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第 47 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.5 2019 年 10 月 COAL GEOLOGY 2. Beijing Exploration Engineering Institute, Beijing 100083, China Abstract To solve the problem of high energy consumption and slow drilling speed of impregnated diamond drill in hard rock, the of volume crushing to improve drilling efficiency was put forward. In order to study the crushed volume of impregnated diamond bit in hard rock, firstly, an test of single diamond pressed into rock was designed. According to the experimental data, the first partial broken volume when single diamond was pressed into rock was the volume breakage type of impregnated diamond bit. Then the mathematical model of optimal drilling pressure and speed in first partial broken volume was deduced. By comparing the theoretical value with the actual value, the results of test of single diamond pressed into rock and the correctness of mathematical model were fur- ther verified. Finally, we put forward a to improve drilling speed, the is to add large-grained dia- mond to small-grained diamond bit, to quantitatively calculate the theoretical concentration of large-grained dia- mond, and the addition amount of small and large diamond grain was determined, the distribution and rock crush- ing ways of large diamond was discussed, which will provide reference for parameter design of dia- mond-impregnated bit. Keywords diamond pressed into rock; volumetric crushing; diamond-impregnated bit; calculation model 在实际钻进过程中，孕镶金刚石钻头的碎岩方 式存在两种不同的观点一种观点认为其与砂轮的 磨削原理相似；另一种认为与表镶钻头相似，以微 压裂、压碎加微体积剪切为主[1-2]。大量试验证明 在坚硬地层中，由于岩石的压入硬度高，抗压强度 大，导致金刚石压入岩石的深度浅；在钻压和回转 ChaoXing 第 5 期 孙吉伟等 孕镶金刚石钻头的局部体积破碎研究 233 力作用下，钻头只能对岩石进行表面破碎，所以钻 进产生的岩粉很细，不利于孕镶金刚石钻头进行磨 粒磨损碎岩，最终导致钻进效率低和钻头“打滑”不 进尺的问题[3-5]。 针对钻头“打滑”问题，无论是提高钻压还是加 快转速，效果都不甚明显，而且随着钻压和回转速 度的增加，金刚石将快速增温，进而导致金刚石加 剧热损伤，影响钻头使用寿命[6-8]。 如果金刚石在坚硬岩石中以体积破碎方式钻 进，不仅可以减小单位体积岩石破碎能耗，而且还 能增加钻进效率。从岩石机械及力学性能看，岩石 的强度与岩石中胶结物之间的作用力、矿物颗粒的 强度等有关[9]。岩屑颗粒越粗，破坏的岩石颗粒之 间的连接力越少，岩石单位体积破碎能耗越小；反 之亦然[10]。同时，体积破碎形成的大颗粒岩屑不仅 有利于金刚石持续出刃；而且能通过磨粒磨损方式 进行有效的辅助碎岩[11]。所以理论上局部体积破碎 的碎岩方式不仅能提高钻进速度，而且钻进相同进 尺的地层消耗能量更小。因此，通过室内试验和计 算模型，研究岩石局部体积破碎形式以及孕镶金刚 石钻头的碎岩机理，可为高效孕镶金刚石钻头的设 计提供理论依据。 1 金刚石压入岩石试验 为了确定孕镶金刚石钻头的体积破碎形式， 根据文献[12]进行的压头压入岩石测试压入硬度 实验，设计了单颗金刚石压入岩石全过程的室内 试验。 单颗金刚石压入试验中，岩石轴向上的受力情 况和实际孔底岩石的受力情况相类似。首先，利用 体视显微镜分选出晶形完整目数为 18/20 目880 830 μm、20/25 目830680 μm、35/40 目425 380 μm的金刚石颗粒文中粒径的单位采用目表 示。然后，通过微机控制万能试验机 WDW-100 以 0.5 mm/min 的加载速度将金刚石压入石英岩。试验 中分选的金刚石以及岩石、压头和金刚石三者之间 的接触如图 1 所示。 根据图 1a 可知，金刚石呈现对称多边形结构， 为了将金刚石固定在压头上并保证在压入过程中金 刚石不产生移动，用白胶把金刚石的一个面粘在 PDC 压头上。因此，金刚石与岩石的接触关系为面 接触。最终得到试验力试验机的压力–变形曲线， 如图 2 所示。 由图 2 可知，在金刚石压入石英岩的过程中， 试验力发生了多次突变， 我们认为试验力突变一次， 岩石发生一次局部体积破碎。在岩石发生的多次局 图 1 岩石、压头和金刚石的接触关系 Fig.1 Contact relationship among rock，indenter and diamond 图 2 金刚石压入石英岩的试验力–变形曲线 Fig.2 Force-deation curves of different size diamond pressed into quartzite 部体积破碎中，后一次破碎比前一次破碎所需力更 大，所需压入深度也更深。 在实际钻进中，孕镶金刚石钻头的出刃呈现蝌 蚪状，实际出刃量大约为 1/3 的金刚石直径[9]。但是 根据图 2 中曲线可知， 1/3 的金刚石出刃量只能完成 首次局部体积破碎；而且当岩石发生第一次局部体 积破碎时，钻压所做的功最小，所以我们选择把金 刚石压入岩石发生首次局部体积破碎作为孕镶金刚 石钻头的体积破碎形式。 根据试验力–变形曲线可知，只有当外力大于 首次局部体积破碎力时， 岩石才能发生局部体积破 碎，所以取试验力–变形曲线上的首个波峰对应的 值为单颗金刚石上的最优钻压， 取首次局部体积破 碎起止点对应的变形量差为首次局部体积破碎压 ChaoXing 234 煤田地质与勘探 第 47 卷 入深度。 岩石发生首次局部体积破碎的起止点如图 3 所示。 图 3 金刚石压入岩石发生首次局部体积破碎的起止点 Fig.3 The starting and ending points at which partial volumetric crushing occurs when diamond is pressed into rock 以同样的试验方式，分别对泥页岩、粉砂岩、 流纹岩和石英岩 4 种不同的岩石进行单颗金刚石的 压入试验。每组做 3 次，得到不同岩石发生首次局 部体积破碎时的平均破碎力金刚石压入岩石发生 首次局部体积破碎时的试验压力和平均压入深度 如表 1 所示。 单颗金刚石压入岩石发生首次局部体积破碎时 的力用以指导体积破碎钻进模型下的钻压，压入深 度直接反映体积破碎钻进中的钻进速度。 2 局部体积破碎时的计算模型 2.1 最优钻压的计算 对于孕镶金刚石钻头， 其胎体工作层的体积为 0 VS h 1 式中 V为胎体层的体积；S为钻头唇面面积；h0 为胎体层高度。 令金刚石的制品浓度[1]为c， 即单位体积胎体中金 刚石的含量，克拉/cm3。则金刚石的总体积 Vgold为 表 1 岩石发生首次破碎时的破碎力和压入深度 Table 1 The crushing force when the first crushing of rock occurs 18/20目 20/25目 35/40目 岩石类型 破碎力/kN 压入深度/mm 破碎力/kN 压入深度/mm 破碎力/kN 压入深度/mm 泥页岩 0.869 0.157 9 0.404 0.070 6 0.311 0.083 3 粉砂岩 0.901 0.115 0 0.964 0.127 3 0.29 0.073 6 流纹岩 1.281 0.210 0 1.218 0.140 0 0.458 0.054 1 石英岩 1.107 0.140 3 1.055 0.135 3 0.36 0.063 2 gold 4 c VV 2 把金刚石视为球体，则单颗金刚石的体积为 3 single 4 π 3 Vr  3 式中 single V为单颗金刚石的体积；r为金刚石的半径。 在孕镶金刚石工作层中金刚石的颗粒总数N为 gold single V N V  4 在实际钻进中，钻头和岩石的接触是单层出露 的金刚石和岩石的接触。假设钻头中金刚石均匀分 布，则设金刚石的层间重叠系数为。则金刚石的 层数Z为 2 h Z r  5 由式5可知，每层金刚石的数量 n 为 2 3 8π NSc n Zr  6 当单颗金刚石上的钻压大于首次破碎力时，岩 石发生局部体积破碎，因此局部体积破碎钻进模型 下的最优钻压 p 为 2 3 8π SFc pnF r     7 式中 为单层上金刚石的出露系数；F为岩石发 生首次局部体积破碎时单颗金刚石上的破碎力。 由式7可知，钻头钻压与金刚石浓度有关。在 体积破碎模型下，单颗金刚石压入岩石发生首次局 部体积破碎时的影响范围决定钻头中金刚石的浓 度，影响范围越大，金刚石浓度应该越小。假设金 刚石的影响范围为圆，则金刚石压入石英岩发生首 次局部体积破碎时的影响范围 R 如图 4 所示。 通过金刚石压入岩石实验，测得 18/20 目、 20/25 目、 35/40 目金刚石压入石英岩发生首次局部 体积破碎时的影响直径分别为 2.147 mm、1.75 mm 和 1.233 mm。由此可见，随着金刚石粒径的增大， 岩石发生局部体积破碎的影响范围随之增大。如果 将钻头的唇面面积分成面积均等的若干份，每份 含有一颗金刚石，每一份代表的是单颗金刚石的 影响范围，那么单颗金刚石在唇面上所占的面积 Ssingle为 ChaoXing 第 5 期 孙吉伟等 孕镶金刚石钻头的局部体积破碎研究 235 图 4 石英岩发生首次局部体积破碎时的范围10 Fig.4 The fracture range of when first partial volumetric crushing occurs in quartzite 2 single 8π 3 Sr S nc   8 如果金刚石之间的距离小于2R， 则破碎范围重 叠，破碎岩石所需的能量增加；如果金刚石之间的 距离大于2R，岩石达不到全面破碎。因此，当金刚 石之间的距离为2R， 即单颗金刚石在唇面上所占的 有效面积 2 single πSR时，金刚石压入岩石发生局部 体积破碎所需的功最小，此时钻头中金刚石的浓度 应该为最优浓度。则局部体积破碎钻进模型下的最 优浓度 m c为 2 m 2 8 3 r c R   9 式中 R为金刚石压入岩石发生首次体积破碎时的 影响半径，mm。 2.2 最优钻速的计算 根据实际经验可知，孕镶金刚石钻头的金刚石 出刃有典型的蝌蚪状支撑体，钻进过程中单颗金刚 石受到轴向上的压力和切向的扭转力作用。L. F. P. Franca 等[16]针对孕镶金刚石钻头，提出了金刚石与 岩石界面作用的关系式，如式10所示。孕镶金刚 石在钻进过程中的示意图如图 5 所示。 图 5 孕镶金刚石钻头钻进示意图[13] Fig.5 The drilling diagram of diamond-impregnated bit 根据图 5 可知，钻头每旋转一圈，金刚石的切 入量 ds单位取 mm/r为 ss dh n 10 式中 h为金刚石压入岩石发生首次破碎时的压入 深度；ns为同一圆周上的金刚石数量。 金刚石压入岩石发生首次局部体积破碎时的影 响范围越大，所需金刚石数量越少，则金刚石浓度 相对越小。为了防止岩石上出现岩脊，径向上金刚 石的影响范围应该有重叠，假设径向上重叠系数为 α, 则在径向上的排列数 m 为 12 4 DD m R   11 式中 1 D、 2 D分别为钻头的外径和内径；R为岩石 首次局部体积破碎时的影响半径。 假设钻头唇面上每一圈的金刚石数量相同，则 钻头一圈上的金刚石数 ns为 s 2 12 3 2π nRSc n mrDD   12 钻头每旋转一圈都会产生相同的进尺，所以在 体积破碎钻进模型下，钻头的最优钻进速度 v 单位 取 m/h为 s 2 12 600.018 10002π hRSc vd rDD      13 式中 为钻头的平均转速，r/min。 现以 Φ77-46钻头外径 77 mm，内径 46 mm的 孕镶金刚石钻头为例，钻头水口尺寸如图 5 所示， ChaoXing 236 煤田地质与勘探 第 47 卷 内弧长为 6 mm，外弧长为 8 mm。钻头工作层的高 度为 12 mm，则胎体的唇面面积为 2 124 mm2，如 图 6 所示。 图 6 Φ77-46 孕镶金刚石钻头唇面单位mm Fig.6 Lip of Φ77-46 diamond-impregnate bit 假设金刚石球体之间的中心连线是正四面体， 且其边长为金刚石直径， 则正四面体的边长/高3/6， 取该数为重叠系数，取径向上金刚石影响范围的层间 重叠系数为 2，金刚石的出露系数为 1。则当 Φ77-46 钻头中所有出露的金刚石都以体积破碎方式在石英岩 中钻进时，由式7得到钻头的最优钻压如表 2 所示。 表 2 不同粒径金刚石钻头在石英岩中的最优钻压 Table 2 Optimal bit pressure of diamond bit with diamond of different size in quartzite 粒径/目 影响直径/mm cm/ 最优钻压/kN 18/20 2.15 70.6 699.231 0 20/25 1.75 64.8 938.835 6 35/40 1.23 53.9 688.673 5 在实际施工中， Φ77-46 钻头在坚硬岩石中钻进 时选用 35/40 目金刚石，钻头钻压约为 20 kN，以 300 r/min 的转速在坚硬岩石中钻进时，钻头钻速为 0.53.0 m/h。由表 3 可知，钻头的最优钻压大约为 实际钻压的 30 倍。根据试验力–变形曲线可知，在 金刚石压入岩石发生首次局部体积破碎的过程中， 岩石表现出明显的脆性，试验力与变形量基本呈正 比关系，由于金刚石同时受到钻压和回转力的共同 作用，虽然在纯钻压下，岩石出现弹性变形，但是 随着钻头回转，金刚石前方和后方的岩石都会因为 剪切作用而受到损伤，尤其在脆性岩石中，这种损 伤范围将大于变形量，因此得到 20 kN 钻压下的岩 石变形量和金刚石压入量相近。由式13得到钻头 钻速如表 3 所示。 根据表 3 可知，20 kN 钻压下的钻速和实际钻 进速度相近。这说明，单颗金刚石压入岩石的试验 数据在一定程度上符合实际，可以对实际钻进中钻 表 3 20 kN 钻压下Φ77-46 钻头的钻进速度 Table 3 Drilling speed of Φ77-46 diamond bit under 20 kN 粒径/目 20 kN 与最优钻压 的比值 单颗金刚石的 压入量/mm 钻进速度/ mh–1 18/20 0.028 6 0.004 01 3.16 20/25 0.020 3 0.002 75 2.49 35/40 0.029 0 0.001 84 2.51 头参数设计提供理论依据。 由上述结果可知，20 kN 钻压下 Φ77-46 钻头中 金刚石的压入量很小，钻头以磨削碎岩为主。为了 在实际钻进中有效利用体积破碎，达到增加钻速、 减小能耗的目的，可以在小粒径金刚石钻头中加入 一定量的大颗粒金刚石来实现部分体积破碎。如果 钻头要以体积破碎和磨削破碎两种方式交替进行， 则添加金刚石的浓度尤为重要。针对不同的钻头尺 寸和不同的岩石种类，所应添加的大颗粒金刚石的 浓度不同。 孕镶金刚石钻头在钻进过程中，当单颗金刚石上 的钻压大于等于金刚石压入岩石发生首次局部体积破 碎所需的力时，出露的金刚石发生体积破碎。则根据 式7可知，所应添加的不同大颗粒金刚石的最大制品 浓度c为 2 8 π 3 pr c SF    14 根据文献[13]进行的实验可知， 钻进坚硬岩石 时，当钻头中 35/40 目金刚石的制品浓度为 80 时，钻头的钻进效率最高。因此，钻头中小颗粒 金刚石和大颗粒金刚石的制品浓度总和应该保持 80， 保证钻头唇面出露的金刚石既能布满环状钻 孔，又能保证钻头的研磨性。针对石英岩，为了 实现部分体积破碎，由式14计算得到 Φ77-46 钻 头中不同粒径金刚石的制品浓度单位克拉/cm3 如表 4 所示。 表 4 不同粒径金刚石的制品浓度 Table 4 Concentration percentage of diamond products with different particle size 粒径/目 方案一 方案二 18/20 2.02 20/25 1.27 35/40 74.3 76.3 根据经验可知， 当金刚石出露高度为直径的 1/2 时，胎体不能有效包镶金刚石而使金刚石脱落。因 此，无论大颗粒金刚石和小颗粒金刚石怎样分布， 小颗粒金刚石都会先于大颗粒金刚石脱落，大颗粒 金刚石总有机会单独破碎岩石。假设金刚石的重叠 ChaoXing 第 5 期 孙吉伟等 孕镶金刚石钻头的局部体积破碎研究 237 系数为 1，则在添加有大颗粒金刚石的孕镶钻头中， 小颗粒金刚石在竖向上的排列、大颗粒金刚石可能 出现的位置，以及不同位置下大颗粒金刚石发生体 积破碎和磨削破碎的部分如图 7 所示。 图 7 大颗粒金刚石可能的分布位置 及不同位置的碎岩方式 Fig.7 Possible distribution and rock-crushing way of large grain diamond in different location 钻头中小颗粒金刚石只参与磨削磨损， 而大颗粒 金刚石的碎岩方式既有体积破碎， 也有磨削破碎。 添 加有大颗粒金刚石的孕镶钻头在钻进过程中， 无论大 颗粒金刚石的位置如何，总有一部分发生体积破碎。 当钻头中 35/40 目金刚石为最小金刚石时， 大颗粒金 刚石的粒径越大，发生体积破碎部分占比越大。 当大颗粒的金刚石与岩石接触时，由于大颗粒 金刚石浓度小于体积破碎钻进模型下 20 kN 钻压对 应的浓度，所以大颗粒金刚石上的钻压大于岩石发 生首次破碎力，出露的大颗粒金刚石将以体积破碎 的方式碎岩。随着大颗粒金刚石被逐渐磨损，小颗 粒金刚石紧接着出刃，并且一起以刻划和磨削碎岩 的方式钻进。当小颗粒金刚石脱落后，大颗粒金刚 石再出刃。这样，钻头以体积破碎和磨削破碎两种 方式交替进行， 在一定程度上也可以达到增加钻速， 减小能耗的目的。 3 结 论 a. 单颗金刚石压入岩石试验中，岩石发生首次 体积破碎即为孕镶金刚石钻头的体积破碎形式。 b. 单颗金刚石压入岩石试验结果和计算模型 得出的结论与实际钻进相近。单颗金刚石压入岩石 试验结果与计算模型可以为孕镶金刚石钻头的参数 设计提供参考依据。 c. 在小粒径金刚石钻头中添加定量制品浓度 的大颗粒金刚石可以实现部分体积破碎。 d. 本文从钻压角度对孕镶金刚石的体积破碎 做了阐述，下一步应该从钻头回转角度出发，进一 步研究钻头的体积破碎形式。 参考文献 [1] 刘广志. 金刚石钻探手册[M]. 北京地质出版社，1991. 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Petroleum Drilling Techniques， 2015， 434129–132. 责任编辑 聂爱兰 欢迎订阅煤田地质与勘探 欢迎订阅煤田地质与勘探 煤田地质与勘探是中煤科工集团西安研究院有限公司主办的煤田地质行业学术与实用技术并重的综 合性期刊，1973 年创刊。本刊为中文核心期刊、中国科技核心期刊和 RCCSE 中国核心学术期刊；被中国科 学引文数据库CSCD收录。主要栏目有煤田地质、矿井地质、煤层气、页岩气、水文地质、工程地质、环境 地质、煤田物探、探矿工程等。 本刊为双月刊双月 25 日出版，国际标准 A4 开本，2020 年每册定价 40.00 元，全年 6 册 240.00 元。本 刊中国标准连续出版物号 ISSN 1001-1986、CN 61-1155/P，邮发代号 52-14。广大读者可通过邮局或编辑部及 时订阅汇款请注明“订刊款”字样。。 欢迎订阅 / 投稿 地 址 陕西省西安市锦业一路 82 号 710077 邮局汇款地址 西安市锦业一路82 号煤田地质与勘探编辑部 电 话 02981778073 或 81778078 银行信汇户名 中煤科工集团西安研究院有限公司 E-mail ccrimtdzykt 账 号 3700023009004613256 网 址 开户行 工商银行西安雁塔路支行 煤田地质与勘探双月刊征订单回执 订阅单位 经 办 人 详细地址 邮政编码 联系电话 订阅份数 240 元/份年 共订阅 份 E-mail 汇款金额 订阅时间 自 年 月至 年 月止 ChaoXing