钻进硬而致密岩石的直角梯形齿金刚石钻头研究*

叶宏煜， 杨 展， 邹盛树 ， 谢 涛， 潘家栋

(1. 武汉万邦激光金刚石工具有限公司， 武汉 430056)

(2. 中国地质大学(武汉) 机械与电子信息学院， 武汉 430074)

钻进不同的岩石，需要选择不同性能、不同结构的金刚石钻头，同时配合合理的钻进工艺参数，才能取得好的钻进效果。然而地球内部的岩石种类复杂多变，岩石性质千差万别。在一个钻孔中，可能存在几种力学性质完全不同的岩石，有可钻性5～6级的较软的岩石，也有可钻性达到8～10级的硬的岩石。

钻孔中常常遇到硬而致密的岩石，此时钻进时效极低；这些不同性能的岩石使深孔绳索取心钻进时选择钻头困难。因此，需要研究和设计出钻进效果和普适性能更好的金刚石钻头。

1 直角梯形齿结构设计

直角梯形齿结构的钻头(如图1所示)具有比普通钻头在孔底与岩石接触面积小的优点。在相同钻压作用下，其单位面积上的钻进压力较大，可以提高钻进速度。

图1 直角梯形齿钻头的外貌

这种类型钻头可以分解为2部分：扇形长方体部分M和扇形三角体部分N，见图2所示。M部分是破碎岩石的主体力量，N部分在支撑长方体的同时参与破碎岩石。梯形齿的直角面面对岩石，是破碎岩石的前锋，而梯形齿的斜腰起支撑作用，提高了切削齿的抗弯强度，使钻头能够承受孔底的复杂受力条件。

图2 直角梯形齿由M和N部分组成

1.1 直角梯形齿受力分析

为了计算和分析受力情况，将直角梯形钻头的梯形齿简化为图3所示：直角梯形齿的直角边高为AB，梯形的顶部宽为BD，梯形的另一底角为α，其横截面为梯形ABDC。直角梯形齿受垂直钻压P的作用，同时受岩石抵抗力F的作用。钻头在孔底还要承受振动、冲击等交变应力的作用，为了计算方便忽略不计。

图3 直角梯形齿平面受力分析

岩石的抗剪强度和压入硬度是梯形齿受力计算的基本依据，其中岩石的抗剪强度是设计直角梯形齿抗弯强度的基本依据，以8级花岗岩为例，其抗剪强度最大为20 MPa；梯形齿的轴向压力P以钻压值为计算依据，钻进8级花岗岩的钻压值一般取750～800 MPa。

假设BD端面所受轴向压力为单位均布压力，其合力P作用在上下对称位置。该钻齿受力情况视为左端齿根部固定，右端为一根自由的悬臂梁。该悬臂梁承受轴向压缩和弯曲。按照材料力学理论分析，梁组合变形时危险的横截面在左端固定端的AC截面。

图3中，钻齿根部的底角α一般取55°～70°，故该变载面梁左端横截面上的弯曲变形的中性轴可近似认为位于该截面上下对称位置，即y=h1/2。对AC横截面上的内力分析有：轴力(压缩)N=P，剪力(弯曲)Q=F，弯矩(弯曲)M=P·e-F·l。若忽略剪力Q对材料强度的影响，则该截面上各点的正应力σ为：

(1)

其中：

A=b·h1=b·(h+l/tanα)；

(2)

Iz=bh13/12；

(3)

e=h1/2-h/2=l/2tanα；

(4)

h2=l/tanα；

(5)

h1=h+h2=h+l/tanα。

(6)

式中：AC端横截面可近似为矩形，矩形的一边为h1=h+h2，而h2=l/tanα，而矩形的另一边为b，即钻头的工作层厚度。

则对AC横截面上各点有

(7)

AC横截面上最大拉应力位于上边缘一线各点，最大压应力位于下边缘一线各点，两者绝对值相等，则

(8)

将式(6)代入式(8)后得：

(9)

于是有：

σ=σ轴+σ弯max=

(10)

利用式(10)，再结合钻头的规格、结构、胎体的力学性能和所钻进的岩石的物理力学性能，就可以设计直角梯形齿钻头的齿形结构参数。

1.2 直角梯形齿设计

梯形切削齿的抗压强度一般很高，能够满足钻进的要求，因此这里对钻压不再单独分析。

直角梯形齿的结构设计主要包括以下几个尺寸：梯形顶的宽h，梯形齿的厚度b(即钻头的内外径的长度差)，梯形的腰所对应的底角α和直角梯形的高l。钻头梯形齿的厚度b由钻头的规格确定，这里b=14.5 mm。而直角梯形的高l由工作层高和过水间隙综合确定，工作层高取10 mm，而过水间隙取3 mm，因此高l为13 mm。因此，式(10)变成：

(11)

梯形顶宽h影响钻头与岩石的最初接触面积，h值的设计依据是岩石的力学性质、钻头的规格以及钻头的水路等，例如可钻性8～9级的岩石，h值在8～12 mm比较合理。以可钻性8级岩石为例，h值可选择10 mm。这样，式(11)变成：

(12)

梯形底角α可以依据岩石力学性质和钻头的规格等因素在55°～70°选择。在h值一定时，α越小，直角梯形齿的抗弯能力越大，但同时必须受钻头水口的限制。因此，在设计直角梯形齿钻头时，知道F和α就可得出直角梯形齿所受的应力σ，只要直角梯形齿的抗弯强度大于直角梯形齿所受应力σ，这个梯形齿就是安全的。其中，F主要取决于岩石的抗剪强度和梯形齿与孔底岩石的摩擦力。

在决定α时，一般采用试算的方法。例如，对于规格为φ77/48 mm的钻头，钻进的岩石为可钻性8级花岗岩，通过查表与计算得出单个钻齿剪切岩石所受的回转力约为900 N；梯形底角取60°进行试算，得出梯形齿承受的抗弯强度约为158 MPa；加上由钻压产生的摩擦力约300 N(动摩擦系数取0.2)时所增加的弯矩约53 MPa，总计211 MPa。显然，这个应力比设计钻头胎体已具有的最低抗弯强度值(700 MPa)要低很多，故这个设计是安全的。

2 钻头胎体性能设计

胎体性能是金刚石钻头设计的一个重要环节，涉及胎体包镶金刚石的牢固度和有效出刃，直接影响钻头的使用效果和寿命；涉及钻头的耐磨性能，直接影响对岩石的适应性，影响金刚石出刃效果和钻进速度。

2.1 对胎体性能的要求

所研究的钻头胎体性能主要为胎体的硬度和耐磨性。设计梯形齿的性能主要以岩石的硬度与研磨性为主要依据，目标是钻头具有较好的普适性能，既具有较高的硬度和抗弯强度，又具有较好的耐磨性和自锐性。

直角梯形齿金刚石钻头的梯形齿实际上由2部分组成，即由ABDE-JFGI四边形组成的扇形长方体M和由EDC-IGH三角形组成的扇形三角体N(图2)。对于可钻性7～9级、较强研磨性岩石，直角梯形齿性能设计可作整体考虑。只有设计钻进坚硬致密岩石的钻头时才会分别考虑设计，相比N部分，M部分的胎体硬度的要求较高，耐磨性同样要求较高。因此，该类钻头可以通过调节钻齿的M和N部分的参数和性能，达到调节钻头整体性能的目的。

2.2 含金刚石层胎体性能设计

钻头胎体性能的设计采用混料回归试验设计方法。采用预合金粉材料，依据前期研究的初步结果，胎体成分作如下考虑：骨架材料(WC+YG8)作为一个因素考虑(记为Z1)，黏结金属(663Cu+CuSn10)作为一个因素考虑(记为Z2)； FJT-01单独作为一个因素考虑(记为Z3)；FJT-A5作为一个因素考虑(记为Z4)。设计4因素混料回归试验，预合金粉成分质量分数如表1所示。

表1 预合金粉胎体合金混料回归试验设计表

试验的指标是胎体的硬度和耐磨性，探索胎体成分变化对胎体硬度和耐磨性的影响规律。按照混料回归试验设计方法并进行试验；采用SM100-A型智能电阻炉烧结试样，利用 HR-150A型硬度计和 MPx-2000型摩擦磨损试验机，对试样的硬度和耐磨性分别进行检测，其耐磨性和硬度的检测数值如表2所示。按照混料回归试验设计进行了10次试验，测得硬度与耐磨性一共10组数据。对于可钻性7～9级岩石的硬度与研磨性，可以选择表2中的合适的胎体性能组合，设计和烧结钻头，满足其中某类型岩石的钻进要求。

表2 混料回归试验结果

3 钻头金刚石参数设计

M和N部分的结构与作用不相同，胎体成分与性能可以相同，也可以不同；而由此设计金刚石的浓度也可以相同或不相同。当金刚石浓度不相同时，M部分的金刚石品级高，其浓度较高；而N部分的金刚石品级较低，而浓度亦较低。这样的设计主要基于所钻进的岩石的力学性质。

依据岩石性质，M与N部分的金刚石浓度不同。当钻进硬至坚硬、研磨性较弱的岩石时，M部分的金刚石浓度取65%～75%，金刚石品级为SMD40，金刚石粒度以代号50/60的为主；而N部分的金刚石浓度为60%，由代号40/50的金刚石配合一部分代号60/70的金刚石，金刚石品级SMD30；钻齿底角α取65°，水口宽度较大。当钻进硬、中等至较强研磨性的岩石时，底角α取70°，水口宽度较小；M与N部分的性能相同，金刚石的浓度相同，取80%～90%；金刚石的品级取SMD40，金刚石粒度组成为：代号35/40的占20%～25%，40/50的占50%～60%，50/60的占20%～25%。当钻进中硬及其以下岩石时，钻头的l可以取较小值，金刚石的粒度以代号35/40和40/50的为主，金刚石品级取SMD35，底角α取75°，采用较大水口。

4 钻头试制、试验与分析

4.1 钻头试制与试验

钻进的岩石为含角闪石的斜长玢岩，岩石致密，可钻性为8级，矿物颗粒为中到细粒，属于硬而致密、较弱研磨性岩石。

针对此岩石性质，钻头胎体成分选择表2中的试验配方5：碳化钨等硬质材料质量分数为35%，黏结金属质量分数为28%，FJT01质量分数为32%，FJTA5质量分数为5%。胎体的硬度为HRB99.8，耐磨性为25 mg。钻头的热压工艺：温度为965 ℃，压力为18 MPa，保温时间为5.5 min。金刚石浓度为90%，金刚石品级为SMD40，金刚石粒度代号为35/40与50/60，各占50%。试验对比的钻头(表中所示普通钻头)采用相同配方与工艺制造。

试制φ77/49 mm普通双管钻头及直角梯形齿钻头，进行野外实钻试验，试验在江西赣州NLSD-1科钻深孔工地进行。钻进的实际效果如表3所示。

表3 试验钻头钻进对比

从表3可知：2个试验钻头的钻进指标很相近，而用于对比试验的普通钻头的总进尺虽高出试验钻头2.4～3.7 m(2.8%～4.5%)，但钻进时效却低0.39～0.44 m/h(17.3%～19.1%)；试验钻头的成本要比普通钻头低32元/个(15.0%)，主要是普通钻头所用金属粉末与金刚石量较多造成的。由此可知，试验钻头具有较明显的优势。

4.2 结果分析

直角梯形金刚石钻头和普通金刚石钻头的区别在于钻头的结构、胎体性能和金刚石参数不相同，因而造成了钻头的钻进时效不同，对岩石的适应性能不相同，因而实现了直角梯形齿钻头的设计目标。

随钻进进行，直角梯形齿钻头与岩石的接触面积在慢慢增加，钻进速度将慢慢降低，一直钻进到钻头工作层基本磨损完，此时的钻进速度基本接近普通钻头的指标。这种接近率可视为(SN/SM)×λ，系数λ包含底角α，扇形三角体N的性能差别，等等。随着钻进的进行，扇形三角体N与岩石逐渐接触，开始破碎岩石，出现磨损，与孔底岩石的接触面积SN不断变大，钻进速度会有所下降。但是，这种下降率不会与N部分与岩石的接触面积增加成正比，因为N部分的胎体性能较软、耐磨性较低，其金刚石浓度低且质量差，所消耗的钻压并不与N部分与岩石的接触面积成比例，只有N部分面积影响的40%～50%。

试验钻头的整体金刚石浓度相比普通钻头的金刚石浓度较低，约降低30%；而工作层的面积较小，单位面积的钻进比压增大，单颗金刚石受力提高，切入岩石的深度有所增加，钻进效率得到提高。

因此，试验钻头钻进时效较高、使用寿命较长的原因在于钻头的结构合理，与孔底岩石的接触面积较小，钻进时压强较大，能够产生大体积剪切破碎，钻进效率高。同时，试验钻头的水口较大，钻头的冷却效果好，排除孔底岩粉及时，岩粉重复破碎的概率小，钻头的单位进尺的磨损较小，这样就保证了钻头既有较高的钻进效率，又有较长的使用寿命。该钻头已经获得国家实用新型专利。

5 结论

理论计算和钻进实践表明，直角梯形齿金刚石钻头钻进硬而致密岩石时，钻头与孔底岩石的接触面积较小，钻进比压较大，能够有效切入岩石，钻进速度明显提高。

直角梯形齿钻头结构合理，钻齿由2部分组成：扇形长方体M和扇形三角体N。N部分既可以参与破碎岩石，又可以起到支撑扇形M部分的作用，钻头的抗弯强度有保障，钻头的受力条件得到改善。

可以通过调整底角α和齿顶宽l以调整直角梯形齿钻头的扇形长方体M和扇形三角体N的比值，达到调整钻头工作性能的目的，以适应不同性能岩石的钻进需要，从而提高钻进效果，降低钻头成本。

采用了混料回归试验设计方法，对预合金粉进行了胎体性能试验研究，得出了10组配方供钻头设计选择，以适应不同性质岩石的钻进需要。