金剛石壓入巖石全過程研究*

葉紀超， 沈立娜， 楊甘生， 孫吉偉

(1. 中國地質(zhì)大學(北京)， 國土資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點實驗室， 北京 100083)(2. 北京探礦工程研究所， 北京 100083)

在地質(zhì)鉆探、石油鉆探以及工程鉆探中，金剛石鉆頭的應用越來越廣泛。在利用金剛石鉆頭鉆進的過程中，金剛石是鉆頭切削的主要部分，因此其參數(shù)的選擇至關(guān)重要。其中，金剛石的品級和粒度影響著鉆頭胎體在鉆進過程中的磨損速率和金剛石的出刃狀態(tài)，進而影響鉆進效率[1>- 2]。另外，金剛石鉆頭的鉆進過程會隨著巖石性質(zhì)、工作狀態(tài)等因素的改變而變化，如在鉆進堅硬致密地層時會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，在鉆進彈塑性泥巖地層時，其鉆進效率極低[3>- 5]等。因此，在優(yōu)化設計金剛石鉆頭時，不僅要選擇金剛石參數(shù)，更要了解金剛石在壓入巖石過程中二者之間的相互作用關(guān)系，為金剛石鉆頭用金剛石的選擇提供依據(jù)[6]。

1 試驗方法

為了研究金剛石與巖石相互作用的過程和現(xiàn)象，通過金剛石壓入巖石及破碎的全過程試驗，總結(jié)出金剛石壓入巖石的破碎規(guī)律。

1.1 試驗設備與材料

(1)用微機控制的WDW>- 100電子萬能試驗機進行壓入試驗以及壓力、變形量等數(shù)值的采集；(2)Stemi DV4體視顯微鏡觀察篩選的金剛石以及壓入后巖石、金剛石的破碎狀態(tài)，試驗壓頭是一個中間鑲有金剛石復合片的圓柱形壓頭；(3)選用粒度號分別為18/20、20/25、35/40的 3種金剛石，金剛石晶型完整、無雜質(zhì)；(4)選用4種不同硬度的巖石，分別為泥巖、粉砂巖、石英巖、流紋巖。4種巖石的硬度見表1。

表 1 4種巖石的硬度

1.2 試驗步驟

由于3種金剛石顆粒細小，用肉眼觀察難以判斷其質(zhì)量好壞。如果金剛石顆粒破損或晶型較差，在壓入試驗初期就出現(xiàn)金剛石破碎現(xiàn)象，達不到試驗的目的。因此，首先利用體視顯微鏡放大32倍觀察金剛石，從中選取如圖1所示的相對完整無破損的金剛石進行試驗。

圖 1 體視顯微鏡選取的相對完整的金剛石

其次，將單顆金剛石置于復合片壓頭與被壓巖石之間，用萬能試驗機以0.5 mm/min的加載速度將其壓入巖石，金剛石壓入巖石全過程如圖2所示。

隨后，利用試驗機采集試驗力和變形數(shù)據(jù)繪制出試驗力>-變形曲線，并進行分析；最后將金剛石完全壓入的巖樣放置在體視顯微鏡下觀察其壓入破碎情況。

(a)初始階段 (b)壓入階段 (c)完全壓入階段

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 金剛石壓入泥巖

圖3為3種金剛石壓入泥巖的試驗力>-變形曲線。表2為每種金剛石重復3次壓入泥巖，泥巖發(fā)生第一次破碎時的變形和試驗力的平均值。

圖 3 3種金剛石壓入泥巖試驗力>-變形曲線

表 2 金剛石壓入泥巖的變形值及破碎力值

由圖3和表2可以看出：3條曲線在變形為0～0.3 mm的范圍內(nèi)都存在約0.16 kN的恒定試驗力，這是設備自平衡調(diào)節(jié)造成的，與金剛石壓入巖石無關(guān)；隨著變形增大，金剛石繼續(xù)壓入巖石，曲線至少存在2次和3次波峰，可以推斷金剛石在壓入過程中存在2次以上的破碎過程；且第2次壓入破碎過程曲線的上升斜率要低于第1次破碎過程曲線的上升斜率，第2次破碎的變形量大于第1次破碎的變形量，波峰后試驗力值隨著變形量的增大呈緩慢或快速衰減狀態(tài)?？梢酝茰y，在破碎穴形成過程中，金剛石始終與已經(jīng)發(fā)生破碎的巖石表面相互接觸，反映的是塑性巖石破碎的狀態(tài)和過程[7>- 8]。而且隨著金剛石粒徑的減小，發(fā)生第1次破碎時的力值也隨之變小。

2.2 金剛石壓入粉砂巖

圖4為3種金剛石壓入粉砂巖的試驗力>-變形曲線。表3為每種金剛石重復進行3次壓入粉砂巖所得首次破碎的試驗力與變形的平均值。

圖4 3種金剛石壓入粉砂巖試驗力>-變形曲線

表 3 金剛石壓入粉砂巖變形值及破碎力值

由圖4和表3可以看出：金剛石壓入粉砂巖的過程與泥巖相似，與泥巖不同之處是其第一次破碎時的試驗力相對略大，并且在壓入過程中能聽到巖石破碎的聲音。

2.3 金剛石壓入石英巖

圖5為3種金剛石壓入石英巖的試驗力>-變形曲線。表4為每種金剛石重復進行3次壓入石英巖所得首次破碎的試驗力與變形的平均值。

圖5 3種金剛石壓入石英巖試驗力>-變形曲線

用3種金剛石進行石英巖壓入試驗，我們可以聽到明顯的脆裂聲；且在壓入過程中，個別金剛石顆粒還未壓入巖石就出現(xiàn)了破碎，以18/20的金剛石為甚。由圖5可以看出：金剛石壓入石英巖過程曲線與泥巖、粉砂巖相似，也存在2次以上波峰，推測其具有2次以上破碎過程。但波峰后曲線下降陡直，說明破碎后變形量很小，因此推斷石英巖的破碎過程為脆性巖石破碎[7>-9]。比較表2、表3、表4數(shù)據(jù)：金剛石壓入石英巖所需要的力值比前2種更大，這與巖石本身壓入強度較高有關(guān)。

表4 金剛石壓入石英巖變形值及破碎力值

2.4 金剛石壓入流紋巖

圖6為3種金剛石壓入流紋巖的試驗力>-變形曲線。表5為每種金剛石重復進行3次壓入流紋巖所得首次破碎的試驗力與變形的平均值。

圖6 3種金剛石壓入流紋巖試驗力>-變形曲線

表5 金剛石壓入流紋巖變形值及破碎力值

用3種金剛石壓入流紋巖，同樣能聽到明顯的脆裂聲；且在壓入過程中，多次出現(xiàn)金剛石還未壓入就已經(jīng)破碎的現(xiàn)象，尤其以18/20金剛石為甚。由圖6可以看出：壓入流紋巖的過程曲線與壓入石英巖的大致相同，至少存在2次以上破碎過程，首次破碎力較石英巖高，但隨著破碎力的增加流紋巖的破碎變形量增加更少，壓力從波峰下降時更加陡直，反映了該巖石的破碎過程仍為脆性巖石破碎。

2.5 結(jié)果分析

圖7為巖石種類與首次破碎力值及金剛石粒度號關(guān)系圖。

圖7 3種金剛石壓入不同巖石的首次破碎力值變化

由圖7可以看出：金剛石對巖石的首次破碎力隨著巖石硬度的增加逐漸增大，且隨著金剛石顆粒尺寸的增大而增大。當金剛石粒度號為35/40，金剛石顆粒尺寸較小時，對4種巖石的首次破碎力相差較小。因此，鉆進流紋巖等硬巖，宜選用金剛石顆粒尺寸較小的金剛石鉆頭。

圖8給出了3種金剛石壓入泥巖的顯微鏡照片。由圖8可以觀察到：粒徑越大的金剛石在完全壓入泥巖后的破碎范圍越大，如圖8a的破碎面積約是圖8c的3倍；且圖7中對于泥巖等較軟巖石，粒度18/20的金剛石壓入泥巖的首次破碎力僅為35/40金剛石的約1.5倍。因此，綜合較軟巖石破碎時所需的破碎力和發(fā)生破碎時的破碎面積，為了提高鉆進此類巖石的效率，宜選用較大金剛石顆粒尺寸的金剛石鉆頭。

(a) 18/20金剛石(b) 20/25金剛石(c) 35/40金剛石圖 8 32倍顯微鏡下3種金剛石壓入泥巖的情況

3 結(jié)論

(1)金剛石在壓入巖石的過程中存在至少2次的巖石破碎過程，根據(jù)試驗力>-變形曲線，可初步推斷金剛石壓入巖石存在著塑性和脆性2種破壞形式，間接反映出巖石的塑脆性。

(2)金剛石壓入巖石過程中，第2次連續(xù)壓入時，破碎過程曲線的上升階段斜率一般小于第1次破碎曲線的，反映出金剛石在壓入巖石過程中第二次破碎比第一次困難。

(3)金剛石在壓入較硬巖石時，宜選擇小粒徑的金剛石；在壓入較軟巖石時，宜選用大粒徑的金剛石。