关于薄壁金刚石钻头金刚石浓度的设计问题

　收稿日期:2001-05-30　作者简介:薛军(1942-),男(汉族),江苏无锡人,中国地质大学(北京)副研究员,科学钻探国家专业实验室专职研究人员,钻探工程专业,硕士,从事岩石破碎学的教学及钻头、钻具的研究工作,北京市海淀区学院路29号,(010)82323273;于松波(1971-),女(汉族),吉林松源人,吉林油田责任有限公司测井公司技术员,从事测井技术及计算等工作。

关于薄壁金刚石钻头金刚石浓度的设计问题

薛　军1,于松波2

(11中国地质大学〈北京〉,北京100083;21吉林油田责任有限公司测井公司,吉林松辽132000)

摘　要:简要指出了薄壁金刚石钻头金刚石浓度合理设计的重要意义,提出了理论设计需要解决的几个重要问题和解决办法,认为通过生产或实验的检验与修正,金刚石浓度的合理的优化的设计是可以实现的。关键词:薄壁金刚石钻头;金刚石浓度;优化设计中图分类号:P634.4+1 文献标识码:A 文章编号:1000-3746(2001)S1-0253-03

金刚石浓度是薄壁金刚石钻头设计中的重要问题之一。生产和研究表明,金刚石浓度对钻头钻进速度和使用寿命有至关重要的影响:金刚石浓度过小钻头不耐磨,使用寿命低;过大易导致金刚石切削刃抛光,从而钻速低,甚至不钻进,这种情况与地质勘探金刚石钻头是相类似的。

研究表明,金刚石浓度的合理设计涉及到现代科学有关材料学、制造工艺学、热力学、岩石破碎学等诸多学科的现状与发展,涉及到现代工业广泛的基础性条件和应用条件,是一个复杂的工程问题。

我国自20世纪80年代在建筑工程中推广薄壁金刚石钻头以来,各钻头生产厂家在生产中积累了很多确定金刚石浓度的经验与方法,这些经验与方法大多以提高钻速、降低成本为目标,这实际上就是一种通过生产方式寻求最优化浓度设计的过程。

从生产中或实钻试验中寻求最优浓度设计方法是一种最为实际的可行办法,但是使用这种方法却存在明显的缺点,如得出合理结论所需的生产过程或实验周期较长;在多种多样的施工条件下,很难回答为什么同样是低浓度钻头有的钻头寿命比较高,而有的则很低,而有的高浓度钻头同样具有恒定钻速的钻进特点?这里显然提出了一个问题:浓度高低对钻头性能与施工条件(钻进客体的性状、机械作功能力等)有着怎样的内在联系?进一步揭示这些深层次的原因,对于薄壁金刚石钻头金刚石浓度的合理的或优化的设计,显然具有十分重要的意义。

目前必须将实践中积累的经验与方法上升到理性指导的阶段,再在理性认识的基础上去指导生产实验,并得到生产实验的验证或修正。

我们经过多年实验与研究,感到金刚石浓度合理的理论设计应该注重下述几个方面的工作与认识。

1　加强对碎岩机理的研究

一般认为,薄壁金刚石钻头的碎岩机理如同地质勘探用金刚石钻头一样,在易切削的软性钻进客体中,钻进过程以金刚石切削刃微切削为主;而在坚硬的钻进客体中,则以金刚石切削刃压入压碎导致剪崩作用为主。从这点出发,有效的钻进过程必然与钻进压力和切削刃切削或压入的面积2个参数相关,而这2个参数恰恰是一个与金刚石浓度设计密切联系的物理量,当钻进压力不足或因金刚石浓度过大而导致切削刃作用面积过大时,碎岩过程只能处在表面破碎阶段或疲劳破碎阶段,此时的钻进效果很差,只有当钻进压力足以克服钻进客体的压入强度或金刚石切削刃作用面积适宜时,有效的钻进过程才以体积破碎方式进行(图1)。

由此可见,金刚石浓度设计前必须弄清钻进客体的力学性质,必须设定钻进机械或人力所能给予的钻进压力范围,必须寻求金刚石浓度与金刚石切削刃压入面积之间的关系,必须寻求金刚石切削刃压入面积的计算方法。

然而,有效的钻进过程却不一定是最优的钻进过程,在体积破碎阶段仍然有一个以什么钻速钻进,既可以满足工程进度的要求,又可以最大限度地降低钻进成本的问题。因此金刚石浓度设计前除了必须明确钻进机械的钻进压力范围等参数外,还必须设定所需达到的钻速要求和钻进成本。作为一种特

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殊情况,如果以钻进成本为优化目标函数,则应当存在一个最低的Q -V m 点(见图1),此时的机械钻速V m 就是设计金刚石浓度的重要依据之一

。

图1　机械钻速V m 与比载荷p 、每米钻进成本Q 关系曲线

2　加强对钻头唇面金刚石磨损机理和金刚石切削

刃的锐化过程的研究

由于钻头的钻进过程也是钻头唇面金刚石颗粒间或同一粒金刚石切削刃不断新陈代谢的磨损过程,磨损的类型、过程、磨损程度及钻头胎体的性能对钻进速度及钻头寿命产生重大影响,从而对钻进成本产生重大影响,因而金刚石浓度设计必须考虑这一重要的影响因素。

金刚石切削刃新陈代谢的能力不仅与所钻进客体的物理性状、钻进条件(钻压、转速等)和钻头胎体性能密切相关,而且也与金刚石本身的粒度、强度、脆碎性、热稳定性等密切相关。要建立金刚石浓度与金刚石磨损、金刚石磨损与钻进成本、

金刚石磨损与各影响因素之间的数学关系是很困难和繁杂的。最为现实可行的办法是通过试验寻求金刚石浓度的某一合适的修正系数,这一修正系数应能反映出上述各种因素对金刚石浓度的综合作用效果。

3　金刚石切削刃压入面积的计算

如果没有一种对钻头唇面金刚石切削刃压入面积的计算或测定的方法,则金刚石浓度的理论设计是不可能进行的。

众所周知,金刚石的晶形有六面体、八面体、十二面体等各种形态,加上双晶连晶以及夹杂杂质等变异,金刚石在钻头唇面的出露形态是随机的,且差异很大,要进行金刚石切削刃面积的描述与计算,就必须在不影响其主要特征的前提下,对金刚石切削刃的形态进行理想化的处理,然后用修正系数缩短

理想计算与实际状态之间存在的差距。

一种理想化处理是把金刚石切削刃的工作形态看作是球体或棱角正向压入形态(如图2)。当金刚石的目数及浓度确定之后,通过计算钻头胎体的体积,便可以算出胎体单位高度内金刚石颗粒数。

图2　金刚石切削刃的2种理想化工作形态

当欲求达到的机械钻速V m 、机械转速n 确定

之后,钻头每回转一周时钻头在钻进客体(混凝土,砖墙等)中钻进的深度便可确定,通过这一深度便可以计算出在上述理想状态下参与工作的金刚石颗粒数N 以及切削刃压入面积的总和S ,如S i 表示单颗金刚石压入面积的通式,则有

S =6N

i =1S i

(1)

另一种方法是,金刚石切削刃压入面积通过压

入硬度测试和模拟钻头的V m -p 曲线钻进试验确定。

如果确定了所用金刚石目数,钻进压力、钻进机械钻速V m 及由钻进客体的V m -p 曲线所确定的压入面积S 等参数后,就可以求得参与工作的金刚石颗粒数乃至求出整个胎体所需的金刚石浓度。

4　金刚石浓度的设计过程

根据对上述问题的认识,薄壁金刚石钻头金刚石浓度设计大致可以按下述步骤进行:

(1)由实验测试得出钻进客体的物理力学性质,如抗压强度、抗剪强度、压入硬度等。

(2)根据钻进客体的物理力学性质和生产经验确定金刚石钻头的胎体配方及所用金刚石的颗粒度和强度品级。

(3)根据压入硬度试验、生产测试和现有的生产数据,作出V m -p 和Q -V m 曲线,并根据进度要求确定机械钻速V m 、钻进比压p 及每米钻进成本

Q 。

(4)由V m (m/h )和转速n (r/min )确定每转钻

进量δ

δ=V m /(60n )

(2)

(5)根据钻进时一般施加的压力P 和比载荷p ,

算出压入面积S

S =P/p

(3)

(6)由S 、δ和单粒金刚石压入面积通式,以及

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