PDC鉆頭破碎巖石機理分析

金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合片的概念及發(fā)展
　　金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合片簡稱PDC，是一種新型的超硬材料，通過在硬質(zhì)合金底上燒結(jié)一層細粒的人造聚晶金剛石形成，不僅具有金剛石的硬度和高耐磨性，還體現(xiàn)出硬質(zhì)合金的韌性，可以作為單獨的切削單元使用，同時隨著PDC鉆頭的進步，在一些鉆探中已經(jīng)得到推廣。在實際的鉆探過程中，破碎巖石的工具的磨損是機械碎巖中的最大問題，特別是在遇到巖石抗壓強度大于150兆帕的地層，機械破巖工作很難進行，因此鉆探工程必須對破碎巖石的工具進行強化，通過改變其形狀和材料改善工具性能，也要深入了解破碎巖石的機理，將巖石性質(zhì)、地層特征、外載條件、碎巖工具的性質(zhì)等結(jié)合起來，從根本上解決問題。
　　2 單個PDC與巖石作用的受力分析
　　在PDC鉆頭的形成工藝中，需要將PDC片斜鑲?cè)脬@頭胎體中，因此，PDC鉆頭在鉆進過程中，其受力方向是斜向壓入的，從而破碎巖石。設(shè)一個斜鑲的圓柱體PDC只受到法向力F的作用，并且垂直壓入彈性巖石的半空間體中，將圓柱體的半徑設(shè)為R，D為圓柱體的壓入深度，θ為切入角，是彈性體表面與PDC軸向的夾角，如圖1所示。從圖中的PDC切片的壓入情況來看，壓頭的幾何形狀相對復(fù)雜，為了使得計算相對簡單，可以將F1分解為兩個部分，一部分是圓柱體面壓入巖石的壓力FN1，另一部分是圓柱體底面壓入的壓力FN2，根據(jù)圓柱體的接觸情況分析，分別對接觸壓力FN1，F(xiàn)N2進行求解，求得在FN1方向上的最大壓入深度是d1=，圓柱面的最大的接觸區(qū)域的長度CD為l-l1+l2cosθ=。
　　當一個斜鑲的圓柱體PDC只受到切向力的作用，在PDC在法向壓入一定深度后，在切向力的作用下產(chǎn)生了水平位移S。因為在實際的切削過程中，PDC后側(cè)的受力相對較小，因此忽略不計。在切向力作用的情況下，主要考慮巖石與PDC切片在前端的接觸壓力以及PDC切片在底部與巖石的摩擦力。
　　3 PDC鉆頭的破碎巖石機理分析
　　巖石破碎機理的分析需要將地層條件，外部載荷的條件、破碎工具條件以及巖石的特性等結(jié)合起來，不僅要研究巖石破碎的形式和效果，還要研究巖石在破碎前和破碎后的變化趨勢及其應(yīng)力狀態(tài)。巖石力學(xué)性質(zhì)是巖石的基本性質(zhì)，巖石的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系是了解巖石的基礎(chǔ)，其中巖石的單軸抗壓強度是指在周圍無其他壓力作用下，僅受到軸向壓力作用的巖石被破壞時，軸向壓力與面積的比值，即：σc=；巖石的硬度是指巖石在集中載荷的作用下產(chǎn)生局部變形或者破碎的能力，用接觸壓力與接觸面積之比表示，即：σK=；巖石的脆塑性是指巖石在破壞時發(fā)生脆塑性破壞的傾向，對巖石的鉆進效果和破碎效果有顯著的影響。在實際鉆進過程中，PDC鉆頭可以破碎的地層為軟-中硬地層，在一般情況下，PDC鉆頭的破碎方式是以切削、剪切破壞為主，以擠壓破壞為輔，具體的破碎機理會隨著地層的不同而變化。PDC鉆頭破碎巖石的軸向載荷和巖石壓入深度的關(guān)系如圖2所示。
　　
　　圖2 軸向力與切入深度的關(guān)系圖
　　在開始的AB階段，巖石在壓力的作用下形成壓實的巖體，并且軸向壓力與壓入深度與理論一致，但是，在B點處，巖石破碎軌跡與理論曲線產(chǎn)生偏移，因為在B處產(chǎn)生了脆性裂紋，在BC階段，因為巖石表面破碎的巖屑亂飛，導(dǎo)致巖石的軸向載荷減小，在CDE階段，由于巖石的進一步破碎，巖石產(chǎn)生較大的裂紋導(dǎo)致了大規(guī)模的破碎，使得壓力深度進一步增加，在隨后的EG階段，隨著外載荷的進一步增大，PDC鉆頭重復(fù)著壓裂和破碎的過程，完成一次完整的破碎階段。因此PDC鉆頭在破碎巖石過程中，壓入深度與外加載荷不是成線性關(guān)系的，載荷會有減小再增大的過程。當PDC鉆頭在垂直載荷下破碎巖石時，剛開始時在PDC底部產(chǎn)生極限狀態(tài)，從而壓入一定深度，之后隨著接觸面積的增加，需要加大壓力，隨后產(chǎn)生裂隙，進而產(chǎn)生大的破碎。當PDC鉆頭在水平力的作用下破碎巖石時，在切削端前面的壓力分布是不均勻的，當裂隙受到壓力和拉力的同時作用時，裂紋會相互貫穿，形成一個大的剪切面。在實際工作過程中，PDC鉆進巖石不僅與外部載荷和巖石性質(zhì)有關(guān)，而且與PDC切削片的數(shù)量和空間排列方式有關(guān)，因此在布置PDC切片時，需要具有合適的距離，才能達到良好的切削效果。
　　巖石的破碎機理是鉆探過程中的理論基礎(chǔ)，用來設(shè)計長壽命的、高效率的和最佳的破碎巖石的鉆頭。本文通過分析PDC鉆頭在垂直作用力和水平作用力下的PDC與巖石之間的接觸壓力，并且簡要分析了PDC鉆頭的破碎巖石機理，通過對PDC鉆頭的綜合分析，在鉆探過程中，可以根據(jù)實際情況選用相應(yīng)的PDC鉆頭，不僅提高了鉆探工作效率，而且節(jié)約成本和資源，提高材料的利用率。因此在以后的PDC鉆頭設(shè)計中，要與PDC鉆頭破碎理論相結(jié)合，推動PDC鉆頭的發(fā)展。