PDC 繩索取心鉆頭與全面鉆頭的特性分析

國內(nèi)外鉆探經(jīng)驗表明，采用復(fù)合片制造地質(zhì)勘探繩索取心鉆頭和不取心全面鉆頭是非常有前景的方向。這些鉆頭與前述鉆探工具的主要差異在于鉆頭底端的厚度不同。

正如許多文獻指出的那樣，鉆頭底端厚度將對鉆探工具的鉆進效果和機械鉆速產(chǎn)生很大影響。一般情況下，機械鉆速與端部厚度成反比。

烏克蘭超硬材料研究所曾進行的三種厚度59孕鑲金剛石鉆頭(厚度分別為6.5、8.5和11.8mm)對比試驗也表明，機械鉆速隨著端部厚度增大而下降。并且鉆速的下降不僅發(fā)生在鉆頭軸向載荷恒定的條件下，而且發(fā)生在比壓(端面金剛石層單位面積上的載荷)恒定的條件下。圖3－20中繪出了不同端面厚度的59mm鉆頭機械鉆速的試驗結(jié)果。由此可以看出，在載荷恒定的條件下，隨著端面厚度由6.5mm增至11.8mm，鉆頭的機械鉆速劇烈地下降為原來的1/3。而當比壓恒定時機械鉆速下降為原來的1/2。

圖3－2059mm金剛石孕鑲鉆頭機械鉆速與端部厚度的關(guān)系

隨著端部厚度增大，孕鑲金剛石鉆頭鉆進過程的功耗、扭矩和破碎單位體積巖石的功耗也增大。由給出的試驗數(shù)據(jù)可以推測，如果用復(fù)合片制造單管取心標準鉆頭，它在實鉆中將取得更好的效果。同時，在分析大切削具單管取心鉆頭的巖石破碎機理時，我們已指出，功耗量在很大程度上取決于鉆頭端部結(jié)構(gòu)決定的切削方式。即，在環(huán)形孔底中的全封閉式和有自由面的邊角半封閉式兩種能耗不同的切削方式。對不取巖心的全面鉆頭而言，可供選擇的切削方式有:平底型端面的全封閉式和邊角處的半封閉式，其中后者的能耗較小。

下面我們來研究不同形式的復(fù)合片鉆頭能耗問題。為此，曾用3種類型的鉆頭在轉(zhuǎn)速125r/min，軸載由2.5kN至15kN變化的條件下，進行鉆進Ⅸ級砂巖的對比試驗。表3－10列舉了3種鉆頭的對比試驗結(jié)果，其中包括端部厚度9mm的單管鉆頭、端部厚度24mm的繩索取心鉆頭和帶中心沖洗小孔端部厚度33mm的全面鉆頭。

表3－10 三種復(fù)合片地質(zhì)勘探鉆頭的室內(nèi)對比試驗結(jié)果

由表3－10和圖3－21可以看出，在同樣的軸向載荷下，端部厚度33mm的復(fù)合片全面鉆頭的機械鉆速最高，而端部厚度9mm的取心鉆頭機械鉆速最低。在這些數(shù)據(jù)中，鉆進過程的功耗差別并不大。對比圖3－20和3－21的曲線可以看出，金剛石孕鑲鉆頭和切削型復(fù)合片鉆頭的巖石破碎機理是不同的，并且存在著不同的規(guī)律性。對于金剛石孕鑲鉆頭而言，機械鉆速與鉆頭端面厚度成反比，而PDC鉆頭的機械鉆速隨著鉆頭端面的加厚反而有所增大，尤其是大厚度的全面鉆頭增大更顯著。

必須指出，功耗和扭矩值隨著端部厚度的增大而增長，但這種增長并不十分明顯，而單位體積的能量消耗卻明顯降低。從巖石破碎所需的能耗來看，效果最差的是端部厚度9mm的單管取心鉆頭，而效果最好的是不取心全面鉆頭，它的單位體積破碎功是端部厚度9mm單管鉆頭的1/5，是繩索取心鉆頭的1/2。我們認為，這可解釋為，端部厚度9mm的單管鉆頭工作時，因為環(huán)形孔底的寬度略大于9mm，而使用的切削具是直徑8mm的復(fù)合片，所以切削具在孔底的工作狀態(tài)接近于全封閉的破碎方式，不可能為巖石裂紋擴展和破碎屑“飛出”創(chuàng)造自由面。

PDC繩索取心鉆頭的切削方式比較有利，所以在不同規(guī)程參數(shù)條件下機械鉆速幾乎變化不大。由于該鉆頭的端部厚度為24mm，而所用的切削刃直徑為13.5mm，所以端面上的切削具可以錯開布置，使它們之間的距離最合理，從而可在環(huán)形孔底內(nèi)為巖石破碎提供自由面，促使其更有效地崩離，結(jié)果使能量消耗處于較低的水平。

全面鉆頭工作時，可以在孔底觀察到有方格狀或蜂窩狀的切削痕跡，說明已進入半封閉狀切削破碎方式。在這種破碎方式下，復(fù)合片與巖石的接觸面較小，同樣摩擦力和能耗量也較小。雖然全面鉆頭破碎的孔底面積比取心鉆頭大1.5倍，而在相同載荷下全面鉆頭的機械鉆速卻比取心鉆頭高1～2倍。

上述實驗研究的結(jié)果表明，復(fù)合片鉆頭可用于不同的地質(zhì)條件，在中硬和部分硬巖石中具有很好的鉆進能力。研制復(fù)合片鉆頭時，必須努力營造能耗量較小的切削方式。從這個觀點出發(fā)，可以認為更有前景的是復(fù)合片全面鉆頭。

圖3－21 復(fù)合片鉆頭機械鉆速與端部厚度的關(guān)系

為了探討全面鉆頭的巖石破碎機理，烏克蘭專家曾在實驗室允許的參數(shù)可調(diào)范圍內(nèi)進行臺架試驗。試驗共使用6個復(fù)合片全面鉆頭(刃部修磨過)，鉆進對象是具有彈塑性破碎特征、可鉆性Ⅸ級的研磨性砂巖塊。試驗過程中保證復(fù)合片工作在自銳的工作狀態(tài)下，不因復(fù)合片進入臨界磨損狀態(tài)而降低鉆進速度。

試驗的結(jié)果列于表3－11。為了更完整，表中列出了通過實驗和計算建立的一些過程特征參數(shù)，其中包括功耗值、切向力和軸向載荷以及它們之比(切削力系數(shù))，單位接觸面積上的切向力和消耗在1cm3巖石破碎上的單位體積破碎功等。

試驗過程中曾設(shè)定以1.6mm/r的給進量鉆進，但是在這種條件下修磨過的復(fù)合片經(jīng)常被損壞，不可能保持自行磨刃的工作狀態(tài)和穩(wěn)定的工作性能，所以表中羅列的是在給進量由0.1至1.0mm/r條件下全面鉆頭的試驗結(jié)果。

由表3－11可看出，每轉(zhuǎn)給進量確定了所需軸向載荷的大小。隨著給進量由0.1增至1.0mm/r(增長10倍)軸向載荷也由11增至50kN(增長4～5倍)。當以不同的轉(zhuǎn)速和相應(yīng)的線速度試驗時(這時并未改變軸向載荷的大小)，切向力基本上取決于每轉(zhuǎn)給進量的大小，隨著給進量增大10倍，切向力也由2增至5kN(增長1～2倍)。但是，切向力明顯受到轉(zhuǎn)速的影響。當轉(zhuǎn)速由125r/min增至315r/min(為2.5倍)時，切向力降低為原來的70%～90%。在轉(zhuǎn)速由125r/min增至315r/min的條件下，給進量為0.1mm/r時，切向力由2.4kN減至1.75kN;而給進量為1.0mm/r時，切向力由5.5kN減至5.15kN。

軸向載荷和切向力與機械鉆速、每轉(zhuǎn)給進量的關(guān)系示于圖3－22。繪制的曲線表明，隨著給進量的增大，軸向載荷和切向力也緩慢增大。

根據(jù)用未經(jīng)修磨復(fù)合片制成的全面鉆頭試驗結(jié)果，可以繪出關(guān)系曲線圖3－23。由曲線可看出，未經(jīng)修磨的復(fù)合片全面鉆頭也表現(xiàn)出相同的特性。實際的切向力也具有這樣的變化規(guī)律。

獲得的試驗數(shù)據(jù)說明，PDC切削具與巖石的接觸面積不僅對孔底巖石破碎過程具有顯著影響，而且對增大給進量條件下切向力的變化特征也存在著顯著影響。

在生產(chǎn)條件下PDC全面鉆頭與牙輪鉆頭的對比性試驗結(jié)果見表3－12。

PDC全面鉆頭鉆進厚砂巖層時機械鉆速曾達16m/h。鉆進砂質(zhì)頁巖和粉砂巖時速度下降并在3.7～9.0m/h的范圍內(nèi)變化。鉆進厚度為0.7～1.0m的單一薄層粘性泥質(zhì)頁巖時速度下降為1.3m/h。PDC全面鉆頭鉆進以上各類巖石的平均鉆速為5～8m/h，明顯超過采用牙輪鉆頭和孕鑲金剛石全面鉆頭的鉆進效果。其中，牙輪鉆頭的平均機械鉆速為2～4m/h;而金剛石鉆頭為1～2m/h。