PDC 绳索取心钻头与全面钻头的特性分析

国内外钻探经验表明，采用复合片制造地质勘探绳索取心钻头和不取心全面钻头是非常有前景的方向。这些钻头与前述钻探工具的主要差异在于钻头底端的厚度不同。

正如许多文献指出的那样，钻头底端厚度将对钻探工具的钻进效果和机械钻速产生很大影响。一般情况下，机械钻速与端部厚度成反比。

乌克兰超硬材料研究所曾进行的三种厚度59孕镶金刚石钻头(厚度分别为6.5、8.5和11.8mm)对比试验也表明，机械钻速随着端部厚度增大而下降。并且钻速的下降不仅发生在钻头轴向载荷恒定的条件下，而且发生在比压(端面金刚石层单位面积上的载荷)恒定的条件下。图3－20中绘出了不同端面厚度的59mm钻头机械钻速的试验结果。由此可以看出，在载荷恒定的条件下，随着端面厚度由6.5mm增至11.8mm，钻头的机械钻速剧烈地下降为原来的1/3。而当比压恒定时机械钻速下降为原来的1/2。

图3－2059mm金刚石孕镶钻头机械钻速与端部厚度的关系

随着端部厚度增大，孕镶金刚石钻头钻进过程的功耗、扭矩和破碎单位体积岩石的功耗也增大。由给出的试验数据可以推测，如果用复合片制造单管取心标准钻头，它在实钻中将取得更好的效果。同时，在分析大切削具单管取心钻头的岩石破碎机理时，我们已指出，功耗量在很大程度上取决于钻头端部结构决定的切削方式。即，在环形孔底中的全封闭式和有自由面的边角半封闭式两种能耗不同的切削方式。对不取岩心的全面钻头而言，可供选择的切削方式有:平底型端面的全封闭式和边角处的半封闭式，其中后者的能耗较小。

下面我们来研究不同形式的复合片钻头能耗问题。为此，曾用3种类型的钻头在转速125r/min，轴载由2.5kN至15kN变化的条件下，进行钻进Ⅸ级砂岩的对比试验。表3－10列举了3种钻头的对比试验结果，其中包括端部厚度9mm的单管钻头、端部厚度24mm的绳索取心钻头和带中心冲洗小孔端部厚度33mm的全面钻头。

表3－10 三种复合片地质勘探钻头的室内对比试验结果

由表3－10和图3－21可以看出，在同样的轴向载荷下，端部厚度33mm的复合片全面钻头的机械钻速最高，而端部厚度9mm的取心钻头机械钻速最低。在这些数据中，钻进过程的功耗差别并不大。对比图3－20和3－21的曲线可以看出，金刚石孕镶钻头和切削型复合片钻头的岩石破碎机理是不同的，并且存在着不同的规律性。对于金刚石孕镶钻头而言，机械钻速与钻头端面厚度成反比，而PDC钻头的机械钻速随着钻头端面的加厚反而有所增大，尤其是大厚度的全面钻头增大更显著。

必须指出，功耗和扭矩值随着端部厚度的增大而增长，但这种增长并不十分明显，而单位体积的能量消耗却明显降低。从岩石破碎所需的能耗来看，效果最差的是端部厚度9mm的单管取心钻头，而效果最好的是不取心全面钻头，它的单位体积破碎功是端部厚度9mm单管钻头的1/5，是绳索取心钻头的1/2。我们认为，这可解释为，端部厚度9mm的单管钻头工作时，因为环形孔底的宽度略大于9mm，而使用的切削具是直径8mm的复合片，所以切削具在孔底的工作状态接近于全封闭的破碎方式，不可能为岩石裂纹扩展和破碎屑“飞出”创造自由面。

PDC绳索取心钻头的切削方式比较有利，所以在不同规程参数条件下机械钻速几乎变化不大。由于该钻头的端部厚度为24mm，而所用的切削刃直径为13.5mm，所以端面上的切削具可以错开布置，使它们之间的距离最合理，从而可在环形孔底内为岩石破碎提供自由面，促使其更有效地崩离，结果使能量消耗处于较低的水平。

全面钻头工作时，可以在孔底观察到有方格状或蜂窝状的切削痕迹，说明已进入半封闭状切削破碎方式。在这种破碎方式下，复合片与岩石的接触面较小，同样摩擦力和能耗量也较小。虽然全面钻头破碎的孔底面积比取心钻头大1.5倍，而在相同载荷下全面钻头的机械钻速却比取心钻头高1～2倍。

上述实验研究的结果表明，复合片钻头可用于不同的地质条件，在中硬和部分硬岩石中具有很好的钻进能力。研制复合片钻头时，必须努力营造能耗量较小的切削方式。从这个观点出发，可以认为更有前景的是复合片全面钻头。

图3－21 复合片钻头机械钻速与端部厚度的关系

为了探讨全面钻头的岩石破碎机理，乌克兰专家曾在实验室允许的参数可调范围内进行台架试验。试验共使用6个复合片全面钻头(刃部修磨过)，钻进对象是具有弹塑性破碎特征、可钻性Ⅸ级的研磨性砂岩块。试验过程中保证复合片工作在自锐的工作状态下，不因复合片进入临界磨损状态而降低钻进速度。

试验的结果列于表3－11。为了更完整，表中列出了通过实验和计算建立的一些过程特征参数，其中包括功耗值、切向力和轴向载荷以及它们之比(切削力系数)，单位接触面积上的切向力和消耗在1cm3岩石破碎上的单位体积破碎功等。

试验过程中曾设定以1.6mm/r的给进量钻进，但是在这种条件下修磨过的复合片经常被损坏，不可能保持自行磨刃的工作状态和稳定的工作性能，所以表中罗列的是在给进量由0.1至1.0mm/r条件下全面钻头的试验结果。

由表3－11可看出，每转给进量确定了所需轴向载荷的大小。随着给进量由0.1增至1.0mm/r(增长10倍)轴向载荷也由11增至50kN(增长4～5倍)。当以不同的转速和相应的线速度试验时(这时并未改变轴向载荷的大小)，切向力基本上取决于每转给进量的大小，随着给进量增大10倍，切向力也由2增至5kN(增长1～2倍)。但是，切向力明显受到转速的影响。当转速由125r/min增至315r/min(为2.5倍)时，切向力降低为原来的70%～90%。在转速由125r/min增至315r/min的条件下，给进量为0.1mm/r时，切向力由2.4kN减至1.75kN;而给进量为1.0mm/r时，切向力由5.5kN减至5.15kN。

轴向载荷和切向力与机械钻速、每转给进量的关系示于图3－22。绘制的曲线表明，随着给进量的增大，轴向载荷和切向力也缓慢增大。

根据用未经修磨复合片制成的全面钻头试验结果，可以绘出关系曲线图3－23。由曲线可看出，未经修磨的复合片全面钻头也表现出相同的特性。实际的切向力也具有这样的变化规律。

获得的试验数据说明，PDC切削具与岩石的接触面积不仅对孔底岩石破碎过程具有显著影响，而且对增大给进量条件下切向力的变化特征也存在着显著影响。

在生产条件下PDC全面钻头与牙轮钻头的对比性试验结果见表3－12。

PDC全面钻头钻进厚砂岩层时机械钻速曾达16m/h。钻进砂质页岩和粉砂岩时速度下降并在3.7～9.0m/h的范围内变化。钻进厚度为0.7～1.0m的单一薄层粘性泥质页岩时速度下降为1.3m/h。PDC全面钻头钻进以上各类岩石的平均钻速为5～8m/h，明显超过采用牙轮钻头和孕镶金刚石全面钻头的钻进效果。其中，牙轮钻头的平均机械钻速为2～4m/h;而金刚石钻头为1～2m/h。