地質(zhì)勘探用金剛石鉆頭減振能力的分析研究

湯鳳林 ， 沈中華， 段隆臣， 彭 莉， Чихоткин В.Ф.

(1.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢 430074； 2.無錫鉆探工具廠有限公司，江蘇 無錫 214174)

0 引言

地質(zhì)勘探鉆進中，由于許多地質(zhì)方面和技術(shù)方面的原因，通過鉆桿柱傳到鉆頭上的軸載不是常數(shù)。因此，在鉆進中，鉆頭胎體乃至整個鉆具都經(jīng)受縱向(軸向)振動的作用，在一定程度上也受橫向(剪切)振動的作用，特別是在鉆進堅硬裂隙巖石時更是如此，對鉆進工作負面影響很大。軸載偏離設(shè)計數(shù)值可能很大，到達孔底的鉆壓遠不是鉆機給進系統(tǒng)所給的鉆壓。在這種情況下，在鉆頭胎體中，會產(chǎn)生動態(tài)載荷，導(dǎo)致橫斷面上的各點產(chǎn)生位移?！疤ンw唇面- 孔底”接觸付中的摩擦過程，也對動態(tài)應(yīng)力和位移的分布性質(zhì)產(chǎn)生很大影響[1-7]。

鉆進中，在金剛石鉆頭破碎巖石過程中產(chǎn)生的振動過程，決定著鉆頭胎體的應(yīng)力變形狀態(tài)。鉆頭的振動可能是由于孔底扭矩和軸載數(shù)值的變化引起的。而且，扭矩的變化更為重要，因為在這種情況下鉆頭結(jié)構(gòu)的3個組成部分：胎體唇面及其兩個側(cè)面(內(nèi)、外表面)上都會產(chǎn)生剪切應(yīng)力作用。

全俄勘探技術(shù)研究所的研究表明[8]：金剛石顆粒和孔底相互作用時產(chǎn)生的振動頻率為0.7～30 kHz，其中聲譜中的高頻范圍(5～20 kHz)主要是由于金剛石和孔底相互作用情況下產(chǎn)生的；軸載及其產(chǎn)生的軸向振動是產(chǎn)生振動過程的主要振源和主要原因。

鉆頭胎體中產(chǎn)生的振動過程，以及把胎體和孔底接觸部位的摩擦考慮在內(nèi)的動態(tài)應(yīng)力分布情況，是個非常復(fù)雜的相互制約的過程，用直接試驗研究方法研究這個過程，是非常困難的。所以，這種機械系統(tǒng)中的振動過程，只能用考慮材料的非彈性性質(zhì)以及在這些材料中周期性振動產(chǎn)生的機械能散失的情況(減振能力)來進行描述。

在鉆進過程中，對于鉆具的各個組成部分來說，振動都是經(jīng)常發(fā)生的。可以采取有利于降低振幅的措施和方法，來減小振動的強度。在鉆具組成結(jié)構(gòu)中使用減振性能好的材料是減小振動帶來的負面影響的方法之一。實際上，在鉆孔中回轉(zhuǎn)的鉆具是個吸收振動的系統(tǒng)，可以將其看成是彈性柔韌“細面條”狀系統(tǒng)(從鉆機回轉(zhuǎn)器到孔底支點)，下部是金剛石鉆頭“金剛石- 胎體”的系統(tǒng)。在上部系統(tǒng)中，主要是要解決組合桿件在扭矩、軸載作用下的結(jié)構(gòu)問題，同時要考慮鎖接頭中的離心力、鉆桿柱和孔壁的摩擦力、共振和隨機沖擊作用問題。在金剛石鉆頭“金剛石- 胎體”的系統(tǒng)中，主要是要使用具有能承受高的接觸應(yīng)力并且減振性能好的復(fù)合材料來保護金剛石的強度、碎巖能力和鉆進效果。

俄羅斯鉆探科研人員在提高金剛石鉆頭減振能力方面進行了不少的研究，取得了一定的成果[7-19]。

1 不穩(wěn)定軸載作用下鉆頭胎體的振動過程

我們可以把鉆頭胎體看成是一個高度為h、外徑為2R和內(nèi)徑為2r的圓柱形物體(見圖1)。胎體上端，z=0，與鉆頭剛體成剛性連接。當鉆頭下到孔底，施加軸載時，胎體經(jīng)受軸向沖擊，在唇面和其它斷面上產(chǎn)生動載，產(chǎn)生正應(yīng)力σz、剪切應(yīng)力τz和和位移uz。

θ—胎體唇面單元面積的角度坐標；ρ—胎體單元的半徑；uz—位移；σz—正應(yīng)力；τz—剪切應(yīng)力

圖1交變軸載作用下計算金剛石鉆頭胎體受載和變形示意圖

在不穩(wěn)定的軸載作用下，同時考慮胎體與孔底的摩擦力，利用向量能等能量方法，鉆頭胎體中的振動過程以及動態(tài)應(yīng)力和位移的分布，可以如下計算[7]：

(1)

對于因軸載不穩(wěn)定性而引起的零點(z=0)狀態(tài)振動來說，金剛石鉆頭胎體唇面上各點的位移和應(yīng)力，應(yīng)是彈性振動部分和彈性不可逆振動部分(磨損部分)的和，故：

(2)

式中：ρcp——胎體平均半徑，ρcp=(R+r)/2；uz0——軸向位移；τρz0——徑向剪切應(yīng)力；G——剪切模量；σz0——胎體唇面上的正應(yīng)力；σρ0——徑向正應(yīng)力；σθ0——圓周正應(yīng)力；U0*——接觸摩擦作用產(chǎn)生的位移(不可逆位移)；Fzz0、Fρρ0、Fθ0、Fz0、Fρ0——彈性應(yīng)力和位移函數(shù)圖像用的參數(shù)。

用直徑59 mm孕鑲鉆頭，h=12.5 mm、r=21 mm、R=29.5 mm，胎體材料常數(shù)：標準彈性模量E=100 GPa、剪切模量G=40 GPa、泊桑系數(shù)μ=0.3、相速度C0=4.82 km/s、縱波速度Cl=4.38 km/s、橫波速度Ct=2.53 km/s，胎體和孔底的摩擦系數(shù)f=0.39，用標準單位載荷施載，計算得到的位移和應(yīng)力圖見圖2和圖3，圖中胎體半徑變化范圍為ρ/r(r≤ρ≤R)。

圖2 鉆頭胎體唇面彈性位移圖(a)和彈性應(yīng)力圖(b)

圖3 鉆頭胎體磨損表面不可逆位移圖(a)和破環(huán)性應(yīng)力圖(b)

所以，為了增加鉆頭的耐磨性，需要在鉆頭胎體外徑附近部位增加底刃金剛石的濃度并提高胎體的剛度。為了降低胎體中的振動強度，可以把胎體材料的聲波剛度提高到鉆頭剛體材料的聲波剛度，以便在胎體端面上形成的行波能夠順利地進入鉆頭剛體和巖心管內(nèi)。此外，胎體和剛體連接部分的結(jié)構(gòu)，也應(yīng)該能夠最大限度地為鉆頭胎體上部的彈性波散射創(chuàng)造有利條件。

2 鉆頭胎體受迫振動條件下的減振能力

俄羅斯圖拉地質(zhì)勘探科學(xué)研究所利用非彈性性能介質(zhì)中的振動模型，就胎體減振能力對周期性外載作用下產(chǎn)生的振動參數(shù)的影響進行了分析和研究[7]，提出了鉆頭在周期性軸載作用下產(chǎn)生的受迫振動的微分方程為：

(3)

式中：u——振幅為λ的周期性位移；Φ(u)——胎體材料中機械振動能量散失并由應(yīng)力和應(yīng)變間呈非線性關(guān)系決定的函數(shù)；ξ——小參數(shù)；ξqcos(ωBt)——帶有與(3)式離散項同階振幅ξq和圓頻率ωB的擾動外載。

求解(3)式，可以畫出鉆頭胎體減振能力與變形幅度在任何關(guān)系ψ=ψ(εa)時的材料的共振關(guān)系式λ=f(ωB/ω)的曲線圖。

(4)

為了計算，取鉆頭胎體應(yīng)力梯度ξq=10-5mm-1,則把(4)式內(nèi)有關(guān)參數(shù)數(shù)值代入后，得下列簡式：

(5)

根據(jù)(5)式，可以畫出不同共振能力ψ時共振函數(shù)曲線λ=f(ωB/ω)的關(guān)系圖(見圖4)。

圖4 不同減振能力介質(zhì)中振幅與頻率的共振關(guān)系圖

從圖4可見，不同減振能力介質(zhì)在不同頻率范圍內(nèi)都可能出現(xiàn)有共振情況，這是非常危險的，因為如果出現(xiàn)共振情況，會對鉆頭、鉆具乃至整個鉆進過程產(chǎn)生破壞性影響，對此應(yīng)該力求避免。

3 減振材料試驗研究

鉆頭胎體中使用減振能力強的復(fù)合材料是目前金剛石鉆頭減振的很有前景的一種方法。

為了進行試驗，圖拉科研所[7]選擇了制造金剛石鉆頭剛體和胎體時使用的3種材料，即20號鋼材CT- 20、復(fù)合合金材料Д30- МП(共熔體Fe- Cu，添加劑Cu)和基于碳化鎢的多種成分合金粉料ВК6M(大顆粒WC、粘結(jié)金屬90%Cu- 10Ni、硬合金YG6和小顆粒WC)。

鉆頭結(jié)構(gòu)材料的減振能力，是用Д- 7設(shè)備在純彎曲條件下對平面樣品進行橫向振動時測定的。測定結(jié)果表明，不同粒度情況下，ВК6M材料的減振能力幅度大小與應(yīng)力的關(guān)系曲線見圖5；不同材料情況下，不同粒度材料減振能力幅度大小與應(yīng)力的關(guān)系曲線見圖6。

圖5 不同粒度ВК6M材料減振能力ψ與應(yīng)力σ的關(guān)系曲線

圖6 不同材料減振能力ψ與應(yīng)力σ的關(guān)系曲線

從圖5可見，ВК6M中，粒度為0.4 mm時減振能力最好。從圖6可見，ВК6M材料減振能力較好，粒度為0.4 mm的ВК6M減振能力更大，效果更好。

青島市屬于寒冷地區(qū)，冬季供暖室外計算溫度為-5.0 ℃[14]，供暖時間11月15日至次年4月5日，共計142 d.以青島市一個典型小區(qū)建筑為例，采用DeST模擬軟件進行建筑動態(tài)能耗模擬.小區(qū)建筑面積約10 萬m2，室內(nèi)溫度設(shè)定為18 ℃，建筑圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)信息見表1.采暖季建筑逐時負荷模擬結(jié)果如圖3所示.

提高ВК6M基金剛石鉆頭胎體材料的主要途徑是，優(yōu)化粘結(jié)金屬材料的組成以及調(diào)節(jié)WC材料顆粒的形狀和大小。

俄羅斯圖拉地質(zhì)勘探科學(xué)研究所為了進行試驗，制造了5個直徑46 mm的金剛石鉆頭。鉆頭胎體由WC硬合金粉料、耐磨大顆粒萊立特(Рэлит)硬合金粉料、浸漬金屬銅鎳合金粉料和天然金剛石組成(見圖7)。20號鋼、Д30-МП、粒度為0.4 mm的ВК6M具有不同的聲波剛度。20號鋼和Д30-МП顆粒的線性尺寸比為1.15～1.25、顆粒的面積比為(40∶1)～(48∶1)。這批鉆頭在烏拉爾地區(qū)ГП- УС- 30地質(zhì)勘探隊鉆探時進行了生產(chǎn)試驗，其結(jié)果是鉆頭平均壽命比傳統(tǒng)生產(chǎn)的О2И3鉆頭提高了50%，而金剛石單位消耗量降低了80%～90%。這是俄羅斯的一項專利技術(shù)，專利號為2112131。

圖7 試驗鉆頭胎體的組成

取得這樣的結(jié)果是因為在鉆進過程中，在鉆頭上有破碎巖石時產(chǎn)生且數(shù)值變化并有一定能量的應(yīng)力彈性波通過。沖擊波能量的作用，導(dǎo)致鉆頭磨損加劇和金剛石剝落。沖擊波通過胎體時，從有不同尺寸比和不同表面面積比的硬合金粉料和大顆粒萊立特(Рэлит)硬合金粉料顆粒的表面上，產(chǎn)生沖擊波的反射和散射。同時，沖擊波通過具有不同聲波剛性的WC粉料、大顆粒萊立特硬合金和銅鎳合金的顆粒時，即通過胎體WC粉料的沖擊波的傳播速度與通過大顆粒萊立特硬合金和銅鎳合金顆粒的傳播速度是不同的，破壞了彈性波傳播波前的同時性，避免了出現(xiàn)共振的條件，并且減小了金剛石包鑲表面上的應(yīng)力。

4 討論和建議

(1)鉆進過程中，鉆頭在軸載和扭矩作用下產(chǎn)生的振動是經(jīng)常發(fā)生的，是不可避免的，是人們不能改變的。振動會對鉆頭和鉆進過程產(chǎn)生負面影響。如果發(fā)生共振，則會產(chǎn)生破壞性影響，因此應(yīng)該力求避免。

(2)鉆頭胎體中使用減振材料是目前減小鉆頭振動的有效方法之一。俄羅斯研究結(jié)果表明，線性尺寸0.4 mm的復(fù)合材料ВК6M的減振效果較好，并指出提高ВК6M基金剛石鉆頭胎體材料的主要途徑是優(yōu)化粘結(jié)金屬材料的組成以及調(diào)節(jié)WC顆粒的形狀和大小。

(3)俄羅斯圖拉地質(zhì)勘探科研所利用顆粒線性尺寸比為1.15～1.25、顆粒面積比為40∶1～48∶1的兩種骨架金屬材料：WC粉料和耐磨材料萊立特等制成的鉆頭進行的生產(chǎn)試驗表明，鉆頭壽命提高了50%，金剛石單位消耗量降低了80%～90%，說明這種鉆頭的減振效果是明顯的。原因在于，從上述胎體材料顆粒表面反射或散射回來的彈性波的波前不是同時到達的，避免了共振的產(chǎn)生，減小了振動的強度，保護了金剛石、減少了金剛石的損傷，所以鉆頭進尺增加了，金剛石單位消耗量減小了。

(4)為了達到鉆頭減振的目的，利用不同大小顆粒、不同耐磨性材料的胎體材料制作的金剛石鉆頭，使其從顆粒表面反射回來的彈性波的波前不能同時到達，不會產(chǎn)生共振，減小了振動的強度，保護了金剛石破碎巖石的能力，提高了鉆進效果，這個思路是可取的。但是試驗用的材料種類偏少，胎體材料的顆粒粒度比和面積比范圍不夠?qū)?，因此成果的?yīng)用有一定的局限性，需要進一步進行研究和試驗才能建議推廣。

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