孕鑲金剛石鉆頭在花崗巖中的鉆進(jìn)性能

引言
　　“鉆頭不到，石油不冒”，眾所周知，鉆井是石油勘探開(kāi)發(fā)的“龍頭”，此話(huà)形象生動(dòng)地道出了“鉆頭”在鉆探開(kāi)發(fā)中的重要地位[1]。隨著我國(guó)人造金剛石技術(shù)和粉末冶金技術(shù)的發(fā)展，于1963年成功在六面頂液壓機(jī)上合成金剛石，緊隨其后在1969年制造出孕鑲?cè)嗽旖饎偸@頭，據(jù)統(tǒng)計(jì)，孕鑲金剛石地質(zhì)鉆頭的年產(chǎn)量已超過(guò)10萬(wàn)只，年鉆探量達(dá)數(shù)百萬(wàn)米[2]。孕鑲金剛石鉆頭因其在地質(zhì)鉆探、石材加工和建筑等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，而深受科研工作者們的關(guān)注。孕鑲金剛石鉆頭的鉆進(jìn)性能主要由金剛石參數(shù)、胎體耐磨能力、巖石性質(zhì)及所選用的鉆進(jìn)規(guī)程決定。為了提高孕鑲金剛石鉆頭的鉆進(jìn)性能，國(guó)內(nèi)外科研工作者深入研究了金剛石參數(shù)對(duì)其的影響。在金剛石的粒徑、品級(jí)和濃度三個(gè)參數(shù)中，粒徑又扮演著舉足輕重的角色[3-4]。評(píng)價(jià)分析鉆頭的鉆進(jìn)性能時(shí)，需要綜合考慮多個(gè)因素，包括：機(jī)械鉆速、總進(jìn)尺，金剛石的出刃數(shù)目及密度和金剛石磨損與脫落的情況等。
　　本文選用了金剛石粒徑為0.5mm、0.5mm和0.8mm混合、0.8mm和1.1mm混合的三個(gè)孕鑲金剛石鉆頭進(jìn)行微鉆實(shí)驗(yàn)。
　石和鉆進(jìn)規(guī)程的變化，還有鉆頭的變化。金剛石鉆頭工作層上的金剛石在鉆進(jìn)時(shí)是以換層的形式磨損的，金剛石每磨損一層，鉆頭鉆進(jìn)性能就出現(xiàn)回程的變化，鉆頭鉆進(jìn)的每個(gè)回次中金剛石出露率和鉆頭鉆速都是不斷變化的[4]，因此，實(shí)際研究中多采用平均鉆速來(lái)評(píng)價(jià)鉆頭的宏觀(guān)性能，而非單回次的鉆速。

　　3金剛石粒徑對(duì)孕鑲金剛石鉆頭性能的影響
　　金剛石和胎體材料構(gòu)成了孕鑲金剛石鉆頭的工作層，兩者共同影響鉆頭的整體性能，金剛石壓入切削和破碎巖石，胎體材料包鑲支撐金剛石。
　　3.1金剛石的出刃對(duì)鉆頭性能的影響
　　金剛石出刃前，巖石僅磨損胎體。金剛石出刃后，出刃大小在零和臨界值之間變化，達(dá)到臨界值后金剛石失效，表現(xiàn)為剝蝕、剪斷或脫落，然后繼續(xù)磨損胎體，新的金剛石出刃，失效，如此循環(huán)[5]。說(shuō)明提高金剛石出刃至失效前的鉆進(jìn)效率可提高鉆頭的鉆進(jìn)性能。
　　在孕鑲金剛石鉆頭的井底破巖過(guò)程中，鉆頭唇面上瞬時(shí)出刃的金剛石數(shù)目是隨機(jī)的，金剛石對(duì)井底的實(shí)際覆蓋系數(shù)是其在胎體唇面濃度的函數(shù)。金剛石的濃度越大，其覆蓋系數(shù)越大，而覆蓋系數(shù)直接與破巖效率相關(guān)。通常情況下，等量的金剛石在孕鑲鉆頭胎體上，粒徑越小，其唇面分布濃度越大[6]，如1#鉆頭。
　　胎體唇面上金剛石的出刃數(shù)目與金剛石濃度正比，與金剛石的粒徑成反比。所以金剛石粒徑越小，等量的金剛石在胎體唇面的顆粒越多，出刃密度越大，這也與實(shí)驗(yàn)相符。胎體唇面上出刃的金剛石，其出刃值在零與臨界值之間隨機(jī)分布，因此，出刃的金剛石越多，這種隨機(jī)分布的寬度越大，相當(dāng)于延長(zhǎng)了金剛石鉆頭的鉆進(jìn)時(shí)間，有利于提高鉆頭的使用壽命。在本文實(shí)驗(yàn)中，1#和2#鉆頭金剛石粒徑相對(duì)較小，鉆頭的使用壽命長(zhǎng)。
　　考慮單顆金剛石的使用壽命，假定金剛石的出刃高度為其直徑的1/3時(shí)失效[7]，那么粗粒徑的金剛石失效后的體積明顯較小粒徑金剛石大，結(jié)果使得在金剛石濃度一定的情況下，未發(fā)揮鉆進(jìn)作用的金剛石的量變大，表現(xiàn)為進(jìn)尺小。實(shí)驗(yàn)表明3#鉆頭的金剛石粒徑大，進(jìn)尺小。
　　另外，在出刃的金剛石中，并非所有的金剛石處于工作狀態(tài)，參與工作的金剛石比例與鉆頭結(jié)構(gòu)和金剛石參數(shù)有關(guān)，據(jù)文獻(xiàn)[8]報(bào)導(dǎo)這一比例在10%左右。如果按這一比例計(jì)算，1#、2#和3#鉆頭出刃并參與工作的金剛石數(shù)目分布為18顆、7顆和4顆，2#和3#鉆頭工作的金剛石數(shù)目明顯低于1#鉆頭，鉆速低。
　　3.2金剛石與胎體的磨損對(duì)鉆頭性能的影響
　　孕鑲金剛石鉆頭中金剛石與胎體的磨損主要有三種：研磨性磨損、粘附性磨損和沖蝕性磨損。其中，研磨性磨損是物理摩擦學(xué)研究的對(duì)象，充足的液量可以避免粘附性磨損，近期，科研工作者們開(kāi)始對(duì)沖蝕性磨損的研究產(chǎn)生興趣[7]。從磨損機(jī)理的角度來(lái)說(shuō)，金剛石的磨損還包括疲勞磨損、腐蝕磨損和微動(dòng)磨損[9,10]。K.Thuro[11]認(rèn)為沖蝕性磨損與金剛石的濃度和粒徑有關(guān)，當(dāng)金剛石濃度確定時(shí)，沖蝕性磨損與金剛石的粒徑成正比。金剛石濃度越低，沖蝕性磨損越大，此時(shí)與金剛石粒徑無(wú)關(guān)。本文實(shí)驗(yàn)中3#鉆頭粒徑大，密度小，沖蝕性磨損大于1#和2#鉆頭，鉆頭性能下降。
　　從載荷的角度來(lái)說(shuō)，出刃的金剛石首先與巖石接觸，金剛石在鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中承受主要載荷。因此，胎體唇面上金剛石密度越大，越有利于減少載荷對(duì)耐磨性差的胎體的作用，保護(hù)胎體過(guò)早磨損，提高鉆頭的整體耐磨性，從而延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命。與此同時(shí)，粒徑越小，胎體唇面上的金剛石密度越大，分布越密集，分散至單顆金剛石承受的力也小[5]，避免了單顆金剛石壓力過(guò)大而發(fā)生脆性破碎。同時(shí)，金剛石的抗壓強(qiáng)度和沖擊韌性值越高，其工作時(shí)破碎斷裂的可能性越小，金剛石工具的磨削性能越好[12]。
　　在金剛石作水平運(yùn)動(dòng)承受彎曲載荷時(shí)，粗粒徑的金剛石承受較大的彎曲載荷，同時(shí)，粗粒徑金剛石切入巖石的深度比小粒徑鉆頭大，更易發(fā)生微破碎和脆性破裂。當(dāng)選用的金剛石粒度過(guò)粗，金剛石鉆頭鉆進(jìn)一段時(shí)間后，金剛石的尖部一旦磨平，使金剛石與巖石的接觸面積增大，降低了金剛石刻取巖石的單位面積壓力，減少了金剛石每次切人巖石的深度，從而降低鉆速[13]，本文實(shí)驗(yàn)中，3#鉆頭金剛石粒徑大，鉆速低，進(jìn)尺小，過(guò)早的出現(xiàn)鉆進(jìn)困難的現(xiàn)象。
　　金剛石的磨損因破巖所致，主要經(jīng)歷初期形態(tài)、局部微破碎狀態(tài)、大面積或整體破碎狀態(tài)、拋光狀態(tài)、脫落狀態(tài)等[14,15]，而胎體的磨損由胎體唇部間隙中未及時(shí)排出的巖粉引起[5]，如圖9所示[16]。小粒徑金剛石，在胎體唇部分布密度大，覆蓋唇面面積大，間隙少而小，相比粗粒徑金剛石，降低了巖粉對(duì)胎體的研磨，提高了胎體的壽命。實(shí)驗(yàn)中，1#鉆頭和2#鉆頭粒徑較3#鉆頭小，純鉆時(shí)間長(zhǎng)，進(jìn)尺大。在粉末冶金中，胎體的硬度和耐磨性成正比[17]，故適當(dāng)提高硬度也可增強(qiáng)胎體的磨損性。
　　巖屑的體積與參加切削的金剛石粒徑關(guān)系密切，通常情況下，金剛石的粒徑越大，破碎的巖屑體積也越大[5]，而體積大的巖屑又加重了對(duì)金剛石和胎體的研磨，降低了金剛石和胎體的進(jìn)尺時(shí)間，3#鉆頭的金剛石粒徑大，純鉆時(shí)間短，縮短了鉆頭的使用壽命。
　　此外，在單粒金剛石的破巖機(jī)理中，A.A.格里菲斯指出：脆性玻璃破裂是由于應(yīng)力集中在玻璃內(nèi)部和玻璃表面微裂隙而引起的。因此在破巖過(guò)程中，這種微小裂隙不斷發(fā)展擴(kuò)大，裂隙經(jīng)歷了從微小裂隙變?yōu)樾×严对僮優(yōu)榇罅严吨敝翈r石斷裂的過(guò)程。而孕鑲金剛石鉆頭胎體唇面的金剛石壓入巖石的前提是，金剛石的粒徑小于或等于這種裂隙的大小。因此，粒徑小的金剛石，首先壓入巖石材料的缺陷處，形成微裂紋。并且，金剛石在唇面的分布密度越大，這種壓入的幾率增加，提高了破巖的效率，機(jī)械鉆速大，1#鉆頭粒徑最小，機(jī)械鉆速最大。
　　單一粒徑的金剛石孕鑲鉆頭適用于鉆進(jìn)礦物粒徑均勻的巖石，反之亦然[18]。實(shí)驗(yàn)所鉆進(jìn)的花崗巖粒度分布寬度適中，單一粒徑的1#鉆頭鉆速和進(jìn)尺均很好，混合粒徑的2#鉆頭進(jìn)尺大，但鉆速低。
　　結(jié)論
　　通過(guò)對(duì)浠水花崗巖進(jìn)行微鉆實(shí)驗(yàn)和鉆進(jìn)情況的分析探討，可以得出以下結(jié)論：
　?。?）當(dāng)胎體中金剛石濃度相同時(shí)，金剛石的出刃數(shù)量和密度與金剛石的粒徑成反比，本實(shí)驗(yàn)中0.5mm的小粒徑金剛石出刃數(shù)量和密度較好；
　?。?）在本文鉆進(jìn)浠水花崗巖的研究中，采用金剛石粒徑為0.5mm或0.5mm和0.8mm混合的金剛石鉆頭，鉆進(jìn)時(shí)間長(zhǎng)，進(jìn)尺大；
　?。?）當(dāng)鉆進(jìn)本文花崗巖巖樣時(shí)，金剛石粒徑為0.5mm的孕鑲金剛石鉆頭平均機(jī)械鉆速最大；
　?。?）在本文研究中，金剛石粒徑為0.5mm比0.8mm和1.1mm混合的孕鑲金剛石鉆頭，鉆進(jìn)浠水花崗巖時(shí)表現(xiàn)出更好的鉆進(jìn)性能。
　　影響孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)性能的因素十分復(fù)雜，本文的結(jié)論及分析僅建立在以花崗巖為