金剛石鉆頭碎巖原理

國(guó)內(nèi)外關(guān)于金剛石鉆頭破碎巖石的作用有許多觀點(diǎn)，如研磨、磨削、刮削、剪切、切削、壓皺、壓入、壓碎等。由于破碎巖石的作用比較復(fù)雜，又與很多因素有關(guān)，所以至今還沒有一個(gè)統(tǒng)一的觀點(diǎn)和結(jié)論。特別是對(duì)孕鑲鉆頭破碎巖石的機(jī)理，國(guó)內(nèi)外的研究更少。

只有較深入地研究和了解金剛石鉆頭破碎巖石的機(jī)理，才能提出鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)和制定鉆進(jìn)規(guī)程的可靠數(shù)據(jù)。

在實(shí)際鉆孔中觀察和研究金剛石鉆進(jìn)破碎巖石的機(jī)理是比較困難的。目前的研究方法是通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析兩種手段：所謂實(shí)驗(yàn)，也就是在實(shí)驗(yàn)室條件下，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上模擬鉆進(jìn)，觀察巖石的破碎過(guò)程。或利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬利用先進(jìn)的測(cè)試和記錄儀表，開展對(duì)巖石破碎機(jī)理的研究；所謂分析，即分析孔口返上來(lái)的巖粉或孔底巖心根部殘留破碎面的情況。

應(yīng)該認(rèn)識(shí)到目前實(shí)驗(yàn)室的條件與實(shí)際鉆孔有一定的差別，所以觀察到的現(xiàn)象不能完全反映實(shí)際的孔底碎巖情況。因此，很有必要建立一個(gè)現(xiàn)代化的、智能化的鉆進(jìn)研究實(shí)驗(yàn)室，以模擬鉆孔內(nèi)高溫高壓和巖石多向條件，切實(shí)加強(qiáng)對(duì)碎巖機(jī)理的研究。

由于金剛石鉆進(jìn)的巖石性質(zhì)不同，所選用的鉆頭結(jié)構(gòu)不同，其碎巖原理也不同。

一、表鑲金剛石鉆頭破碎巖石原理

表鑲金剛石鉆頭的應(yīng)用范圍較廣，它可用于中硬至堅(jiān)硬巖石、塑性至脆性的巖石。由于鉆頭鉆進(jìn)的巖性不同，其碎巖原理也不同。

1.脆性為主巖石

表鑲鉆頭的金剛石顆粒和其出刃量都較大，所以分析表鑲鉆頭破碎巖石過(guò)程時(shí)，往往是取鉆頭上單粒金剛石，且把它看作為球體。因此，表鑲鉆頭破碎巖石的過(guò)程就類似球形壓模靜壓入巖石的作用。

分析該過(guò)程的觀點(diǎn)較多，但多數(shù)學(xué)者認(rèn)為：顆粒較大的單粒金剛石破碎堅(jiān)硬的脆性巖石，主要破碎方式是壓裂、壓碎加大體積剪崩，切削研磨破碎較次，簡(jiǎn)稱“壓碎原理”。

奧斯特洛烏什柯（奧氏）以及原東北工學(xué)院應(yīng)用主承壓體的觀點(diǎn)分析鉆進(jìn)的破碎過(guò)程，是“壓碎”學(xué)說(shuō)的主要代表。有關(guān)他們的觀點(diǎn)已在前面談及，不再重復(fù)。

2.塑性為主巖石

如果遇到塑性大的巖石，則主要以切削方式破碎巖石，而壓裂、壓碎作用就為輔。所謂切削破碎作用（圖1-4-1）是指金剛石在垂直壓力P的作用下，保持切入深度h；然后在水平力H的作用下，金剛石以前棱角切削巖石，產(chǎn)生大體積剪切和張裂體a，之后水平抗力H′驟然下降至零，金剛石繼續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，與前邊巖石的接觸面又逐漸增大，形成小體積剪張?bào)wb，水平抗力脈動(dòng)地變化且增加，直至又產(chǎn)生大體積破碎，依次循環(huán)進(jìn)行。切槽斷面形狀與尺寸，取決于壓力大小、金剛石刃部形狀和尺寸以及巖石性質(zhì)，大體上是錐形。切削破碎時(shí)每顆金剛石所需軸壓力要求比水平力大，同時(shí)，當(dāng)增加軸壓力時(shí)，水平力也要相應(yīng)增加。在一定范圍內(nèi)，軸壓力增加，切入深度也增加，破碎巖石量也就增加。但是當(dāng)軸壓力超過(guò)一定值時(shí)，切入過(guò)深則引起切削刃和巖石之間的摩擦阻力劇增，從而使切削刃磨損加劇。因此，對(duì)于不同的巖石應(yīng)有一個(gè)合適的軸壓力及相應(yīng)的切入深度。由于金剛石對(duì)巖石的切削破碎作用類似于硬質(zhì)合金的切削破碎作用，所以不再詳述，可參閱前面有關(guān)章節(jié)。

圖1-4-1 切削破碎作用

二、孕鑲金剛石鉆頭的破碎巖石機(jī)理

對(duì)于孕鑲鉆頭的破巖機(jī)理，一種觀點(diǎn)認(rèn)為與砂輪的磨削原理相似，即孕鑲鉆頭上的每一微粒金剛石可以比作為砂輪上的一個(gè)磨粒。砂輪工作時(shí)，是以棱角比較鋒利的磨粒壓在工件表面，使表面擠壓并發(fā)生變形，當(dāng)砂輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，擠推力增大，當(dāng)它超過(guò)金屬分子之間的結(jié)合力時(shí)，表面一部分金屬就從工件上分離下來(lái)成為磨屑。這個(gè)過(guò)程習(xí)慣上叫做“磨削”。孕鑲鉆頭鉆進(jìn)的過(guò)程與這相似。由于磨削的深度很小，故屬于表面破碎。

目前還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為：孕鑲鉆頭的破巖機(jī)理與表鑲鉆頭相似，差別僅在于用的金剛石粒度不同。對(duì)于孕鑲鉆頭中每一微粒金剛石，也可把它看成為表鑲鉆頭上的單顆金剛石，只是由于金剛石小了，那么它的壓裂壓碎深度、切削深度小些。所以它的碎巖過(guò)程可看作為微切削和微壓裂壓碎作用的綜合，屬于小體積破碎。對(duì)于脆性巖石，以微壓裂壓碎為主，對(duì)于塑性巖石，以微切削為主。這種觀點(diǎn)是有一定道理的。

三、復(fù)合片鉆頭破碎巖石原理

金剛石復(fù)合片鉆頭廣泛用于鉆進(jìn)中硬以下巖層，由于其鑲焊形式類似于硬質(zhì)合金鉆頭，因此其碎巖原理以及鉆進(jìn)規(guī)程就類似于硬質(zhì)合金鉆進(jìn)：即遇脆性為主巖石，產(chǎn)生壓入剪崩與大小切削作用交替；而遇塑性為主巖石，則產(chǎn)生壓入和連續(xù)切削作用。詳細(xì)分析則見硬質(zhì)合金鉆進(jìn)碎巖原理，在此不再重復(fù)。