仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭的試驗(yàn)及碎巖機(jī)理分析

王傳留，孫友宏，劉寶昌，王銀霞

（1. 吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春，130021；2. 吉林省建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春，130021）

仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭的試驗(yàn)及碎巖機(jī)理分析

王傳留1，孫友宏1，劉寶昌1，王銀霞2

（1. 吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春，130021；2. 吉林省建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春，130021）

為了提高孕鑲金剛石鉆頭的時(shí)效和壽命，將仿生耦合理論引入鉆頭設(shè)計(jì)中，并加工仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭。對(duì)仿生耦合鉆頭的碎巖機(jī)理進(jìn)行闡述，并對(duì)巖粉進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果表明：與普通孕鑲金剛石鉆頭相比，其機(jī)械鉆速提高42.7%，壽命提高73.8%；仿生耦合鉆頭底唇面上的比壓增加有利于鉆頭的自銳，也有利于巖石表面微裂紋的擴(kuò)展，增加巖石的潤(rùn)濕層；非光滑表面的存在能產(chǎn)生微型流場(chǎng)，改善金剛石的冷卻條件；仿生耦合鉆頭碎巖產(chǎn)生的巖粉顆粒直徑遠(yuǎn)大于普通孕鑲金剛石鉆頭產(chǎn)生的巖粉顆粒直徑。

仿生耦合；孕鑲金剛石鉆頭；耦元；非光滑度；碎巖機(jī)理

近年來(lái)，我國(guó)加大了礦產(chǎn)油氣資源的勘探力度。在大規(guī)模的礦產(chǎn)勘察和油氣勘探中，具有良好抗沖擊性和耐磨性的金剛石鉆頭被大量使用，并且對(duì)金剛石鉆頭壽命和時(shí)效的要求越來(lái)越高[1?2]。為此，許多研究工作者采用不同的方法，如研制新胎體配方、改善鉆頭燒結(jié)工藝、設(shè)計(jì)新的鉆頭結(jié)構(gòu)、選用高質(zhì)量的金剛石等，并取得了一定的成效[3?5]。生物體為了適應(yīng)環(huán)境和滿(mǎn)足生存的需要，在大自然優(yōu)勝劣汰的法則下進(jìn)化出各種各樣豐富的形態(tài)和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這些因素通過(guò)優(yōu)化耦合成為對(duì)生存環(huán)境具有最大適應(yīng)性和協(xié)調(diào)性的系統(tǒng)[6]。從仿生工程學(xué)角度出發(fā)，經(jīng)過(guò)對(duì)生物非光滑體表分析，影響耐磨性能的因素是多方面的，主要有形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料等[7?9]，它們通過(guò)相互作用形成“生物耦合”。基于生物耦合的機(jī)理與規(guī)律而進(jìn)行的仿生，并將2種以上的仿生體系（功能、特性、系統(tǒng)）耦合，構(gòu)建以最低能量獲取最大環(huán)境適應(yīng)性特征的人為技術(shù)集成體系叫做“仿生耦合”。生物體表非光滑耦合表面效應(yīng)主要表現(xiàn)在非光滑表面的耐磨、減阻、脫附和降噪等方面，并在不同領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，效果顯著[10]。在此，本文作者把仿生耦合表面效應(yīng)與鉆頭設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，以便為提高金剛石鉆頭壽命和效率提供一種新的思路。

1 仿生耦合鉆頭耦元設(shè)計(jì)

1.1 非光滑形態(tài)耦元設(shè)計(jì)

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，不同種屬的生物因?yàn)樯姝h(huán)境的不同，體表具有不同的非光滑形態(tài)，可以從宏觀上概括為鱗片形、凸包形、凹坑形、波紋形、剛毛形5種[11]。生物體表凹坑和凸包非光滑是為適應(yīng)不同的生存環(huán)境進(jìn)化而成的，因而有著不同的接觸方式。而鉆頭在破巖過(guò)程中，既要求具有高效的破巖能力，又要求具有強(qiáng)耐磨性和低阻力。于是，將微觀凸包非光滑（金剛石）和宏觀凹坑非光滑復(fù)合來(lái)設(shè)計(jì)鉆頭，以達(dá)到高效耐磨的目的。前期試驗(yàn)結(jié)果表明：底唇面非光滑形態(tài)是影響仿生耦合金剛石鉆頭的最主要因素。

1.2 自再生結(jié)構(gòu)耦元設(shè)計(jì)

常規(guī)鉆頭切削齒只有1層，磨損后就報(bào)廢。對(duì)于仿生鉆頭，在鉆頭底唇面上設(shè)計(jì)一層非光滑形態(tài)意義不大。在自然界中，動(dòng)物的體表形態(tài)總會(huì)受到磨損，可其能自動(dòng)修復(fù)。為此，設(shè)計(jì)了自再生（三維）仿生非光滑結(jié)構(gòu)，并將自再生仿生非光滑結(jié)構(gòu)分為交替自再生非光滑結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）和固定自再生非光滑結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。固定自再生非光滑結(jié)構(gòu)是指構(gòu)件表面凹坑（或凸包）非光滑磨損后還會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生凹坑（或凸包）非光滑；交替自再生非光滑結(jié)構(gòu)是指構(gòu)件表面的凹坑（或凸包）非光滑磨損后會(huì)產(chǎn)生凸包（或凹包）非光滑，凹坑與凸包交替出現(xiàn)。這里擬將2種自再生非光滑結(jié)構(gòu)復(fù)合，設(shè)計(jì)微觀凸包形態(tài)為交替自再生，由人造金剛石顆粒實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)宏觀凹坑形態(tài)為固定自再生，由石墨合成樹(shù)脂軟材料來(lái)實(shí)現(xiàn)[12]。

1.3 材料耦元設(shè)計(jì)

工作層材料由胎體材料和仿生非光滑材料組成。胎體粉末材料成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如表1所示。其中：WC和YG6骨架材料具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨特性，且對(duì)金剛石的腐蝕較小，線(xiàn)膨脹系數(shù)較??；Ni，Mn，Co和663青銅粉等黏結(jié)金屬在適當(dāng)溫度下熔化，濕潤(rùn)WC顆粒，并使WC顆粘表面熔融，促進(jìn)了制品的收縮及致密化過(guò)程。不同材料在高溫高壓下產(chǎn)生物理分子接觸和化學(xué)合成反應(yīng)，形成一種具有較佳復(fù)合特性的構(gòu)件[13]。

圖1 鉆頭工作層交替自再生非光滑結(jié)構(gòu)Fig.1 Alternate self-generation non-smooth structure of bit work layer

圖2 鉆頭工作層固定自再生非光滑結(jié)構(gòu)Fig.2 Fixed self-generation non-smooth structure of bit work layer

表1 鉆頭胎體材料成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Composition and ratio of matrix material %

仿生微觀凸包材料為人造金剛石顆粒，超強(qiáng)硬度能導(dǎo)致其延后磨損，產(chǎn)生的凸包起破碎巖石的作用；宏觀凹坑材料為石墨合成樹(shù)脂，超軟硬度致使其提前磨損和脫落，產(chǎn)生的凹坑起了輔助破巖和耐磨降阻的作用。

2 仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭的加工及試驗(yàn)

2.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

鉆頭參數(shù)主要包括鉆頭尺寸、胎體硬度、金剛石濃度、金剛石粒度、水口等，但仿生耦合鉆頭參數(shù)[14]還包括非光滑度。非光滑度是指產(chǎn)生非光滑面的軟材料面積占鉆頭底唇面面積的百分比。在試驗(yàn)中，為減少誤差，增加對(duì)比的可信度，加工的仿生偶合鉆頭的參數(shù)與普通孕鑲金剛石鉆頭的參數(shù)均一樣。根據(jù)以往的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，確實(shí)鉆頭的參數(shù)如下：胎體硬度為38；金剛石含量為100%；金剛石粒度為0.32 μm與0.25 μm的粉末按等比例混合；水口8個(gè)；仿生耦合鉆頭的非光滑度定為13%。

2.2 加工工藝

首先將胎體材料和金剛石顆粒按比例充分混合，裝進(jìn)已加工組合好的鉆頭模具內(nèi)壓實(shí)，填入純胎體材料壓實(shí)；將鋼體對(duì)正后放在最上面，然后進(jìn)行熱壓燒結(jié)（燒結(jié)工藝參數(shù)為：壓力15 MPa，溫度980 ℃，保溫時(shí)間8 min）[15?16]，燒結(jié)完成后放置在保溫砂箱內(nèi)緩慢冷卻，24 h后取出，加工水口和螺紋。

2.3 野外試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于吉林省某金礦區(qū)，地層比較完整，屬變質(zhì)巖中的蝕變巖，軟硬夾層較多，巖石硬度為6～8級(jí)，研磨性為中等至較強(qiáng)。鉆進(jìn)參數(shù)如下：鉆壓分別為95～110 MPa；轉(zhuǎn)速為650～950 r/min；泵壓為1.2～2.4 MPa。新加工的仿生耦合鉆頭和普通鉆頭形貌如圖3（a）和3（b）所示，使用后仿生耦合鉆頭和普通鉆頭形貌分別如圖3（c）和3（d）所示。2只鉆頭的試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

圖3 仿生耦合鉆頭和普通鉆頭使用前后對(duì)比圖Fig.3 Contrast of bionic coupling bit and normal bit before and after use

表2 鉆頭試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Experimental data of both bits

從表2和圖3可看出：2只鉆頭在參數(shù)設(shè)計(jì)上與該地層巖性特征非常適合，均體現(xiàn)出其本來(lái)的壽命和機(jī)械鉆速；但仿生耦合鉆頭與普通孕鑲金剛石鉆頭相比，機(jī)械鉆速提高42.7%，進(jìn)尺提高73.8%。

3 仿生耦合鉆頭高效碎巖機(jī)理分析

仿生孕鑲金剛石鉆頭的碎巖機(jī)理是以普通孕鑲金剛石鉆頭碎巖機(jī)理為基礎(chǔ)，在荷載、碎巖工具的形狀、底部流場(chǎng)以及巖粉顆粒等對(duì)碎巖機(jī)理進(jìn)行了新的補(bǔ)充。

3.1 仿生耦合鉆頭高效碎巖定性分析

3.1.1 仿生耦合鉆頭底唇面上的比壓

仿生耦合鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中，會(huì)不斷產(chǎn)生凹坑形非光滑表面，使得仿生鉆頭與巖石接觸的底面積減小，間接增大了底唇面上的比壓。鉆頭底唇面上比壓的增加會(huì)產(chǎn)生2方面的影響：一方面，有利于鉆頭的銳化；另一方面，也有利于在巖石上產(chǎn)生網(wǎng)狀的微裂紋，并使裂紋得到擴(kuò)展，大大增大了巖石的潤(rùn)濕層深度，使金剛石顆粒切入巖石的深度有所增加。這些都對(duì)鉆進(jìn)時(shí)效的提高產(chǎn)生積極作用。

以往的鉆進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果也證明：當(dāng)施加在孕鑲金剛石鉆頭上的鉆壓低于某一個(gè)值時(shí)，無(wú)論非光滑還是平底的金剛石鉆頭進(jìn)尺都非常緩慢，只有當(dāng)鉆壓達(dá)到某一值時(shí)，才能達(dá)到理想的碎巖效果。在同樣規(guī)程參數(shù)下，由于非光滑表面的存在，使鉆頭底唇面上的比壓增大，故其鉆進(jìn)時(shí)效比普通平底鉆頭的大。

3.1.2 非光滑表面的存在改善了鉆頭的冷卻條件

仿生耦合鉆頭底唇面上產(chǎn)生非光滑面的凹坑，能儲(chǔ)存少量沖洗液，在鉆頭的高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，會(huì)在凹坑內(nèi)即鉆頭底唇面上形成微型流場(chǎng)，這無(wú)疑會(huì)提高金剛石顆粒的冷卻效果；另外，在鉆頭壓裂巖石的同時(shí)，也把部分沖洗液擠入巖石裂紋中，凹坑內(nèi)沖洗液的存在會(huì)延長(zhǎng)沖洗液與巖石的接觸時(shí)間，改善巖石的潤(rùn)濕程度，使金剛石顆粒在切削巖石時(shí)，一直處在濕摩擦狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，摩擦因數(shù)小，冷卻效果好。改善金剛石顆粒的冷卻效果，會(huì)降低其熱損耗，增加其工作時(shí)間，間接提高仿生耦合鉆頭的壽命。

3.2 仿生耦合鉆頭高效碎巖定量計(jì)算

3.2.1 定量計(jì)算理論公式

仿生耦合鉆頭的研磨破碎可理解為機(jī)械能轉(zhuǎn)化成表面能的過(guò)程。從能量守恒出發(fā)，研磨巖石功由2部分組成：一是軸壓力（垂直力）作的功WP，二是扭矩M（水平力）作的功WF?？死私⒘溯S壓力P所作的功WP與研磨進(jìn)尺h(yuǎn)的關(guān)系式如下[11]：

克氏還認(rèn)為扭矩M用于克服摩擦功Wμ和研磨巖石作的功Wn2部分。而摩擦因數(shù)μ恒等于即有：

其中：τ剪為巖石抗剪強(qiáng)度；R壓為巖石抗壓強(qiáng)度；WF是扭矩所作之功，即：

r為研磨平均直徑D1為金剛石鉆頭內(nèi)徑；D2為金剛石鉆頭外徑；μ為巖石摩擦因數(shù)，μ=τ剪/R壓，其值約為0.4。將式（3）與式（4）代入式（2），得：

鉆頭每轉(zhuǎn)1周，研磨破碎巖石所需要的功WR?？耸险J(rèn)為它等于抗壓強(qiáng)度和破碎體積之積，即

式中：A為鉆頭斷面積，

同時(shí)，克氏認(rèn)為研磨破碎巖石所需功WR應(yīng)等于軸壓力所作功和研磨巖石所作功之和，即：

將式（6）代入式（7）并整理，得到每轉(zhuǎn)1周研磨進(jìn)尺的表達(dá)式為：

從式（8）可以看出：對(duì)于某一巖層，巖石的摩擦因數(shù)μ和抗壓強(qiáng)度R壓是一定的；在給定鉆頭相同軸向力P和扭矩M的條件下，巖石的研磨進(jìn)尺h(yuǎn)只與鉆頭底唇面面積A相關(guān)。鉆頭底唇面面積越小，研磨進(jìn)尺就越大。對(duì)于仿生金剛石鉆頭，非光滑結(jié)構(gòu)的存在使得鉆頭的底唇面面積減小，因此，每旋轉(zhuǎn)1周的研磨進(jìn)尺就增大。

3.2.2 巖粉實(shí)驗(yàn)分析

為了進(jìn)一步明確仿生鉆頭的鉆進(jìn)時(shí)效高于普通鉆頭的鉆進(jìn)時(shí)效的原因，分別對(duì)仿生鉆頭和普通鉆頭排出的巖粉進(jìn)行了顯微觀察。所用儀器為偏光反光顯微鏡，放大倍數(shù)為400倍。圖4所示為仿生鉆頭破碎后的巖粉結(jié)果結(jié)構(gòu)，圖5所示為普通鉆頭破碎后的巖粉結(jié)構(gòu)。

圖4 仿生耦合鉆頭破碎的巖粉放大圖Fig.4 Enlarged drawing of rock dust crushed structure by bionics bit

圖5 普通鉆頭破碎的巖粉放大圖Fig.5 Enlarged drawing of rock dust crushed structure by ordinary bit

從圖4和圖5可以看出：仿生耦合鉆頭破碎的巖粉顆粒粒徑可達(dá)10 μm，普遍都在5 μm左右；而普通鉆頭的巖粉顆粒粒徑?jīng)]有超過(guò)4 μm，部分巖粉顆粒粒徑甚至在1 μm左右。這說(shuō)明仿生耦合鉆頭破碎巖石后巖粉的顆粒要比普通鉆頭破碎的巖粉顆粒大很多。

巖粉顆粒上的差別不但直接說(shuō)明了仿生耦合鉆頭高效碎巖的實(shí)質(zhì)，還間接證明了非光滑表面的存在既能增加仿生耦合鉆頭底唇面上的比壓，又能改善金剛石顆粒的冷卻效果及巖石的潤(rùn)濕程度。

4 結(jié)論

（1） 將仿生耦合理論引入到孕鑲金剛石鉆頭的設(shè)計(jì)中，利用非光滑表面效應(yīng)改善鉆頭的工作條件，進(jìn)而提高鉆頭的時(shí)效和壽命。仿生耦合鉆頭比普通孕鑲金剛石鉆頭時(shí)效提高42.7%，壽命提高73.8%。

（2） 非光滑結(jié)構(gòu)的存在不但能增加仿生耦合鉆頭底唇面的比壓，有利于巖石裂紋的擴(kuò)展，增加巖石的潤(rùn)濕程度，而且能在底唇面上產(chǎn)生微型流場(chǎng)，改善金剛石顆粒的冷卻效果，減少其熱損傷程度。

（3） 仿生耦合鉆頭破碎的巖粉直徑可達(dá)10 μm，普遍都在5 μm左右；普通鉆頭的巖粉顆粒沒(méi)有超過(guò)4 μm，部分巖粉顆粒甚至在1 μm左右。所以，每旋轉(zhuǎn)1周，仿生耦合鉆頭的研磨進(jìn)尺要比普通孕鑲金剛石鉆頭的大。

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（編輯 陳燦華）

Experiment and rock fragmentation mechanism of bionic coupling impregnated diamond bit

WANG Chuan-liu1, SUN You-hong1, LIU Bao-chang1, WANG Yin-xia2
（1. College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun 130021, China; 2. Jilin Provincial Architecture Design Institute Co. Ltd., Changchun 130021, China）

Bionic coupling theory was applied on design of the drilling bit in order to improve the drilling efficiency and the life of impregnated diamond bit, and the bionic coupling impregnated diamond bit was developed. Rock fragmentation mechanism was expatiated, and rock powders were analyzed. The results show that the drilling efficiency is increased by 42.7% and the life by 73.8% compared with the conventional impregnated diamond bit. Specific pressure on the bionic coupling bit’s crown is increased, which is helpful to self sharpening of the bit and crack propagation of rock, and the micro flow field is generated because of the existence of non-smooth surface. The size of rock dust particles crushed by the bionic coupling bit is larger than that broken by ordinary bits.

bionic coupling; impregnated diamond bit; coupling element; non-smooth ratio; rock fragmentation mechanism

TG115

A

1672?7207（2011）05?1321?05

2010?05?15；

2010?08?02

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）項(xiàng)目（2006AA06Z221）

孫友宏（1965?），男，江蘇如皋人，博士，教授，從事巖土鉆鑿、仿生和可再生能源等研究；電話(huà)：0431-88502066；E-mail： syh@jlu.edu.cn