热机碎岩钻具设计与工程试验研究

吴景华，孙友宏

（1.成都理工大学，成都610059；2.长春工程学院勘查与测绘学院，长春130021；3.吉林大学建设工程学院，长春130012）

1 概述

摩擦热—机械能联合碎岩，简称热机碎岩，是一种新型的碎岩理论与方法。它不仅解决了硬岩破碎的效率问题，而且还将机械碎岩中工具与岩石之间因摩擦而产生的大量摩擦热能变废为宝。在机械碎岩中，碎岩的同时，工具与岩石之间因摩擦而产生大量的摩擦热能，过去这种摩擦热能在碎岩过程中被认为是有害的，它会导致工具发热，若不及时将热量带走，将对工具产生热损伤，甚至发生严重的孔内烧钻事故，因此，在碎岩过程中，常用冲洗液来冷却工具，带走摩擦热能。但通过应用热机碎岩理论的试验证明，温度的升高，使得岩石的切削阻力、磨蚀性和强度均大幅度降低，能大幅度提高钻进速度，即对碎岩效率来说这种热能又是有益的。在金刚石钻进过程中，烧钻前的一小段时间钻进速度会成倍提高就是这个道理。因此，摩擦热能的存在导致了钻头寿命与碎岩效率间的矛盾，热机碎岩钻具及其工程试验研究就是针对这一矛盾展开的。

热机碎岩原理如图1所示，热机碎岩钻头有2部分组成：一部分是摩擦元件，它的作用是与岩石摩擦产生热量来弱化岩石，也可以叫摩擦块或热发生器；另一部分是切削元件，实际就是钻头的切削齿，用来切削被摩擦元件热作用弱化后的岩石。由于大多数岩石经过“热处理”后的强度、硬度及研磨性等都有不同程度的降低，因此，较普通硬质合金钻头，热机钻头的钻进效率大幅度提高，钻进范围也进一步扩大，可以钻进Ⅺ级花岗岩，钻进速度达到或超过金刚石钻头钻进速度甚至是金刚石钻头钻进速度的几倍。

图1 热机碎岩原理

2 钻具的设计

室内试验钻具即TM－59钻具（模仿俄罗斯钻具），有如下几个不足：（1）不具有卡心装置；（2）只适用于无级小变量泵；（3）深孔无法排除岩粉。为此笔者设计了QX－60热机碎岩取心钻具。由于QX－60热机碎岩取心钻具克服了以上不足，因此QX－60钻具较TM－59钻具更先进、合理，适合于野外实钻生产。钻具原理图如图2所示。

图2 QX－60热机碎岩钻具原理图

3 室内模拟分流实验

QX－60热机碎岩整套钻具应能适合于野外工作泵的要求，因此必须解决排粉与钻头底部建立热效应的矛盾。要解决这个矛盾，必须将水量进行分流：一部分到达孔底形成热效应并初步排粉，另一部分接近孔底进行快速排除岩粉。

室内试验的主要目的就是测定钻具的分流情况。具体操作是：将QX－60钻具的3个分水孔引出3根胶管，并将整套钻具连接在XY－4型钻机的主动钻杆上，启动BW－250型泥浆泵，测量在不同泵量下，3个分水口的分流状况及孔底水量情况。室内实验测量分水情况见图3，实验记录情况如表1。

图3 室内分流试验测试

表1 室内分流测试记录

试验用孔底水量应在7～9L／min之间，因此实际野外试验应选取小刚度（小直径）弹簧。

4 野外试验

4.1 试验现场情况

试验工程地层为：较完整花岗闪长岩，岩石可钻性级别为7～9级，在地下400m巷道内成孔，孔深350m（钻进孔段为4～6m处）。施工主要设备：钻机为XY－4型，钻具为QX－60热机取心钻具，水泵为ZBB－2型变量泥浆泵，QX－60钻具分水接头弹簧直径Ф4.5mm（为了与水泵的泵量、泵压匹配，同时考虑到室内试验的情况），钻头为sic配方热机碎岩钻头。

4.2 试验记录

（1）试验记录

表2为转速388r／min时的试验情况，表3为转速574r／min的试验记录；图4为野外钻进现场，图5为野外钻具分流。

表2 转速388r／min试验记录

表3 转速574r／min试验记录

图4 野外钻进现场

图5 野外钻具分流情况

（2）钻进情况

钻头唇面平均高度：17mm（有效耐磨高度10mm）；钻头平均总进尺1.75m；平均磨损高度1.65m；初步算出钻头平均寿命为10.6m；钻进时平均最高时效为：4.5m。

5 结语

经过初步的野外实钻实验，可以得出初步结论并发现了一些问题。

5.1 结论

（1）QX－60钻具工作性能好，不但能达到分流的效果，同时切削齿也会获得相应的压力，钻具工作效果好。

（2）在7～9级岩层钻进，水量分流适中（既能满足排粉，又能在孔底建立热效应），热机碎岩钻进效率高。

（3）sic配方钻头在岩石可钻性为7～9级地层钻进，钻头摩擦元件和切削元件工作状态良好，比金刚石钻头钻进效率高。

（4）钻具卡心装置证明效果良好。

5.2 注意解决的问题

（1）弹簧的刚度，必须与水泵泵压相匹配，使之达到在足够的泵压下（满足切削齿要求压力），完成分流作用。

（2）钻具应设置可调垫片，配合弹簧使用。

（3）分流水口开口方向应使水流向上流动，防止分流水参与孔底循环。

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