其原因是三水口鉆頭在鉆進(jìn)過程中大部分都是胎體磨損，沒有摩擦元件支撐，而且泵量低，導(dǎo)致排粉效果不好，巖屑分布在金剛石區(qū)域（從后面圖片也可以看出來），影響鉆頭鉆進(jìn)效率，在泵量達(dá)到20 L/min 時(shí)，達(dá)到了鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量、巖石溫度的較好匹配，摩擦熱發(fā)揮作用，也有足夠的鉆井液冷卻和排粉，因此機(jī)械鉆速有所上升。

圖7 為熱-機(jī)碎巖鉆頭鉆進(jìn)試驗(yàn)后摩擦元件高度位置，從圖中可以看出摩擦元件與鉆頭底唇面的金剛石保持近乎相同的高度，確保了摩擦元件超前摩擦生熱后，金剛石能切削到受到熱沖擊的巖石。

圖7 熱-機(jī)碎巖鉆頭鉆進(jìn)試驗(yàn)后摩擦元件高度位置Fig.7 Height position of the friction element of the thermo?mechanical diamond bit after drilling experiment

六水口鉆頭、三水口鉆頭和熱-機(jī)碎巖鉆頭胎體唇面磨損和側(cè)面氧化痕跡情況如圖8 所示。

圖8 鉆頭胎體唇面磨損和側(cè)面氧化痕跡Fig.8 Lip surface wear and side oxidation traces of the drill body

通過對比圖 8（a）和（b）可以看出，熱?機(jī)碎巖鉆頭和三水口鉆頭胎體唇面和邊緣磨損程度比六水口鉆頭大，這是由于熱-機(jī)碎巖鉆頭為了適配摩擦元件的出露，胎體比六水口鉆頭胎體軟，遇到花崗巖這種堅(jiān)硬巖石磨損更快。而與三水口鉆頭相比，熱?機(jī)碎巖鉆頭胎體磨損程度更小，是由于加入摩擦元件相當(dāng)于在鉆頭胎體中加入硬質(zhì)相，起到支撐、耐磨的作用。圖8（b）的熱-機(jī)碎巖鉆頭和三水口鉆頭側(cè)面在摩擦元件附近有氧化現(xiàn)象（顏色變白），而六水口鉆頭沒有氧化現(xiàn)象。這是由于摩擦元件摩擦生熱，提高了孔底接觸溫度，胎體受熱氧化。由于在鉆頭唇面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了鉆頭自身受到溫度影響，將摩擦元件放置在冷卻程度低的胎體中間，使得唇面產(chǎn)生的最高溫度直接作用在摩擦元件上，而且鉆進(jìn)過程中摩擦熱經(jīng)過水口冷卻之后金剛石碎巖，金剛石有良好的冷卻作用，因此雖然胎體表面會(huì)氧化，但對整體性能影響不大。

3 結(jié)論

向孕鑲金剛石鉆頭中加入摩擦元件，設(shè)計(jì)制備了一種熱-機(jī)碎巖鉆頭，并進(jìn)行了鉆進(jìn)試驗(yàn)。與常規(guī)六水口鉆頭和三水口鉆頭相比，得到了以下結(jié)論：

（1）與常規(guī)六水口鉆頭和三水口鉆頭相比，熱-機(jī)碎巖鉆頭加入摩擦元件后能夠因摩擦生熱而弱化巖石，使得鉆頭鉆速提高，在相同鉆井液流量下最高可比六水口鉆頭的機(jī)械鉆速提高33.3%。

（2）熱-機(jī)碎巖鉆頭在鉆進(jìn)試驗(yàn)后胎體磨損程度比三水口鉆頭小，因此，熱-機(jī)碎巖鉆頭可用于強(qiáng)研磨性地層的鉆進(jìn)。

（3）雖然本研究設(shè)計(jì)的熱-機(jī)碎巖鉆頭有了初步的研究成果，但尚未完全解決高溫對金剛石、胎體熱損傷的影響，因此碎巖效率的提升效果可能受金剛石石墨化、胎體軟化等影響有所降低。在未來的研究中，可能會(huì)采用高溫合金、立方氮化硼等作為熱碎巖專用基體和磨料代替?zhèn)鹘y(tǒng)64 號配方與金剛石顆粒，提高熱輔助碎巖的鉆速提升效果。