高溫硬巖空氣潛孔錘鉆頭設(shè)計(jì)

羅宏保，李俊萍，吳金生

（中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都611734）

0 引言

目前我國(guó)干熱巖開(kāi)發(fā)仍處于試驗(yàn)性階段，干熱巖的開(kāi)發(fā)應(yīng)用是一項(xiàng)涉及多個(gè)方面的工程，其中干熱巖鉆井施工效率是評(píng)價(jià)干熱巖開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)非常重要的因素［1-2］。干熱巖地層溫度高、巖石致密堅(jiān)硬，在這樣的地層條件下如何實(shí)現(xiàn)高效鉆井仍存在很多技術(shù)難點(diǎn)［3-4］，比如全井采用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，鉆進(jìn)進(jìn)尺較慢，不能滿足勘探開(kāi)發(fā)要求［5］。根據(jù)不同井深地層環(huán)境，現(xiàn)在一般采用多工藝鉆進(jìn)施工，而在干熱巖鉆井部分鉆井段根據(jù)干熱巖地層特性，發(fā)揮空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是解決硬巖地層鉆進(jìn)進(jìn)尺速度慢的有效方法之一［6-8］。

青海共和干熱巖GH-01 井在二開(kāi)階段井深1508～2256 m 段采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)，純鉆時(shí)間內(nèi)平均機(jī)械鉆速達(dá)4.49 m/h，較回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆速提高2～3 倍。實(shí)踐證明，空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在硬巖地層可大幅度提高鉆井效率，但是由于空氣潛孔錘鉆頭在高溫硬巖條件下短時(shí)間內(nèi)磨損嚴(yán)重，易出現(xiàn)鉆頭掉齒、斷齒情況（如圖1 所示），無(wú)法保證井眼尺寸，而且小井眼還會(huì)導(dǎo)致其它鉆進(jìn)問(wèn)題的出現(xiàn)致使無(wú)法正常鉆進(jìn)［9］。實(shí)際施工中就需要重新更換鉆頭，花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行修孔，消耗的油料、時(shí)間成本較高，綜合鉆進(jìn)效率較低［10-11］。

圖1 GH-01 井空氣潛孔錘鉆頭磨損情況Fig.1 Wear situation of the air DTH hammer bit used in GH-01

空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了幾十年［12］，潛孔錘鉆頭無(wú)論是規(guī)格型號(hào)還是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上都是相對(duì)比較成熟的產(chǎn)品，但是鑒于在青海共和干熱巖GH-01 井應(yīng)用情況，需要進(jìn)行空氣潛孔錘鉆頭優(yōu)化，對(duì)其優(yōu)化主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鉆頭材料選型、固齒工藝等幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行，研制適用于高溫硬巖的空氣潛孔錘鉆頭，提高空氣潛孔錘鉆進(jìn)綜合效率，為干熱巖鉆探開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支持和技術(shù)儲(chǔ)備［13-14］。

1 鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)青海共和干熱巖GH-01 井使用空氣潛孔錘鉆進(jìn)出現(xiàn)的問(wèn)題對(duì)鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化。從青海共和干熱巖GH-01 井潛孔錘鉆頭磨損情況可以看出，邊齒基本全部脫落或斷裂，但中齒磨損較少。經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為：鉆頭體磨損較快，導(dǎo)致邊齒外露是邊齒脫落的重要原因之一，而邊齒脫落又會(huì)使得鉆頭上單個(gè)硬質(zhì)合金齒承受的沖擊功增大，造成鉆頭中間斷齒。因此首先在鉆頭體保徑方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)鉆頭體的保徑能力。保徑設(shè)計(jì)是采取在邊齒附近鑲嵌硬質(zhì)合金的方式，并且增加保徑硬質(zhì)合金齒顆粒數(shù)。通過(guò)保徑硬質(zhì)合金齒延緩鉆頭體在高溫硬巖中的磨損，從而延緩邊齒的脫落，保證鉆孔孔徑滿足要求。

鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化的另一個(gè)方面是風(fēng)路設(shè)計(jì)，風(fēng)路設(shè)計(jì)關(guān)系到鉆頭鉆進(jìn)排渣的效果，排渣不暢會(huì)導(dǎo)致巖屑在鉆頭周?chē)粩嗟啬p鉆頭。根據(jù)選用的新型沖擊器的密閉氣流系統(tǒng)，在風(fēng)路優(yōu)化上創(chuàng)新了外部吹渣排風(fēng)孔設(shè)計(jì)。高速氣流不再是從錘柄的中心孔進(jìn)入孔底排渣，而是從錘柄側(cè)面的氣孔進(jìn)入，這樣的設(shè)計(jì)氣流更加直接地進(jìn)入孔底，排渣效果更好，并且原先的空心錘柄設(shè)計(jì)變?yōu)閷?shí)心錘柄，提高了鉆頭錘柄的強(qiáng)度，而潛孔錘鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中常見(jiàn)的事故就是錘柄斷裂［15］。

通過(guò)對(duì)空氣潛孔錘鉆頭保徑和風(fēng)路2 個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)（參見(jiàn)圖2），可延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命。

圖2 鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.2 Optimized design of the bit structure

2 鉆頭材料優(yōu)化選型

空氣潛孔錘鉆頭加工材料是鉆頭使用壽命保證的最基本要素，主要包括鉆頭體加工合金鋼和硬質(zhì)合金。

潛孔錘鉆頭剛體材料選擇的原則［16］：

（1）堅(jiān)韌耐磨，具有良好的剛性和韌性配合；

（2）加工工藝性能良好。易切削，退火后硬度不大于HB260，但也不宜過(guò)軟，以免粘刀影響粗糙度，同時(shí)可淬性和淬透性要好。

目前常用的鉆頭體合金鋼是35CrMo 材料，該材料能夠滿足鉆頭在硬度較低的基巖中的鉆進(jìn)需求且成本相對(duì)較低，但是無(wú)法滿足在高溫高硬的花崗巖中鉆進(jìn)的需求，因此我們選用了機(jī)械屬性更好的30NiCrMo16-6 材料，2 種材料的屬性對(duì)比如表1所示。

表1 2 種鉆頭體材料屬性對(duì)比Table 1 Comparison of two material properties of bit body

硬質(zhì)合金質(zhì)量是鉆頭質(zhì)量最重要的保證條件之一。對(duì)硬質(zhì)合金的基本要求是：抗沖擊，耐磨損。其選用原則為：硬質(zhì)合金的性能必須與巖石和沖擊器、鉆機(jī)類(lèi)型相適應(yīng)［16］。對(duì)于硬質(zhì)合金的選擇，根據(jù)青海共和干熱巖GH-01 井空氣潛孔錘鉆頭磨損情況，針對(duì)高溫硬巖地層特點(diǎn)，我們對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行了優(yōu)化選型，選擇硬度、抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性更好的硬質(zhì)合金，所選擇的硬質(zhì)合金硬度達(dá)到HRA89.5～90.5、抗 彎 強(qiáng) 度 ≥2800 MPa、耐 溫 ≥800 ℃。

3 鉆頭冷壓固齒工藝

鉆頭失效形式最主要的是硬質(zhì)合金齒磨損、破碎、脫落，這除了與鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中服役條件惡劣有關(guān)外，還與鉆頭固齒工藝有很大的關(guān)系。目前我國(guó)球齒鉆頭的固齒工藝主要有冷壓、釬焊、熱嵌3 種方法。不論采用何種固齒工藝，都必須保證鉆頭在使用過(guò)程中不掉齒，這是球齒鉆頭的關(guān)鍵問(wèn)題，因此對(duì)鉆頭的固齒工藝進(jìn)行研究非常重要［17］。

目前潛孔錘鉆頭的固齒工藝采用較多的是冷壓固齒，冷壓固齒屬于壓配合固齒，其固齒力是由硬質(zhì)合金齒、固齒孔之間的過(guò)盈量引起齒孔壁鋼體產(chǎn)生的彈塑性變形提供的。冷壓固齒的工藝流程：固齒孔鉆孔機(jī)加工?鉆頭體熱處理?固齒孔鉸孔?測(cè)孔徑?硬質(zhì)合金磨齒?壓齒。整個(gè)冷壓固齒流程中要注意以下幾點(diǎn)：

（1）固齒孔的鉆、鉸中應(yīng)盡量提高加工精度和孔壁表面光潔度，以提高對(duì)合金齒的固緊力。根據(jù)硬度不同的材料，分為先鉆孔后熱處理再鉸孔和先熱處理后再鉆孔、鉸孔2 種加工方式。

（2）測(cè)孔徑使用浮標(biāo)式氣動(dòng)量?jī)x測(cè)孔，精度達(dá)到0.001 mm（微米）級(jí)別，并做好相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計(jì)和每個(gè)孔的標(biāo)注工作。數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計(jì)是為后續(xù)硬質(zhì)合金磨齒做準(zhǔn)備，標(biāo)注每個(gè)孔是為壓齒做準(zhǔn)備。

（3）磨齒根據(jù)測(cè)孔統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)加上確定的過(guò)盈量后在液壓磨床上從大到小逐級(jí)磨齒，精度達(dá)到0.001 mm（微米）級(jí)別。硬質(zhì)合金齒磨完后需用柴油對(duì)合金齒進(jìn)行清洗。

（4）壓齒時(shí)一定要盡量保證壓頭、硬質(zhì)合金齒、齒孔三者的中心線重合。

在注意以上幾點(diǎn)的基礎(chǔ)上，固齒過(guò)盈量大小的選擇則是冷壓固齒的關(guān)鍵［18-19］，過(guò)盈量過(guò)小，提供的固緊力小，鉆頭工作過(guò)程中容易引起硬質(zhì)合金齒的脫落；過(guò)盈量過(guò)大，固齒困難且易引起硬質(zhì)合金齒破碎或者鉆頭體孔壁開(kāi)裂。為了確定硬質(zhì)合金齒和齒孔間的最佳過(guò)盈量，我們采用有限元仿真分析的方法對(duì)冷壓固齒過(guò)程進(jìn)行模擬。通過(guò)建立有限元模型，仿真計(jì)算得到不同過(guò)盈量在壓齒過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)，為冷壓固齒提供指導(dǎo)［20］。

3.1 模型建立和網(wǎng)格劃分

如圖3 所示的潛孔錘鉆頭三維模型，在不影響分析結(jié)果的基礎(chǔ)上為了減少計(jì)算量，通過(guò)對(duì)三維模型簡(jiǎn)化得到單個(gè)硬質(zhì)合金齒壓齒過(guò)程的二維模型，模型采用二維軸對(duì)稱(chēng)模擬［21-22］。有限元網(wǎng)格劃分在ANSYS Workbench 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)格劃分工具為ANSYS Meshing 2019R3。圖4 為二維有限元模型網(wǎng)格圖劃分。

3.2 邊界條件設(shè)置

鉆頭體模型采用雙線性各向同性硬化彈塑性本構(gòu)，根據(jù)鉆頭體30NiCrMo16-6 材料屬性，設(shè)置參數(shù)為：密度7800 kg/m3、彈性模量210 GPa、泊松比0.3。根據(jù)硬質(zhì)合金材料屬性，設(shè)置參數(shù)為：密度15000 kg/m3、彈性模量 600 GPa、泊松比 0.22。

圖3 潛孔錘鉆頭三維模型Fig.3 3D model of the DTH hammer bit

圖4 二維有限元模型網(wǎng)格圖劃分Fig.4 2D FEM model of the drill teeth and hole

仿真模擬分析硬質(zhì)合金齒過(guò)盈壓入和拔出過(guò)程，具體邊界條件（參見(jiàn)圖5）如下：

（1）鉆頭體左側(cè)采用Fixed 固定約束。

（2）硬質(zhì)合金齒右端夾持段采用位移邊界條件，整個(gè)過(guò)程分2 步，第一步沿水平方向向左壓入鉆頭體齒孔，第二步沿水平方向向右拔出硬質(zhì)合金齒。加載的位移值如表2 所示。

圖5 邊界條件Fig.5 Boundary condition

表2 各工況邊界條件加載Table 2 Boundary condition loading under various working conditions

為了模擬不同過(guò)盈量的影響，選取0.04、0.05、0.06、0.07、0.08 mm 5 種不同過(guò)盈量進(jìn)行分析。利用ANSYS 接觸設(shè)置中的過(guò)盈量設(shè)置功能，實(shí)現(xiàn)不同過(guò)盈量的添加。具體接觸和過(guò)盈量設(shè)置見(jiàn)圖6，圖中紅色線代表的是接觸面，藍(lán)色線代表的是目標(biāo)面，接觸摩擦系數(shù)設(shè)置為0.1。

圖6 接觸示意圖及接觸設(shè)置Fig.6 Contact diagram and contact setting

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算得到硬質(zhì)合金齒不同過(guò)盈量壓入和拔出過(guò)程中鉆頭體和合金齒的等效應(yīng)力云圖如圖7、圖8所示。

圖7 壓入過(guò)程等效應(yīng)力云圖Fig.7 Equivalent stress cloud map of the pressing process

圖8 拔出過(guò)程等效應(yīng)力云圖Fig.8 Equivalent stress cloud map of the pullout process

將硬質(zhì)合金不同過(guò)盈量壓入和拔出過(guò)程中所需外力變化曲線圖，通過(guò)擬合形成外力對(duì)比圖，如圖9、圖10 所示。

根據(jù)仿真模擬分析計(jì)算結(jié)果，我們得出以下結(jié)論：壓齒過(guò)程中最大壓入力隨著過(guò)盈量的增大而增大，過(guò)盈量達(dá)到0.07 mm 時(shí)，壓入力增大放緩，0.08 mm 過(guò)盈量壓入力與0.07 mm 過(guò)盈量壓入力接近；拔出過(guò)程中最大拔出力隨著過(guò)盈量的增大而呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在過(guò)盈量為0.06 mm 時(shí)，初始拔出力最大，達(dá)到了27187 N。

圖9 不同過(guò)盈量壓入力對(duì)比Fig.9 Comparison of press forces at different interferences

圖10 不同過(guò)盈量最大拔出力變化Fig.10 Comparison of pullout forces at different interference

因此，通過(guò)鉆頭固齒有限元仿真分析計(jì)算，我們得到了理論計(jì)算上冷壓固齒的最佳過(guò)盈量，為后續(xù)鉆頭試制的固齒工藝提供了技術(shù)指導(dǎo)和支持。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)青海共和干熱巖GH-01 井空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用中鉆頭磨損較快、掉齒、斷齒的問(wèn)題，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選型、固齒工藝等幾個(gè)方面對(duì)空氣潛孔錘鉆頭進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)構(gòu)上增強(qiáng)保徑設(shè)計(jì)，延緩了鉆頭體磨損速度；創(chuàng)新排渣風(fēng)路的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了排渣效果，減少了巖屑對(duì)鉆頭的重復(fù)磨損；鉆頭材料選擇了更適用于高溫硬巖的合金鋼和硬質(zhì)合金，提高了鉆頭壽命；優(yōu)化了固齒工藝，運(yùn)用有限元仿真分析計(jì)算最優(yōu)冷壓固齒參數(shù)，為鉆頭冷壓固齒提供了技術(shù)支持。

通過(guò)以上研究的開(kāi)展，為試制適用于高溫硬巖的空氣潛孔錘鉆頭奠定了基礎(chǔ)，后續(xù)將在室內(nèi)模擬花崗巖地層開(kāi)展鉆頭鉆進(jìn)試驗(yàn)，在條件合適的情況下開(kāi)展野外生產(chǎn)試驗(yàn)，根據(jù)鉆頭鉆進(jìn)試驗(yàn)效果對(duì)高溫硬巖空氣潛孔錘鉆頭進(jìn)行完善、改進(jìn)，并對(duì)干熱巖鉆井空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)工藝進(jìn)行研究，為干熱巖鉆井多工藝高效鉆進(jìn)提供技術(shù)支持和技術(shù)儲(chǔ)備。