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孕镶金刚石钻头钻进特点及其设计探讨pdf

添加时间：2025-02-16

孕镶金刚石钻头钻进特点及其设计探讨pdf(图1)

　　地球技术与应用孕金刚石钻头钻进特点及其设计探讨吴其干（广东省有色金属地质局九三一队广东汕头 515041） [摘要] 目前解决坚硬地层钻头打滑的方法多种多样但未明确哪些方法更为个人认为接触面下方的裂纹并非是产生于最大剪应力，而是应有效可行本文通过进一步的分析和计算明确了影响钻进效率的主要因遵循库伦-莫尔原则，当沿剪切滑移面方向的应力τ满足下式条件素对孕镶钻头的设计提出了建议。时产生剪切裂纹。 [关键词]金刚石碎岩机理孕镶钻头钻进特点主要影响因素钻头设计原则 T ≥σtan鬃+c………………………………（3） [中图分类号] P62 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-10-356-3 式中σ 为剪切滑移面上的正应力；鬃为摩擦角；C 为内聚力。 0 引言根据赫兹理，对称轴Z 轴上压力面下面z(深度)垂直方向的通常我们在钻进坚硬打滑地层时，通常会因金刚石被抛光而出应力σ 及水平径向方向的应力σ 分别为： z r 现打滑现象，导致钻头无法进尺。为解决上述问题，人们采取了各种 a2 σ =-p × ………………………………（4） z 0 2 2 办法。例如降低胎体硬度、降低金刚石浓度、降低金刚石粒度，采用 a +z 2 异型钻头，甚至采取打磨法、喷砂法、唇面酸蚀法、孔底投砂研磨法 σ =p [-(1+μ) (1- z artan a )+ a ]………………（5） r 0 2 2 2 a z 2(a +z ) 等多种不同的金刚石钻头人工出刃等办法。上述方法有一定的效此处沿剪切滑移面方向的应力τ及剪切滑移面上的正应力σ 果，但未能总结出哪些方法更为有效。分别按下式计算：研究分析提高孕镶钻头在坚硬打滑地层的钻进效率，除了要考 σ +σ （σ -σ ）cos2α 虑金刚石碎岩机理外，还需综合考虑孕镶钻头的钻进特点以及金刚 σ= z r + z r ……………………（6） 2 2 石强度，粒度，浓度以及胎体硬度，排粉等因素的影响。（σ -σ ）sin2α T= z r …………………………（7） 1 金刚石的碎岩理及破碎槽截面的推算 2 关于岩石在圆柱压头压力作用下的破碎机理，个人在《岩石可式中α 为最大主应力与剪裂面法线。将钻性及岩石破碎机理探讨》一文中有所述，金刚石对岩石的破碎 τ=σtan鬃+C 对z/a 求导并使其等于零，便可得到 2 a a z (1+μ )z 机理有所不同，个人认为金刚石对岩石的切削破碎随着压力的增加 (1+μ )artan = (3sin2α-3cos2α-tan鬃)+ 2 (sin2α-cos2α+tan鬃) …（8） 2 2 2 2 2 z (a +z ) a +z 有如下三个阶段的特点： Ⅰ.当压力较小时，岩石仅仅产生接触变由（8）式可求得产生剪切裂纹的源点深度z 形，金刚石主要通过摩擦对岩石进行切削破碎；Ⅱ.开始在接触面下 1.3 独立岩体对其下面围岩的压力方某处以及在接触面边缘产生裂纹并扩展和交汇，沿裂纹交汇线形假锥状独立岩体的锥角为2β（为便于计算，将其当成圆锥成脱离围岩的锥状岩体，当压力增大到一定程度时，金刚石压力作体。 β=arctan a/z ），那么根据力的平衡原理可得：用下的独立岩体对其下面岩石的压力使岩石沿剪切方向剪切破碎 P=P ×sinβ+P×sinβ×f×cosβ……………………（9）并因此对围岩产生挤压，而挤压力的水平分力则将围岩（与水平面） N 由（9）式可得：沿剪切角方向剪切破碎，剪切破碎体开始时从独立岩体周边的上部 P = P(1-f×sinβ×cosβ) ………………………（10）扩展到表面，随着压力的增加，能扩展到表面的剪切破碎体逐渐扩 N sinβ 展到独立岩体的底部。 Ⅲ. 剪切破碎体在往深度扩展的同时，开始式中P 为作用在金刚石压头上的压力，PN 为下面围岩对独立从独立岩体底部的中心往径向扩展，直到当底部剪切破碎体的径向岩体的反作用力（亦即为独立岩体对下面围岩的压力），f 为岩石之尺寸扩展到大于金刚石的直径时，金刚石将剪切破碎体挤压崩离，间的摩擦系数（个人认为岩石之间的摩擦系数约为岩石与TBM 滚形成破碎坑。刀之间摩擦系数的2 倍）。根据上述推理可对金刚石在不同压力下对岩石所产生的剪切 1.4 岩石破碎槽深度及宽度的推算破碎体（金刚石随钻头转动后成为破碎槽）的大小进行推算。 2 由于独立岩体与下面围岩的接触面积为πa /sinβ, 故独立岩体 1.1 压力边缘的半径的推算 2 对下面围岩的单位压力为P ×sinβ/πa ，假此时独立岩体下面围岩 N 根据赫兹理，球体（金刚石）压人平面时，其压力边缘半径a 中裂纹已扩展到表面的剪切破碎体的深度为h ，那么此时独立岩体为： 2 2 2 对下面围岩的有效压力面积为[1- (z -h) /z ]×(πa /sinβ),其有效压力 3 3 1-μ12 1-μ22 2 2 为P ×[1- (z-h) /z ] ，该压力使其下面的岩石沿剪切面方向剪切破碎 a= [ + ]pr ……………………（1） N 姨 4 E1 E2 2 2 2 2 的分力为P ×[1- (z-h) /z ]×cos兹，所克服的摩擦力为P ×[1- (z-h) /z ] N N 式中μ 为金刚石的泊松比，E 为金刚石的弹性模量，μ 为岩 1 1 2 ×sin兹×tan鬃，故其沿剪切面方向的剩余压力为：石的泊松比，E 为岩石的弹性模量，p 为作用于金刚石压头上的压 2 F =P [1- (z-h)2 ×(cos兹-sin兹×tan鬃)………………（11）力，r 为金刚石的近似半径。由于E 远大于E ，为便于计算，（1）式可剩 N 2 1 2 z 简化为：式中兹为剪切角，由于剪切面方向与水平面方向的角度为β+ a= 3 3 [ 1-μ22 ]pr …………………………（2）兹，因而使围岩产生剪切破碎坑的水平挤压力等于F 剩×cos(β+兹) ，即：姨 4 E2 2 F =P [1- (z-h) ×(cos兹-sin兹×tan鬃)×cos(β+兹)………（12） 1.2 Z 对称轴上剪切裂纹起源点深度的推算挤 N z2 破碎岩石所需要的作用力通常按抗压强度×受压面积计算，即：（ [作者简介]吴其干 1965~），男，工程师，研究方向为探矿工程技 F=σ ×M ………………………………（13） C C 术和相关管理。地球地球地球地球讂356 THE EARTH 10 地球式中σ 为岩石的抗压强度；M 为受压面积。假 M 为剪切金刚石钻头压人岩石的深度即为δ，由(20)、(21)可得此时所需的压 C C τ 面积。则MC = M ×sin兹（兹为剪切角），上式可换算为：τ 力为： 5 F=σ ×M ×sin兹……………………………（14） δ C τ E S×C% 2 岩石剪切破碎坑的侧面积（剪切面积）为： F= 乙 0 P×n×dδ= 2 5 ×δ ……………………（23） 2 10(1-μ22)πr π[2a× z-h +ztan( π -兹)]z z 2 当钻压超过该压力（最大有效压力）时，切入岩石深度大于δ 的 M = ……………………（15） τ sin兹金刚石会因强度不够而发生脆裂，压力越大，发生脆裂的金刚石就由(14)式和(15)式可得，使岩石产生剪切破碎坑的挤压力F 挤越多，因而在金刚石浓度不变的情况下，金刚石有效切人岩石（不脆为：裂）的数量不再随钻压的增加而增加。 F =πσ [2a× z-h +z×tan( π -兹)]z…………………（16） 3 孕镶钻头所产生破碎槽截面的实例计算及分析挤 C z 2 本文以渍75 钻头（为便于比较，统一采用10 个水口，胎体的底由(12)式和(16)式可得 2 面积1880mm ）分别孕镶不同强度、粒度的金刚石，分别对较软的大 z-h π πσ [2a× +z×tan( -兹)]z 2 C 理岩（选取鬃=43; σC=106Mpa;μ=0.27;E=20000 Mpa）和坚硬的石英 (z-h) z 2 P [1- ]= ……………（17） N z2 (cos兹-sin兹×tan鬃)×cos(β+兹) 岩(选取鬃=57;σC=324Mpa; μ=0.145;E=70000 Mpa）进行分析计算由（17）可求得岩石破碎体的深度(亦即破碎槽深度)h ，那么破碎（见表1、表2）。以便更好地分析金刚石的强度、粒度、浓度以及钻体底部的半径为a =a×(z-h)/z ，破碎体部的半径为a =a +z×tan(π/2 r R r 压等因素对钻进效率的影响。 –兹) ，从而可求得破碎槽底宽w =2a 、破碎槽宽wR=2a ，破碎槽 r r R 表1 金刚石强度等因素对大理岩进尺效率的影响截面积s=( a + a)×h。 R r 金刚石粒径 60 目 100 目 60 目当剪切破碎体开始从独立岩体底部的中心往径向扩展时，则金刚石浓度 100% 100% 83% 35% 2 金刚石强度(kg/cm) 15000 25000 17000 25000 15000 25000 可先通过下式求得a ： r 单粒强度(N) 72.1 120.2 29.4 43.3 72.1 120.2 单粒实际工作强度(N) 28.8 48.1 11.8 17.3 28.8 48.1 πσ [2a +z×tan( π -兹)]z C r 2 最大有效切入岩石的数量 1151 1620 3484 4496 955 567 P = ……………………（18） N (cos兹-sin兹×tan鬃)×cos(β+兹) 最大有效压力(N) 13254 31161 16444 31113 11001 10906 11KN 钻压时有效切入岩石的数量1068 1068 2966 2966 955 567 从而可求得a (a =a +z×tan(π/2 –兹)) 、从而可求得破碎槽底宽 R R r 11KN 钻压时有效压力(N) 11000 11000 11000 11000 11000 10906 (w =2a ) 、破碎槽宽(w =2a ）以及破碎槽截面积[s=( a + a)×z]。平均压力(N) 10.3 10.3 3.7 3.7 11.5 19.2 r r R R R r 平均破碎槽截面深度(mm) 0.0378 0.0378 0.0228 0.0228 0.0394 0.0468 2 孕镶金刚石钻头钻进的特点及其影响因素平均破碎槽截面底宽(mm) 0.0681 0.0681 0.0408 0.0408 0.0767 0.1279 对于孕镶金刚石钻头而言，由于金刚石的出刃情况不同，其切平均破碎槽截面顶宽(mm) 0.2428 0.2428 0.1455 0.1455 0.2579 0.3430 2 平均破碎槽截面积(mm) 0.0059 0.0059 0.0021 0.0021 0.0066 0.0110 入岩石的深度、所受的压力、其刻划所产生的破碎槽截面也各不相 2 破碎槽截面累加面积(mm) 6.3119 6.3119 6.2879 6.2879 6.2935 6.2422 同。分析影响孕镶钻头钻进效率的因素可从以下几方面入手： 2.1 金刚石强度对切入深度的影响表2 金刚石强度等因素对石英岩进尺效率的影响根据赫兹理，球体（金刚石）在压力P 作用下压人岩石平面时，其中心位移（即切入岩石的深度）δ 为：金刚石粒径 60 目 100 目 100 目 2 2 金刚石浓度 100% 100% 78.5% 3 9 1 1-μ1 1-μ2 2 2 2 δ = × ( + ) P ……………………（19）金刚石强度(kg/cm ) 15000 25000 17000 25000 17000 25000 16 r E1 E2 单粒强度(N) 72.1 120.2 29.4 43.3 29.4 43.3 由于金刚石的弹性模量E 远大于岩石的弹性模量E ，为便于单粒实际工作强度(N) 28.8 48.1 11.8 17.3 11.8 17.3 1 2 最大有效切入岩石的数量 518 729 1567 2022 1230 1588 计算，上式可简化为：最大有效压力(N) 5962 14017 7397 13995 5806 10986 3 9 1 1-μ22 2 2 11KN 钻压时有效切入岩石的数量518 661 1567 1837 1230 1588 δ = × ( ) P …………………………（20） 16 r E2 11KN 钻压时有效压力(N) 5962 11000 7397 11000 5806 10986 表明金刚石强度越大（能承受的压力就越大），能切入岩石的深平均压力(N) 11.5 16.6 4.7 6 4.7 6.9 平均破碎槽截面深度(mm) 0.0271 0.0324 0.0175 0.0195 0.0175 0.0204 度就越深平均破碎槽截面底宽(mm) 0.0026 0.0049 0.0008 0.0031 0.0008 0.0067 2.2 金刚石浓度对切入数量的影响平均破碎槽截面顶宽(mm) 0.1858 0.2236 0.1189 0.1345 0.1189 0.1443 2 平均破碎槽截面积(mm ) 0.0026 0.0037 0.0011 0.0013 0.0011 0.0015 假孕镶金刚石钻头浓度为C% ，则每1mm 厚胎体内所含的 2 破碎槽截面累加面积(mm ) 1.3245 2.4466 1.6412 2.4576 1.2915 2.4432 金刚石数量为： S×1 从表1 表2 可以得出以下几点结： n= ×C%………………………………（21） 4× 4 πr3 （1）金刚石对软岩的破碎槽截面积的累加远大于对坚硬岩石的 3 累加，表明其对软岩的破碎能力远大于对坚硬岩石。钻进软岩时可式中s 为孕镶金刚石钻头胎体的底面积。若孕镶金刚石钻头能会因岩粉太多而造成烧钻，而钻进硬岩时则会因岩粉太少而不能压人岩石的深度为δ，则压人岩石金刚石的数量为n×δ，即：正常磨损胎体，造成金刚石被抛光而无法钻进； S×1 N= 4 3 ×C%×δ……………………………（22）（2）在金刚石强度和浓度相同的情况下，细粒金刚石和粗粒金 4× πr 3 刚石对岩石的破碎槽截面积的累加几乎是一样的，表明它们对岩石表明在金刚石钻头压人岩石深度相同的情况下，孕镶金刚石的的破碎能力相同，所不同的是细粒金刚石对岩石的破碎槽截面宽度浓度越大，能切入岩石的金刚石数量就越多。的累加大于粗粒金刚石对岩石的破碎槽截面宽度的累加。当金刚 2.3 压力的影响石钻进坚硬打滑地层时，金刚石刻划岩石后产出的破碎槽很小（而当金刚石的强度允许单粒金刚石切入岩石的深度为δ 时，孕镶且上宽下窄），只有上面小部分较宽的槽能重叠联通，因而进尺缓地球地球地球地球讂357 地球技术与应用慢，细粒金刚石对岩石的破碎带截面宽度的增加有利于增加联通，层时，金刚石刻划岩石后产出的破碎槽很小，只有上面小部分较宽从而有利于坚硬打滑地层的钻进。的槽能重叠联通，因而进尺缓慢，在金刚石强度、浓度不变的情况（3）金刚石的孕镶浓度取决于金刚石的强度以及岩石的坚硬程下，细粒金刚石对岩石的破碎槽截面宽度的累加大于粗粒金刚石对度。当金刚石在某一浓度下，其最大有效压力与正常的钻压一致岩石的破碎槽截面宽度的累加，有利于增加破碎槽联通，增加进尺时，该浓度为最佳值。若浓度过低，则会因有效切入数量及有效压效率，同时，金刚石粒度小使胎体离岩粉更近，有利于胎体的“磨损” 力不够而导致破碎量降低；若浓度高于此值，虽然有效切入数量增和金刚石的出刃。加，但分给单粒金刚石的压力却有所降低，其破碎量不仅不会增加， 4.3 金刚石浓度反而有可能会降低（本文为便于计算，采用平均压力计算所得的结对于坚硬致密的岩石，应在采用高品级金刚石的基础上，适当果是破碎量没有降低），还增加了钻头的成本。由于金刚石具有脆降低浓度。岩石越坚硬、金刚石强度越低，切入岩石的深度就越小，性、怕冲击震动，而且热稳定性，受钻头制作时高温烧结的影响以有效切入岩石的金刚石就越少，破碎的岩粉就越少而无法“磨损”胎及钻进过程中无法完全避免的震动，金刚石实际的工作强度可能不体，导致金刚石无法出刃而出现打滑现象。只有增加金刚石强度，到原来的一半，在计或使用时应予考虑（本文按40%计算）。增加有效切入岩石的金刚石数量，才能有助于解决打滑现象。从表1 表2 可以看出，岩石越硬，(最佳)浓度越大；金刚石的强 4.4 胎体性能度越大，(最佳)浓度越大。对于较软的大理岩，金刚石强度为对于坚硬致密的岩石，应适当降低胎体的硬度。选择胎体的硬 15000kg/cm2 的孕镶钻头的(最佳)浓度为83% ，而对于坚硬的石英度应根据早期进尺时效，不能盲目降低。岩，金刚石强度为17000kg/cm2 的孕镶钻头在浓度为100%的情况 4.5 钻头唇面形状下仍没有达到最佳浓度。钻进坚硬致密的岩石时，采用阶梯形、尖齿形等异形钻头有利 4 孕镶钻头的设计原则于增加金刚石与岩石侧面的接触面积，金刚石与侧面岩石磨削所增根据以上的分析、计算，在计孕镶金刚石钻头时，应综合考虑加的岩粉有利于底面金刚石的出刃，有助于解决打滑现象。以下几方面： 4.1 金刚石品级参考文献岩石越坚硬致密，金刚石品级应越高。金刚石的强度越大，能 [1] 武汉地质学院主编. 钻探工艺学（上册）地质出版社 1980. 承受的压力就越大，破碎岩石的能力就越强。 [2] 张祖培刘宝昌. 碎岩工程学地质出版社 2004. [3] 孙秀梅刘建福. 坚硬打滑地层孕镶金刚石钻头设计与选用探矿工程（岩土 4.2 金刚石粒度钻掘工程） 2009 年2 月. 岩石越坚硬致密，金刚石粒度应越小。金刚石钻进坚硬打滑地上接第333 页) 排水将引起周边地下水水位下降，致使土层压缩、压密，从而导致场均值为48 mm。预测由于地下水位下降引起的地面沉降发育程度地周边地面沉降。根据《工程地质手册》(第4 版，2007)，地下水位下弱，危害小，对周边建(构)筑物潜在的危险性小。降引起的地面沉降量按下式进行估算。 4 结论与建议（1）基坑排水将引起周边地面沉降，对周边建(构)筑物产生一定 a s i h 程度的影响，影响范围大致为基坑边界外 56m ，地面沉降量为13~ i i i1 1 e0i 86mm ，平均沉降量为48mm。 -1 （2）基坑开挖前须进行专项计，尽量选择旱季施工，并尽量缩式中：S 为地面最终沉降量 (mm) ；a 为i 层压缩系数 (MPa ) ；e i oi 为第主层土的原始孔隙比；△P 为第i 层土因降水产生的附加应力短工期，同时采取

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