機械鉆速與金剛石底出刃、鉆進規(guī)程參數(shù)關系的試驗研究

湯鳳林， Чихоткин В.Ф.， 段隆臣， 潘秉鎖， 譚松成

(中國地質大學〈武漢〉工程學院，湖北 武漢 430074)

1 概述

金剛石鉆進中，破碎孔底巖石是用鑲在鉆頭刃部的金剛石完成的，金剛石鉆頭刃部示意見圖1[1-6]。

正確設計金剛石在胎體端面上的出露量(底出刃)，可以保證鉆頭的鉆速高、壽命長，對表鑲鉆頭尤為重要。設計的出刃值，應能保證巖粉在正常泵壓條件下從鉆頭端面順利通過，金剛石出刃在鉆進過程中不易被折斷，金剛石在胎體中包鑲牢固。其出露數(shù)值取決于金剛石粒度的大小和所鉆巖石的物理力學性質。一般在中硬-硬巖層中的出露量，從胎體端面算起，以不超過金剛石直徑的1/3為宜。正常鉆進時，金剛石切入巖石的深度一般為底出刃的1/3左右。

孕鑲鉆頭底出刃的大小，是由胎體的抗沖蝕性和耐磨性決定的，要保證在鉆進過程中胎體不斷被磨蝕，金剛石不斷露出，才能有效鉆進。如果金剛石磨損速率和胎體磨蝕速率相同，則金剛石露不出來，出刃為零，不能破碎巖石。只有在鉆進過程中，胎體磨損速率適當超前金剛石磨損速率時，金剛石才有正常出刃，即我們常說的“自磨出刃”，才能達到基本恒速鉆進的目的[4]。

1-底刃金剛石；2-規(guī)徑金剛石；3-側刃金剛石；4-胎體；5-鉆頭體；6-金剛石；7-工作部分胎體；8-非工作部分胎體；9-鉆頭體；h-孕鑲層高度

圖1金剛石鉆頭刃部示意

Fig.1Diamond bit crown

可見，鉆頭金剛石的底出刃是非常重要的，只有金剛石處于銳化狀態(tài)才能得到好的技術經濟指標。金剛石鉆頭雖有內、外刃保徑問題，但是就鉆頭進尺和鉆進深度來說，主要是靠鉆頭底出刃完成的，所以我們主要討論金剛石的底出刃問題。

2 金剛石磨損與鉆頭底出刃量大小的關系

金剛石鉆頭是由鉆進過程中產生的巖屑和孔底巖石顆粒磨損的。磨損程度與胎體對巖屑的壓力大小有關。顯然，在其它條件相同情況下，金剛石和胎體的磨損程度，是由位于胎體和孔底之間巖屑的數(shù)量和壓實程度決定的?？椎着懦鰩r屑效果與金剛石底出刃大小有直接關系。

根據(jù)金剛石底出刃的大小不同，鉆頭磨損可能有4種情況：(1)巖屑顆粒磨損；(2)巖屑密集層磨損；(3)巖屑和被破碎巖石顆粒形成的壓實層磨損；(4)預破碎巖石磨損[7-8]。

第一種情況下，鉆頭工作的特點是金剛石底出刃盡量大(占金剛石顆粒大小的30%左右)。在此情況下，胎體和孔底表面的間距最大，孔底及時排屑，不會發(fā)生巖屑密集。鉆頭工作正常，含有巖屑顆粒沖洗液流經過胎體和孔底的間隙順利通過。由于巖石破碎，金剛石經受機械磨損，胎體經受沖洗液水力研磨流的磨損。這種情況下鉆進過程的特點是金剛石和胎體磨損都很小。

第二種情況下，鉆頭工作的特點是金剛石底出刃小一些(占金剛石顆粒大小的15%～20%)。在這種情況下，有巖屑密集，形成研磨性夾層。巖屑對金剛石和胎體的研磨作用程度增加，也與巖屑顆粒密集程度有關。

第三種情況下，鉆頭工作的特點是金剛石底出刃占金剛石顆粒大小的8%～15%。在這種情況下，充滿體積減小，巖屑顆粒被壓實到無孔隙的狀態(tài)。若冷卻不足，則金剛石除了經受機械磨損外，還經受物理化學磨損和熱力磨損。胎體承受著由被壓實巖屑夾層產生的摩擦力的強烈作用。鉆頭耐磨性大為降低。

第四種情況下，鉆頭工作的特點是金剛石底出刃和胎體齊平，或者是出刃占金剛石顆粒大小的0%～8%。胎體和孔底的間距很小，幾乎等于零，即胎體與孔底巖石的不均勻平面直接接觸。在這種情況下，金剛石經受機械磨損、物理機械磨損和化學機械磨損。胎體也承受很大的機械磨損和熱力磨損。所以，在這種情況下鉆進時，鉆頭的耐磨性是最低的。

全俄勘探技術研究所進行的研究表明[8]，金剛石鉆頭鉆進硬巖時，巖石破碎主要方式是以壓碎和擠壓方式進行的。在此兩種情況下，孔底鉆得溝槽的體積一般會超過單個金剛石切入部分的體積。金剛石切入巖層的厚度，一般小于單個金剛石切入溝槽的深度，這是由于排出孔底巖屑情況決定的。金剛石正常鉆進條件下，破碎巖屑的數(shù)量，應與孔底排出巖屑的數(shù)量相應，否則，巖屑將會充滿孔底部分，形成“巖屑墊”，阻礙巖石破碎。所以，在設計鉆頭和選擇鉆進規(guī)程參數(shù)時，應該保證破碎巖屑體積與孔底表面、鉆頭胎體間的體積，即充滿孔底的體積相等。

3 機械鉆速與金剛石底出刃、鉆進規(guī)程參數(shù)的關系[9-23]

3.1 機械鉆速(鉆頭每轉進尺)的計算

鉆探工程的技術經濟指標，一般指的是機械鉆速、鉆頭壽命和每米鉆探成本等。

機械鉆速非常重要，往往首先考慮這個指標。機械鉆速可以用鉆進每小時進尺(m/h)表示，也可以用鉆頭每轉進尺h轉(mm/r)表示。

計算鉆頭每轉一圈破碎巖屑的體積時，要考慮巖石碎脹情況及其從充滿區(qū)排出的情況，可以如下計算[7-8]：

VР=KРKВh轉SЗ

(1)

式中：VР——破碎巖屑體積；KР——巖屑碎脹系數(shù)；K?！扑閹r屑排出系數(shù)；h轉——鉆頭每轉進尺；SЗ——孔底面積。

充滿體積是孔底、鉆頭胎體間的體積和胎體中金剛石顆粒所占體積的差。因為一般金剛石切入巖石部分的數(shù)值不超過金剛石出刃的6%，西方國家不超過1.5%～3%,所以計算時此值可以忽略不計。故充滿體積Vз可以如下計算：

Vз=Vп-Vа

(2)

式中：Vп——孔底部分體積；Vа——金剛石顆粒出刃部分的體積。

Vп如下計算：

Vп=hSЗ

(3)

式中：h——金剛石底出刃。

出刃金剛石的體積與其在胎體中的濃度有關。金剛石濃度為100%時，占其體積的25%。所以，金剛石顆粒在孔底部分中所占體積Vа為：

Vа=Kah-SЗ

(4)

式中：Ka——金剛石在胎體中的濃度系數(shù)。

所以充滿體積為：

VЗ=(1-Ka)h-SЗ

(5)

令破碎巖屑體積和充滿體積相等，即VР=VЗ則經計算得：

h轉=ah

(6)

式中：a——孔底排出巖屑程度的系數(shù)，a=(1-Ka)/(Kp-KB)。

從(6)式可見，在其它條件相同情況下，鉆頭每轉進尺與金剛石在胎體上的底出刃和孔底巖屑排出程度有關。

3.2 機械鉆速與回次進度的關系

為了討論方便，我們把經過銳化處理、能夠進行正常鉆進的金剛石底出刃稱之為正常出刃，把未經過銳化處理、不能進行正常鉆進的金剛石底出刃統(tǒng)稱之為異常出刃，即非正常出刃。下面著重討論正常出刃金剛石和非正常出刃金剛石鉆頭的鉆進效果與規(guī)程參數(shù)的關系。

圖2是回轉速度ω=0.93 m/s,單位軸載P0=108.4 dN和不同單位沖洗液量Q0〔L/(min· cm2)〕用02И4Д200К40鉆頭鉆進時，機械鉆速與回次進度的關系曲線。

從圖2(a)可見，使用非正常出刃的鉆頭時，最大機械鉆速的數(shù)值在整個回次中，都是在最小的沖洗液量時取得的。這可能是由于沖洗液量最小時，胎體磨損量大、金剛石露出好(曲線1和2)，而沖洗液量增加時，胎體磨損不夠、金剛石露出不好(曲線3和4)引起的。

圖2 02И4Д200К40鉆頭鉆進時機械鉆速與 回次進度的關系曲線

使用正常出刃的鉆頭時，回次期間機械鉆速變化的情況與此不同。例如，從圖2(b)可見，機械鉆速最大值是在沖洗液量大的情況下取得的(曲線1和2)，這可以用金剛石露出足夠大時，孔底巖屑排出情況良好來解釋。正如從圖中曲線1和5可見，為了增加回次進尺和保持機械鉆速，必需把沖洗液量從Q0=2.53 L/(min·cm2)降到Q0=0.64 L/(min·cm2)。

圖3是回轉速度ω=0.93 m/h,單位軸載P0=108.4 dN和不同單位沖洗液量Q0〔L/(min· cm2)〕用02И4Д200К40Г鉆頭鉆進時，機械鉆速與回次進尺長度的關系曲線。

從圖3可見，用02И4Д200К40Г鉆頭鉆進時，機械鉆速變化的性質與02И4Д200К40鉆頭總體上是一致的，不同點在于用02И4Д200К40Г鉆頭鉆進時，在回次期間，在相同沖洗液量條件下，機械鉆速大為降低。這是因為02И4Д200К40Г鉆頭鉆進時，所鉆巖石的裂隙性和研磨性均較02И4Д200К40鉆頭所鉆巖石的裂隙性和研磨性為高所致。

3.3 機械鉆速與沖洗液量的關系

使用正常出刃的鉆頭：1-Q0=2.53；2-Q0=1.57；3-Q0=1.0；7-Q0=2.53～1.57

使用非正常出刃的鉆頭：4-Q0=1.0；5-Q0=0.64；6-Q0=1.57

圖302И4Д200К40Г鉆頭鉆進時機械鉆速與回次進尺長度的關系曲線

Fig.3Curves of penetration rate vs footage per run whiledrilling with02И4Д200К40Г bit

大量理論研究表明[8]，機械鉆速，即鉆頭每轉進尺與沖洗液量和鉆壓有著重要關系。合理的沖洗液量可以保證得到好的鉆頭每轉進尺(見圖4)。

圖4 鉆頭每轉進尺h轉與沖洗液量Q的關系

從圖4可見，在Ⅰ區(qū)內，沖洗液量的增加，導致孔底巖粉清理的改善，金剛石顆粒上的軸載比例份額增大，金剛石切入量增加，因此鉆頭每轉進尺增加。在Ⅱ區(qū)內，未銳化金剛石鉆進時，產生的巖粉數(shù)量可以適時磨損胎體、金剛石露出，每轉進尺穩(wěn)定并達到最大值。經過銳化處理金剛石在鉆頭鉆進時形成的巖粉，能迅速排出，與胎體接觸較少，主要軸載落到金剛石上，所以每轉進尺提高了。在Ⅲ區(qū)內，未經銳化處理金剛石鉆進時巖粉被迅速排走，不能磨損胎體，金剛石不能及時出露，每轉進尺減小，金剛石剖光，每轉進尺下降，甚至停止。在Ⅳ區(qū)內，經銳化處理金剛石的鉆頭鉆進時，如果繼續(xù)增加沖洗液量，則巖粉被沖走，不能磨損胎體，金剛石不能露出，每轉進尺下降。

本文作者之一俄羅斯CHIKHOTKIN V. F. 教授提出了合理巖屑規(guī)程的思想，即合理巖屑規(guī)程是金剛石正常鉆進的保證，鉆進正常與否主要取決于巖屑能否適時合理及時地排出。

他提出的正常鉆進時合理巖屑規(guī)程條件是：

Q/S∑=(16～31)×102VM

即：

(Q/S∑)/VM=(16～31)×102

式中:Q——沖洗液流量，m3/s；S∑——水路總面積，m2；VM——機械鉆速，m/h 。

這個公式表明，機械鉆速與單位水路面積有直接關系，為了保證正常鉆進，必須把產生的巖屑及時排出去。公式的邊界條件表明，在機械鉆速已經確定的情況下，如果單位水路面積沖洗液量與機械鉆速之比低于16×102時，會導致孔底巖屑過多，對鉆頭胎體產生嚴重磨損；如果單位水路面積沖洗液量與機械鉆速之比大于31×102m/s時，會導致孔底巖屑迅速排走，與鉆頭接觸的巖屑過少，金剛石不能被磨出露，導致金剛石被拋光。一般情況下，只有當單位水路面積沖洗液量與機械鉆速之比在16×102和31×102之間時，才可以使鉆進處于正常狀態(tài)之中，機械鉆速穩(wěn)定，增加回次時間，改善鉆頭工作條件，提高鉆探的技術經濟指標。這個公式取得了俄羅斯發(fā)明專利，在俄羅斯已被實踐證明是可信的，受到了用戶的好評。

3.4 機械鉆速與底出刃正常出刃與否的關系

前已述及，不同出刃金剛石鉆進時，孔底巖屑排出程度起著很大作用，所以首先要確定最大機械鉆速、最大回次進尺和金剛石用量最小情況下的最優(yōu)沖洗液用量。

圖5和圖6是使用正常出刃的和使用非正常出刃的02И4Д200К40鉆頭和02И4Д200К40Г鉆頭時，機械鉆速和沖洗液量的關系曲線[7-8]。

從圖5和圖6可見：(1)機械鉆速與沖洗液量的關系很大；(2)對于鉆進條件來說，沖洗液量都有一個最優(yōu)值，此值隨著回次鉆進長度的增加而減小；(3)不同出刃金剛石鉆頭的機械鉆速隨沖洗液量不同而變化的性質，與理論研究曲線相符(圖4)。

3.5 機械鉆速、鉆頭胎體磨損與沖洗液量的關系

圖7為使用不同出刃的02И4Д200К40鉆頭鉆進時，鉆頭每轉進尺、胎體高度磨損與沖洗液量的關系曲線；圖8為使用不同出刃的02И4Д200К40Г鉆頭鉆進時，鉆頭每轉進尺、胎體高度磨損與沖洗液量的關系曲線。

(a)使用非正常出刃的鉆頭時, 測得機械鉆速的鉆進長度：1-0.2 m；2-1.0 m；3-1.5 m；4-2.0 m (b)使用正常出刃的鉆頭,測得機械鉆速的鉆進長度：1-0.2 m；2-1.0 m；3-1.5 m；4-2.0 m

圖502И4Д200К40鉆頭機械鉆速與沖洗液量的關系曲線

Fig.5Curves of penetration rate vs drilling fluid volume whiledrilling with02И4Д200К40drill bit

使用正常出刃的鉆頭，測得機械鉆速的鉆進長度：1-0.2 m；2-1.0 m；3-1.5 m；4-2.0 m

使用非正常出刃的鉆頭，測得機械鉆速的鉆進長度：5-0.2 m；6-1.0 m；7-1.5 m；8-2.0 m

圖602И4Д200К40Г鉆頭機械鉆速與沖洗液量的關系曲線

Fig.6Curves of penetration rate vs drilling fluid volume whiledrilling with02И4Д200К40Г drill bit

從圖7和圖8可見，利用正常出刃的鉆頭在沖洗液數(shù)量合理情況下，胎體磨損很小，每轉進尺很大。這個試驗資料確認了理論研究的正確性，即使用正常出刃金剛石鉆頭鉆進時磨損可是非常小的結論。

1-正常出刃鉆頭每轉進尺曲線；2-非正常出刃鉆頭每轉進尺曲線；3-正常出刃胎體高度磨損曲線；4-非正常出刃胎體高度磨損曲線

圖7不同出刃的02И4Д200К40鉆頭每轉進尺、胎體高度磨損與沖洗液量的關系曲線

Fig.7Curves of footage bit per revolution and worn matrixheight vs unit drilling fluid volume, while drilling with02И4Д200К40bits with different diamond exposure height

1-正常出刃鉆頭每轉進尺曲線；2-非正常出刃鉆頭每轉進尺曲線；3-非正常出刃胎體高度磨損曲線；4-正常出刃胎體高度磨損曲線

圖8不同出刃的02И4Д200К40Г鉆頭每轉進尺、胎體高度磨損與沖洗液量的關系曲線

Fig.8Curves of footage bit per revolution and worn matrixheight unit drilling fluid volume, while drilling with02И4Д200К40Г bits with different diamond exposure height

3.6 不同出刃金剛石鉆頭鉆進試驗結果[7-8]

在實驗室試驗鉆進中，使用了不同類型的鉆頭，即表鑲鉆頭和孕鑲鉆頭。

綜合試驗鉆進結果，不同類型鉆頭(02И4Д200К40和2И3Д200К4為孕鑲鉆頭，01АЗГ40К40為表鑲鉆頭)鉆進時，鉆頭每轉的進尺值和底出刃是否正常，以及規(guī)程參數(shù)關系的試驗結果資料見表1。

從表1可見，鉆頭每轉進尺隨著軸載的增加而增加，且正常出刃金剛石鉆頭增加的幅度更大。鉆頭每轉進尺隨鉆頭回轉速度的增加而減少，可能是由破碎巖屑體積的增加而使巖屑排出條件惡化所引起的。

鉆頭野外試驗鉆進是在阿爾坦-托普砍(Алтын-Топкан)金屬礦床上進行的。該金屬礦地質剖面包括有可鉆性4～9級沉積巖和可鉆性9～11級侵入噴出巖。沉積巖的研磨性系數(shù)為0.4～1.9，侵入噴出巖的研磨性系數(shù)為1.0～3.1。沉積巖的動強度系數(shù)為3.3～6.6，侵入噴出巖的動強度系數(shù)為6.2～14.3。巖石軟硬互層頻繁，裂隙發(fā)育，巖石平均可鉆性級別為9.4。鉆孔平均深度為1200 m左右。鉆進使用KCCK-76型繩索取心鉆具。使用的鉆機是ЗИФ-1200МР型。使用的沖洗液是低固相泥漿。641鉆孔和637鉆孔是用正常出刃金剛石鉆頭打的，597鉆孔和657鉆孔使用非正常出刃金剛石鉆頭打的。

表1 不同出刃、不同規(guī)程參數(shù)的金剛石鉆頭每轉進尺值

正常出刃和非正常出刃金剛石鉆頭野外試驗結果見表2[7-8]。

表2 正常出刃和非正常出刃金剛石鉆頭野外試驗結果

注：1 ct=0.2 g。

從表2可見，使用正常出刃金剛石鉆頭時，所有技術指標均比使用非正常出刃金剛石鉆頭高，說明使用正常出刃的金剛石鉆頭是非常必要的。使用正常金剛石出刃鉆頭的巖心采取率，也較使用非正常出刃的鉆頭高，這可能是由于機械鉆速比較高，巖心停留在巖心管內的時間短，而使用正常出刃金剛石鉆頭時增加了沖洗液量，大顆粒巖屑數(shù)量減少，巖心卡堵的可能性減小了。

4 討論與建議

根據(jù)上述研究分析，可以進行下述討論，提出下列建議。

(1)俄羅斯鉆探工作者提出了金剛石正常鉆進條件下，破碎巖屑的數(shù)量，應與孔底排出巖屑的數(shù)量相應，否則，巖屑將會充滿孔底部分，形成“巖屑墊”，阻礙巖石破碎。所以，設計鉆頭和選擇鉆進規(guī)程參數(shù)時，應該保證破碎巖屑體積與孔底表面、鉆頭胎體間的體積，即充滿孔底的體積相等。在此基礎上提出了機械鉆速(鉆頭每轉進尺)的計算公式。該公式給出了機械鉆速與金剛石底出刃、巖屑排出程度的關系。建議根據(jù)這種產生巖屑的數(shù)量應與排出巖屑數(shù)量相應的思想來設計金剛石鉆頭和確定鉆進規(guī)程參數(shù)。這種思路有一定的理論意義和實際價值，建議探索和研究。

(2)無論是表鑲鉆頭還是孕鑲鉆頭，其金剛石的底出刃都是非常重要的。正常鉆進時，金剛石切入巖石的深度一般為底出刃的1/3左右，此時的出刃稱之為正常出刃，除此之外的出刃統(tǒng)稱為異常出刃，即非正常出刃。理論研究和生產實踐都已證明，正常出刃金剛石鉆頭遠比非正常出刃鉆頭的技術經濟指標好得多，因此一定要使用正常出刃的金剛石鉆頭。我們現(xiàn)在的情況常常是，不論金剛石出刃如何，拿到鉆探現(xiàn)場就立刻投入使用。這種情況應該改變，建議首先要確認金剛石是否正常，然后再決定是否使用為好。這個道理顯而易見，大家都明白，但是關鍵是要認真去做。

(3)金剛石銳化的方法很多，俄羅斯多用以電化學為基礎的處理儀РЭХЗАК[8]，這種儀器輕便，易于操作，可以在鉆探機臺上隨時進行金剛石出刃銳化處理并對出刃進行測量。

(4)沖洗液量與機械鉆速有直接關系。本文作者之一俄羅斯CHIKHOTKIN V. F.教授根據(jù)多年的研究和實踐經驗，提出了正常鉆進時合理巖屑規(guī)程條件如下表示：

Q/S∑=(16×102～31×102)VM

式中:Q——沖洗液流量，m3/s；S∑——水路總面積，m2；VM——機械鉆速，m/h。

即：(Q/S∑)/VM=(16×102～31×102)。

這個公式表明，如果單位水路面積沖洗液量與機械鉆速之比，在16×102～31×102范圍之內，就可保證正常鉆進，把產生的巖屑及時排出去，機械鉆速穩(wěn)定，增加回次時間，改善鉆頭工作條件，提高鉆探的技術經濟指標。

這個公式取得了俄羅斯發(fā)明專利，實踐證明是有效的，受到了俄羅斯用戶的好評，建議我國地質鉆探工作者對此進行探索、試驗研究。