組合切削具產(chǎn)生的預(yù)破碎區(qū)對鉆進效果的影響

鄢泰寧,段隆臣,Р.К.波格丹諾夫,И.А.斯維什尼科夫

組合切削具產(chǎn)生的預(yù)破碎區(qū)對鉆進效果的影響

鄢泰寧1,2,段隆臣1,2,Р.К.波格丹諾夫3,И.А.斯維什尼科夫3

從組合切削具將在巖石中產(chǎn)生預(yù)破碎區(qū)的論點出發(fā),通過實驗定量研究了預(yù)破碎區(qū)深度與掏槽刃切入深度的關(guān)系,得出了預(yù)破碎區(qū)有利于降低巖石強度及巖石破碎能耗的結(jié)論,并用生產(chǎn)試驗結(jié)果進行了驗證。提出了孕鑲金剛石鉆頭鉆進Ⅶ～Ⅷ級硬巖時仍存在預(yù)破碎區(qū)和切削、微切削破巖方式,以及預(yù)破碎區(qū)并非越大越好的學術(shù)觀點。

預(yù)破碎區(qū);組合切削具;巖石破碎機理;鉆進效果

1 問題的提出

研究孔底巖石破碎機理是鉆探(鉆井)專業(yè)最重要的研究方向之一,是設(shè)計高效、長壽命巖石破碎工具及制定合理鉆進規(guī)程的理論基礎(chǔ)。前人在該領(lǐng)域已做過大量工作,并取得了許多成果。但他們多是以一個切削具或一粒金剛石為觀察對象來研究在外載作用下巖石內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律和巖石破碎的條件。而在鉆探生產(chǎn)中,每個鉆頭上必然有若干個(組)切削具。因此,研究組合切削具在巖石中產(chǎn)生的預(yù)破碎區(qū)對鉆進效果的影響,更具有重要理論意義和實用價值。

可以預(yù)計,當多個切削具同時參與破碎巖石時,它們之間的相互作用將明顯降低巖石的強度及巖石破碎的能耗。

2 預(yù)破碎區(qū)深度及其對巖石強度、破巖功耗的影響

筆者曾在實驗室用一組切削具同時作用于巖塊進行鉆進試驗,當切削具之間的間距Ty達最優(yōu)值時,由于多個切削具產(chǎn)生的預(yù)破碎區(qū)裂紋相互貫通,使兩個相鄰切削具之間的巖脊不用消耗附加能量就能破碎(圖1)。因此,在多個切削具相互作用下巖石破碎的能耗明顯下降。

圖1 兩個切削具共同作用下巖脊中生成貫通式裂紋的示意圖

為了研究預(yù)破碎區(qū)深度與切入深度的關(guān)系,曾安排在光學玻璃和砂巖上的切削破碎試驗。其中,用光學玻璃來模擬花崗巖或石英巖類的彈脆性巖石,它的預(yù)破碎區(qū)用肉眼就可以直接觀察到;而砂巖中的預(yù)破碎區(qū)則用烏克蘭超硬材料研究所研制的裂紋熒光分析法作為觀察手段。

砂巖和光學玻璃中預(yù)破碎區(qū)深度hy與切削具切入深度hp之間的關(guān)系如圖2所示。可見,砂巖預(yù)破碎區(qū)深度hy是切入深度hp的2～3倍;而光學玻璃的增長幅度更大,達5～8倍,這與其具有明顯的彈脆性有關(guān)。圖3顯示,在各向同性的光學玻璃中,切入深度hp達2 mm時預(yù)破碎區(qū)深度hy已近14 mm。

圖2 預(yù)破碎區(qū)深度hy與切入深度hp的關(guān)系

圖3 玻璃試樣切口深2 mm時出現(xiàn)的預(yù)破碎區(qū)達14 mm深

為了研究預(yù)破碎區(qū)對巖石強度及破巖功耗的影響,采用7B36臥式刨床改裝的試驗臺來模擬切削破碎過程,采用前蘇聯(lián)УМПГ-3自動記錄式標準試驗臺(圖4)來測量每次切削破碎后巖石的強度及破巖功耗。試驗技術(shù)參數(shù)如下:

圖4 УМПГ-3自動記錄式標準試驗臺外形

牛頭刨行程300～700 mm,切削速度0.23 m/s (15次行程/min),牛頭二次行程中工作臺橫向給進量3.2 mm,巖樣的最大尺寸830 mm×450 mm×700 mm。

試驗中把5 mm×5 mm×15 mm的方柱狀BK6B(相當于中國的YG6x)硬質(zhì)合金固定在試驗臺刀架上,與切削面呈15°角。切削對象為150 mm ×100 mm×50 mm的砂巖塊。

開始試驗前,先用金剛石工具磨平巖塊表面,然后,在УМПГ-3試驗臺上用硬質(zhì)合金平頭壓模做10個點的壓入試驗,測出相應(yīng)的彈性極限σy(MPa)、彈性變形εy(mm)及其最大值εm(mm),彈性變形功AE和巖石破碎總功AF。分析壓頭壓入巖石的曲線,可確定巖石的彈性極限σy(MPa)及其接觸強度Pk(MPa)。用AF/AE之比求出其塑性系數(shù)。把這些參數(shù)作為原始數(shù)據(jù)。然后,在半封閉的條件下進行巖石切削試驗,共切10～11層巖石,切削深度分別為1 mm和2 mm。切掉每層巖石后,都在УМПГ-3試驗臺上取10個點測定上述參數(shù)。試驗數(shù)據(jù)列于表1、2,試驗結(jié)果示于圖5。

表1 不同切削深度下破碎砂巖時測得的巖石物理-力學參數(shù)

由表1、表2和圖5可以看出,在多次切削砂巖的過程中,由于前一個切削具產(chǎn)生的預(yù)破碎區(qū)裂紋相互貫通,使巖石強度和破碎能耗明顯下降。因此,設(shè)計鉆頭時必須根據(jù)所鉆巖石的實際情況選擇最優(yōu)的切削具間距,使后一個切削具的切削作用能與前面切削具形成的預(yù)破碎區(qū)產(chǎn)生相互作用,使巖石破碎的能耗最小。

表2 切削砂巖的綜合破碎指標

圖5 不同切削深度(hp)下破碎砂巖時巖石物理-力學參數(shù)與被切巖層厚度的關(guān)系

3 利用預(yù)破碎區(qū)提高鉆進效果的實驗研究

為了檢驗預(yù)破碎區(qū)對實際巖石破碎效果的影響,研制了在人造金剛石孕鑲鉆頭胎體上鑲嵌АКТМ掏槽刃的“76 mm試驗鉆頭。其中,АКТМ是烏克蘭超硬材料研究所研制的含金剛石和碳化硅的新型復(fù)合耐熱巖石破碎材料。АКТМ的物理-力學性能示于表3。試驗鉆頭的結(jié)構(gòu)示于圖6,鉆頭4個扇形胎塊上沿同心圓均布了3個與唇面呈-20°角、直徑4 mm的圓柱形АКТМ切削單元。

表3 АКТМ的物理-力學性能

圖6 含有АКТМ鑲嵌體的試驗鉆頭

鉆進過程中,АКТМ掏槽刃上的金剛石超前切入巖石,在巖石上產(chǎn)生預(yù)破碎區(qū)。當胎體和切削具中的金剛石數(shù)量搭配合理時,掏槽刃預(yù)破碎區(qū)中的巖石僅出現(xiàn)大量裂紋,但并未完全破碎。這時鉆頭唇面下的鉆渣量較少,從而減輕了胎體金剛石用于重復(fù)破碎的負擔。而胎體上的金剛石隨后可以較小的能耗破碎唇面接觸的預(yù)破碎區(qū)巖石,從而明顯提高鉆探效率。

在實驗室條件下,用鑲有АКТМ的試驗鉆頭與金剛石牌號、粒度相似的商品鉆頭進行鉆進Ⅶ～Ⅷ級輝長巖的對比試驗。

根據(jù)試驗結(jié)果,機械鉆速隨軸向載荷變化的關(guān)系如圖7所示?？梢钥闯?試驗鉆頭的機械鉆速在載荷5 kN時比商品鉆頭增大了80%,而載荷10 kN時機械鉆速增長1倍以上。說明在該載荷下, АКТМ鑲嵌體(掏槽刃)產(chǎn)生的預(yù)破碎區(qū)效果最好。

在實驗室實鉆試驗之后,還把上述試驗鉆頭用于野外生產(chǎn)試驗。試驗條件為:孔深600 m,使用ЗИ“-650(相當于中國的XY-4)型鉆機,轉(zhuǎn)速在87～800 r/min范圍內(nèi)可調(diào),所鉆地層為可鉆性Ⅶ～Ⅷ級的砂巖、輝長巖和風化花崗巖互層。

圖7 機械鉆速與軸向載荷的關(guān)系

試驗結(jié)果列于表4。結(jié)果表明,鑲有АКТМ的試驗鉆頭進尺總量是商品鉆頭的1.6倍,而機械鉆速為商品鉆頭的1.9倍。

表4 試驗鉆頭和商品鉆頭的生產(chǎn)試驗對比結(jié)果

4 結(jié)論

(1)組合切削具破碎巖石時產(chǎn)生的預(yù)破碎區(qū)可降低巖石的強度及巖石破碎的能耗。能形成階梯形孔底的鉆頭結(jié)構(gòu)有利于發(fā)揮預(yù)破碎區(qū)的作用,使巖石破碎更容易。

(2)一些學者認為,孕鑲金剛石鉆頭鉆進硬巖的破碎機理主要是磨削。本文的實驗研究表明,金剛石破碎巖石時決定性因素仍是剪切過程,對于Ⅶ～Ⅷ級(甚至部分Ⅸ級)巖石都可能存在著切削和磨削的組合作用過程。尤其是當鉆頭有掏槽單元并可切入巖石時,形成的預(yù)破碎區(qū)將使鉆進效率明顯提高。本文提出的試驗鉆頭在硬巖鉆進中耐磨性提高63%,平均機械鉆速提高86%,就是例證。

(3)經(jīng)驗表明,并非預(yù)破碎區(qū)越大越好。如果參與超前破碎的金剛石太多,孔底預(yù)破碎區(qū)大量裂紋提前貫通,形成大量鉆渣填充在胎體與金剛石出刃之間,使金剛石不能接觸巖石表面,而重復(fù)破碎鉆渣,不僅增大了附加能耗,而且可能導(dǎo)致燒鉆。當胎體和掏槽切削具中的金剛石數(shù)量搭配合理時,巖石預(yù)破碎區(qū)僅出現(xiàn)大量裂紋但并未貫通,從而減輕了重復(fù)破碎的負擔,使機械鉆速最大,鉆頭磨損最小。

[1] 斯彼瓦克А.И.,波波夫А.Н.鉆井巖石破碎學[M].吳光琳,等譯.北京:地質(zhì)出版社,1983.

[2] Богданов Р.К.,Закора А.П.и др.Сверхтвердые материалы в геологоразведочном инструменте[M].Киев, Украина:УГГА,2003.

[3] 鄢泰寧.巖土鉆掘工程學[M],湖北武漢:中國地質(zhì)大學出版社,2001.

[4] Исаев М.И.,Пономарев П.В.Основы прогрессивной технологии алмазного бурения геологоразведочных скважин [M].Москва:Недра,1975.

[5] СвешниковИ.А.,МайстренкоА.Л.идр. Экспериментальныеисследованиявлияниязоны предразрушения на прочность горной пароды при резании [A].Сборник научных трудов[C].Киев,Украина:2009.

(1.教育部巖土鉆掘工程中心,湖北武漢 430074;2.中國地質(zhì)大學〈武漢〉工程學院,湖北武漢 430074;3.烏克蘭國家科學院超硬材料研究所,烏克蘭基輔 04074)

Influence of Pre-break Zone Generated by the Combination of Cutting Tools to Drilling Effect

YAN Tai-ning1,2,DUAN Long-chen1,2,Bogdanof P.K3,CveshikovИ.А3(1.Engineering Research Center of Rock-Soil Drilling&Excava-tion and Protection,Ministry of Education of the People’s Republic of China,Wuhan Hubei 430074,China;2.Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan Hubei 430074,China;3.National Academ yof Sciences of Ukraine, Science and Technology Diamond Concern,Kiev 04074,Ukraine)

Based on the view that the combination of cutting tools can produce pre-break zone in rock,this paper quantita-tively studies the relationship between the depth of pre-break zone and the cut depth of cutting edge.The results show that the pre-break zone can contribute to reduce rock strength and rock fragmentation energy,which is also verified by the field test results.It gets the following two academic views:there are stillpre-break zone,cutting andmicro-cutting rock breaking modeswhen drillingⅦ～Ⅷ-class hard rock with the impregnated diamond bit;the view“the bigger of pre-break zone, the better of drilling effect”is not correct.

pre-break zone;combination of cutting tools;rock fragmentation mechanism;drilling effect

P634.1

A

1672-7428(2010)12-0005-04

2010-07-14

科技部中烏國際科技合作項目(項目編號:2008DFR70510)

鄢泰寧(1945-),男(漢族),江西人,中國地質(zhì)大學(武漢)教授、博士生導(dǎo)師,俄羅斯自然科學院外籍院士,探礦工程專業(yè),長期從事鉆探工程的教學與科研工作,湖北省武漢市魯磨路,tnyan@cug.edu.cn;段隆臣(1967-),男(漢族),江西都昌人,中國地質(zhì)大學(武漢)教授、博士生導(dǎo)師,探礦工程專業(yè),博士,從事巖石破碎與金剛石工具的教學與科研工作,duanlongchen@163.com;Р.К.波格丹諾夫(1940-),男,烏克蘭國家科學院超硬材料研究所研究員,獨聯(lián)體著名超硬材料及鉆頭研制專家,工學博士。