鉆進(jìn)硬而致密巖石的直角梯形齒金剛石鉆頭研究*

葉宏煜， 楊 展， 鄒盛樹(shù) ， 謝 濤， 潘家棟

(1. 武漢萬(wàn)邦激光金剛石工具有限公司， 武漢 430056)

(2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 機(jī)械與電子信息學(xué)院， 武漢 430074)

鉆進(jìn)不同的巖石，需要選擇不同性能、不同結(jié)構(gòu)的金剛石鉆頭，同時(shí)配合合理的鉆進(jìn)工藝參數(shù)，才能取得好的鉆進(jìn)效果。然而地球內(nèi)部的巖石種類(lèi)復(fù)雜多變，巖石性質(zhì)千差萬(wàn)別。在一個(gè)鉆孔中，可能存在幾種力學(xué)性質(zhì)完全不同的巖石，有可鉆性5～6級(jí)的較軟的巖石，也有可鉆性達(dá)到8～10級(jí)的硬的巖石。

鉆孔中常常遇到硬而致密的巖石，此時(shí)鉆進(jìn)時(shí)效極低；這些不同性能的巖石使深孔繩索取心鉆進(jìn)時(shí)選擇鉆頭困難。因此，需要研究和設(shè)計(jì)出鉆進(jìn)效果和普適性能更好的金剛石鉆頭。

1 直角梯形齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

直角梯形齒結(jié)構(gòu)的鉆頭(如圖1所示)具有比普通鉆頭在孔底與巖石接觸面積小的優(yōu)點(diǎn)。在相同鉆壓作用下，其單位面積上的鉆進(jìn)壓力較大，可以提高鉆進(jìn)速度。

圖1 直角梯形齒鉆頭的外貌

這種類(lèi)型鉆頭可以分解為2部分：扇形長(zhǎng)方體部分M和扇形三角體部分N，見(jiàn)圖2所示。M部分是破碎巖石的主體力量，N部分在支撐長(zhǎng)方體的同時(shí)參與破碎巖石。梯形齒的直角面面對(duì)巖石，是破碎巖石的前鋒，而梯形齒的斜腰起支撐作用，提高了切削齒的抗彎強(qiáng)度，使鉆頭能夠承受孔底的復(fù)雜受力條件。

圖2 直角梯形齒由M和N部分組成

1.1 直角梯形齒受力分析

為了計(jì)算和分析受力情況，將直角梯形鉆頭的梯形齒簡(jiǎn)化為圖3所示：直角梯形齒的直角邊高為AB，梯形的頂部寬為BD，梯形的另一底角為α，其橫截面為梯形ABDC。直角梯形齒受垂直鉆壓P的作用，同時(shí)受巖石抵抗力F的作用。鉆頭在孔底還要承受振動(dòng)、沖擊等交變應(yīng)力的作用，為了計(jì)算方便忽略不計(jì)。

圖3 直角梯形齒平面受力分析

巖石的抗剪強(qiáng)度和壓入硬度是梯形齒受力計(jì)算的基本依據(jù)，其中巖石的抗剪強(qiáng)度是設(shè)計(jì)直角梯形齒抗彎強(qiáng)度的基本依據(jù)，以8級(jí)花崗巖為例，其抗剪強(qiáng)度最大為20 MPa；梯形齒的軸向壓力P以鉆壓值為計(jì)算依據(jù)，鉆進(jìn)8級(jí)花崗巖的鉆壓值一般取750～800 MPa。

假設(shè)BD端面所受軸向壓力為單位均布?jí)毫Γ浜狭作用在上下對(duì)稱(chēng)位置。該鉆齒受力情況視為左端齒根部固定，右端為一根自由的懸臂梁。該懸臂梁承受軸向壓縮和彎曲。按照材料力學(xué)理論分析，梁組合變形時(shí)危險(xiǎn)的橫截面在左端固定端的AC截面。

圖3中，鉆齒根部的底角α一般取55°～70°，故該變載面梁左端橫截面上的彎曲變形的中性軸可近似認(rèn)為位于該截面上下對(duì)稱(chēng)位置，即y=h1/2。對(duì)AC橫截面上的內(nèi)力分析有：軸力(壓縮)N=P，剪力(彎曲)Q=F，彎矩(彎曲)M=P·e-F·l。若忽略剪力Q對(duì)材料強(qiáng)度的影響，則該截面上各點(diǎn)的正應(yīng)力σ為：

(1)

其中：

A=b·h1=b·(h+l/tanα)；

(2)

Iz=bh13/12；

(3)

e=h1/2-h/2=l/2tanα；

(4)

h2=l/tanα；

(5)

h1=h+h2=h+l/tanα。

(6)

式中：AC端橫截面可近似為矩形，矩形的一邊為h1=h+h2，而h2=l/tanα，而矩形的另一邊為b，即鉆頭的工作層厚度。

則對(duì)AC橫截面上各點(diǎn)有

(7)

AC橫截面上最大拉應(yīng)力位于上邊緣一線各點(diǎn)，最大壓應(yīng)力位于下邊緣一線各點(diǎn)，兩者絕對(duì)值相等，則

(8)

將式(6)代入式(8)后得：

(9)

于是有：

σ=σ軸+σ彎max=

(10)

利用式(10)，再結(jié)合鉆頭的規(guī)格、結(jié)構(gòu)、胎體的力學(xué)性能和所鉆進(jìn)的巖石的物理力學(xué)性能，就可以設(shè)計(jì)直角梯形齒鉆頭的齒形結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1.2 直角梯形齒設(shè)計(jì)

梯形切削齒的抗壓強(qiáng)度一般很高，能夠滿足鉆進(jìn)的要求，因此這里對(duì)鉆壓不再單獨(dú)分析。

直角梯形齒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)尺寸：梯形頂?shù)膶抙，梯形齒的厚度b(即鉆頭的內(nèi)外徑的長(zhǎng)度差)，梯形的腰所對(duì)應(yīng)的底角α和直角梯形的高l。鉆頭梯形齒的厚度b由鉆頭的規(guī)格確定，這里b=14.5 mm。而直角梯形的高l由工作層高和過(guò)水間隙綜合確定，工作層高取10 mm，而過(guò)水間隙取3 mm，因此高l為13 mm。因此，式(10)變成：

(11)

梯形頂寬h影響鉆頭與巖石的最初接觸面積，h值的設(shè)計(jì)依據(jù)是巖石的力學(xué)性質(zhì)、鉆頭的規(guī)格以及鉆頭的水路等，例如可鉆性8～9級(jí)的巖石，h值在8～12 mm比較合理。以可鉆性8級(jí)巖石為例，h值可選擇10 mm。這樣，式(11)變成：

(12)

梯形底角α可以依據(jù)巖石力學(xué)性質(zhì)和鉆頭的規(guī)格等因素在55°～70°選擇。在h值一定時(shí)，α越小，直角梯形齒的抗彎能力越大，但同時(shí)必須受鉆頭水口的限制。因此，在設(shè)計(jì)直角梯形齒鉆頭時(shí)，知道F和α就可得出直角梯形齒所受的應(yīng)力σ，只要直角梯形齒的抗彎強(qiáng)度大于直角梯形齒所受應(yīng)力σ，這個(gè)梯形齒就是安全的。其中，F(xiàn)主要取決于巖石的抗剪強(qiáng)度和梯形齒與孔底巖石的摩擦力。

在決定α?xí)r，一般采用試算的方法。例如，對(duì)于規(guī)格為φ77/48 mm的鉆頭，鉆進(jìn)的巖石為可鉆性8級(jí)花崗巖，通過(guò)查表與計(jì)算得出單個(gè)鉆齒剪切巖石所受的回轉(zhuǎn)力約為900 N；梯形底角取60°進(jìn)行試算，得出梯形齒承受的抗彎強(qiáng)度約為158 MPa；加上由鉆壓產(chǎn)生的摩擦力約300 N(動(dòng)摩擦系數(shù)取0.2)時(shí)所增加的彎矩約53 MPa，總計(jì)211 MPa。顯然，這個(gè)應(yīng)力比設(shè)計(jì)鉆頭胎體已具有的最低抗彎強(qiáng)度值(700 MPa)要低很多，故這個(gè)設(shè)計(jì)是安全的。

2 鉆頭胎體性能設(shè)計(jì)

胎體性能是金剛石鉆頭設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，涉及胎體包鑲金剛石的牢固度和有效出刃，直接影響鉆頭的使用效果和壽命；涉及鉆頭的耐磨性能，直接影響對(duì)巖石的適應(yīng)性，影響金剛石出刃效果和鉆進(jìn)速度。

2.1 對(duì)胎體性能的要求

所研究的鉆頭胎體性能主要為胎體的硬度和耐磨性。設(shè)計(jì)梯形齒的性能主要以巖石的硬度與研磨性為主要依據(jù)，目標(biāo)是鉆頭具有較好的普適性能，既具有較高的硬度和抗彎強(qiáng)度，又具有較好的耐磨性和自銳性。

直角梯形齒金剛石鉆頭的梯形齒實(shí)際上由2部分組成，即由ABDE-JFGI四邊形組成的扇形長(zhǎng)方體M和由EDC-IGH三角形組成的扇形三角體N(圖2)。對(duì)于可鉆性7～9級(jí)、較強(qiáng)研磨性巖石，直角梯形齒性能設(shè)計(jì)可作整體考慮。只有設(shè)計(jì)鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密巖石的鉆頭時(shí)才會(huì)分別考慮設(shè)計(jì)，相比N部分，M部分的胎體硬度的要求較高，耐磨性同樣要求較高。因此，該類(lèi)鉆頭可以通過(guò)調(diào)節(jié)鉆齒的M和N部分的參數(shù)和性能，達(dá)到調(diào)節(jié)鉆頭整體性能的目的。

2.2 含金剛石層胎體性能設(shè)計(jì)

鉆頭胎體性能的設(shè)計(jì)采用混料回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。采用預(yù)合金粉材料，依據(jù)前期研究的初步結(jié)果，胎體成分作如下考慮：骨架材料(WC+YG8)作為一個(gè)因素考慮(記為Z1)，黏結(jié)金屬(663Cu+CuSn10)作為一個(gè)因素考慮(記為Z2)； FJT-01單獨(dú)作為一個(gè)因素考慮(記為Z3)；FJT-A5作為一個(gè)因素考慮(記為Z4)。設(shè)計(jì)4因素混料回歸試驗(yàn)，預(yù)合金粉成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 預(yù)合金粉胎體合金混料回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

試驗(yàn)的指標(biāo)是胎體的硬度和耐磨性，探索胎體成分變化對(duì)胎體硬度和耐磨性的影響規(guī)律。按照混料回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法并進(jìn)行試驗(yàn)；采用SM100-A型智能電阻爐燒結(jié)試樣，利用 HR-150A型硬度計(jì)和 MPx-2000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，對(duì)試樣的硬度和耐磨性分別進(jìn)行檢測(cè)，其耐磨性和硬度的檢測(cè)數(shù)值如表2所示。按照混料回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了10次試驗(yàn)，測(cè)得硬度與耐磨性一共10組數(shù)據(jù)。對(duì)于可鉆性7～9級(jí)巖石的硬度與研磨性，可以選擇表2中的合適的胎體性能組合，設(shè)計(jì)和燒結(jié)鉆頭，滿足其中某類(lèi)型巖石的鉆進(jìn)要求。

表2 混料回歸試驗(yàn)結(jié)果

3 鉆頭金剛石參數(shù)設(shè)計(jì)

M和N部分的結(jié)構(gòu)與作用不相同，胎體成分與性能可以相同，也可以不同；而由此設(shè)計(jì)金剛石的濃度也可以相同或不相同。當(dāng)金剛石濃度不相同時(shí)，M部分的金剛石品級(jí)高，其濃度較高；而N部分的金剛石品級(jí)較低，而濃度亦較低。這樣的設(shè)計(jì)主要基于所鉆進(jìn)的巖石的力學(xué)性質(zhì)。

依據(jù)巖石性質(zhì)，M與N部分的金剛石濃度不同。當(dāng)鉆進(jìn)硬至堅(jiān)硬、研磨性較弱的巖石時(shí)，M部分的金剛石濃度取65%～75%，金剛石品級(jí)為SMD40，金剛石粒度以代號(hào)50/60的為主；而N部分的金剛石濃度為60%，由代號(hào)40/50的金剛石配合一部分代號(hào)60/70的金剛石，金剛石品級(jí)SMD30；鉆齒底角α取65°，水口寬度較大。當(dāng)鉆進(jìn)硬、中等至較強(qiáng)研磨性的巖石時(shí)，底角α取70°，水口寬度較小；M與N部分的性能相同，金剛石的濃度相同，取80%～90%；金剛石的品級(jí)取SMD40，金剛石粒度組成為：代號(hào)35/40的占20%～25%，40/50的占50%～60%，50/60的占20%～25%。當(dāng)鉆進(jìn)中硬及其以下巖石時(shí)，鉆頭的l可以取較小值，金剛石的粒度以代號(hào)35/40和40/50的為主，金剛石品級(jí)取SMD35，底角α取75°，采用較大水口。

4 鉆頭試制、試驗(yàn)與分析

4.1 鉆頭試制與試驗(yàn)

鉆進(jìn)的巖石為含角閃石的斜長(zhǎng)玢巖，巖石致密，可鉆性為8級(jí)，礦物顆粒為中到細(xì)粒，屬于硬而致密、較弱研磨性巖石。

針對(duì)此巖石性質(zhì)，鉆頭胎體成分選擇表2中的試驗(yàn)配方5：碳化鎢等硬質(zhì)材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%，黏結(jié)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%，F(xiàn)JT01質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32%，F(xiàn)JTA5質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。胎體的硬度為HRB99.8，耐磨性為25 mg。鉆頭的熱壓工藝：溫度為965 ℃，壓力為18 MPa，保溫時(shí)間為5.5 min。金剛石濃度為90%，金剛石品級(jí)為SMD40，金剛石粒度代號(hào)為35/40與50/60，各占50%。試驗(yàn)對(duì)比的鉆頭(表中所示普通鉆頭)采用相同配方與工藝制造。

試制φ77/49 mm普通雙管鉆頭及直角梯形齒鉆頭，進(jìn)行野外實(shí)鉆試驗(yàn)，試驗(yàn)在江西贛州NLSD-1科鉆深孔工地進(jìn)行。鉆進(jìn)的實(shí)際效果如表3所示。

表3 試驗(yàn)鉆頭鉆進(jìn)對(duì)比

從表3可知：2個(gè)試驗(yàn)鉆頭的鉆進(jìn)指標(biāo)很相近，而用于對(duì)比試驗(yàn)的普通鉆頭的總進(jìn)尺雖高出試驗(yàn)鉆頭2.4～3.7 m(2.8%～4.5%)，但鉆進(jìn)時(shí)效卻低0.39～0.44 m/h(17.3%～19.1%)；試驗(yàn)鉆頭的成本要比普通鉆頭低32元/個(gè)(15.0%)，主要是普通鉆頭所用金屬粉末與金剛石量較多造成的。由此可知，試驗(yàn)鉆頭具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。

4.2 結(jié)果分析

直角梯形金剛石鉆頭和普通金剛石鉆頭的區(qū)別在于鉆頭的結(jié)構(gòu)、胎體性能和金剛石參數(shù)不相同，因而造成了鉆頭的鉆進(jìn)時(shí)效不同，對(duì)巖石的適應(yīng)性能不相同，因而實(shí)現(xiàn)了直角梯形齒鉆頭的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

隨鉆進(jìn)進(jìn)行，直角梯形齒鉆頭與巖石的接觸面積在慢慢增加，鉆進(jìn)速度將慢慢降低，一直鉆進(jìn)到鉆頭工作層基本磨損完，此時(shí)的鉆進(jìn)速度基本接近普通鉆頭的指標(biāo)。這種接近率可視為(SN/SM)×λ，系數(shù)λ包含底角α，扇形三角體N的性能差別，等等。隨著鉆進(jìn)的進(jìn)行，扇形三角體N與巖石逐漸接觸，開(kāi)始破碎巖石，出現(xiàn)磨損，與孔底巖石的接觸面積SN不斷變大，鉆進(jìn)速度會(huì)有所下降。但是，這種下降率不會(huì)與N部分與巖石的接觸面積增加成正比，因?yàn)镹部分的胎體性能較軟、耐磨性較低，其金剛石濃度低且質(zhì)量差，所消耗的鉆壓并不與N部分與巖石的接觸面積成比例，只有N部分面積影響的40%～50%。

試驗(yàn)鉆頭的整體金剛石濃度相比普通鉆頭的金剛石濃度較低，約降低30%；而工作層的面積較小，單位面積的鉆進(jìn)比壓增大，單顆金剛石受力提高，切入巖石的深度有所增加，鉆進(jìn)效率得到提高。

因此，試驗(yàn)鉆頭鉆進(jìn)時(shí)效較高、使用壽命較長(zhǎng)的原因在于鉆頭的結(jié)構(gòu)合理，與孔底巖石的接觸面積較小，鉆進(jìn)時(shí)壓強(qiáng)較大，能夠產(chǎn)生大體積剪切破碎，鉆進(jìn)效率高。同時(shí)，試驗(yàn)鉆頭的水口較大，鉆頭的冷卻效果好，排除孔底巖粉及時(shí)，巖粉重復(fù)破碎的概率小，鉆頭的單位進(jìn)尺的磨損較小，這樣就保證了鉆頭既有較高的鉆進(jìn)效率，又有較長(zhǎng)的使用壽命。該鉆頭已經(jīng)獲得國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利。

5 結(jié)論

理論計(jì)算和鉆進(jìn)實(shí)踐表明，直角梯形齒金剛石鉆頭鉆進(jìn)硬而致密巖石時(shí)，鉆頭與孔底巖石的接觸面積較小，鉆進(jìn)比壓較大，能夠有效切入巖石，鉆進(jìn)速度明顯提高。

直角梯形齒鉆頭結(jié)構(gòu)合理，鉆齒由2部分組成：扇形長(zhǎng)方體M和扇形三角體N。N部分既可以參與破碎巖石，又可以起到支撐扇形M部分的作用，鉆頭的抗彎強(qiáng)度有保障，鉆頭的受力條件得到改善。

可以通過(guò)調(diào)整底角α和齒頂寬l以調(diào)整直角梯形齒鉆頭的扇形長(zhǎng)方體M和扇形三角體N的比值，達(dá)到調(diào)整鉆頭工作性能的目的，以適應(yīng)不同性能巖石的鉆進(jìn)需要，從而提高鉆進(jìn)效果，降低鉆頭成本。

采用了混料回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，對(duì)預(yù)合金粉進(jìn)行了胎體性能試驗(yàn)研究，得出了10組配方供鉆頭設(shè)計(jì)選擇，以適應(yīng)不同性質(zhì)巖石的鉆進(jìn)需要。