关于金刚石钻头唇面的合理接触压力分布

研制新型人造金刚石孕镶钻头时，不能不研究轴向力在工作面金刚石间的分布问题。通过对该问题的调研可知，目前人们对于轴向力如何影响金刚石在钻进过程中的寿命问题还研究得很不够。作者曾提出一些基本假设，来详细评价和研究金刚石钻探工具与岩石的相互接触作用:

(1)考虑到钻探工具中心部分和圆周部分破碎孔底岩石的条件有明显差异，所以在钻进过程中轴向载荷将沿破岩工具工作端面重新分配，使远离钻头中心的地方轴向比载荷下降。

(2)在金刚石孕镶钻头工作过程中，轴向载荷不是沿整个含金刚石的胎体表面分布，而是在那些已从胎体中出刃，且出刃一样高的金刚石上重新分配。

(3)当钻进过程中出现脆性破坏和研磨磨损时，对金刚石寿命起主要影响的是分配在一粒金刚石上实际轴向力的大小，尤其是使用人造金刚石的情况下该影响更为显著。

(4)钻头胎体表面实际轴向力的分布特性既取决于所钻岩石的性质和所用的钻进规程，又取决于胎体的基本结构参数:工作端剖面，扇形块数量和冲洗水口的结构。

考虑到上述情况，可提出计算单粒金刚石上分配的轴向比载荷的公式:

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

其条件是

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

式中:Po为钻进中在钻头工作端金刚石上作用的轴向载荷值;Re，Ri分别为钻头胎体的外半径和内半径;r为瞬时半径;nv为冲洗水口的个数;Pyi为与金刚石平均粒径对应的岩石压入硬度;Pp.m.i为当加热至t=1150℃时金刚石颗粒上可能出现的破坏载荷;a，b为取决于钻头结构的常量。

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

式中:φe，φi分别为冲洗水口的坐标角(图7－7);Z为金刚石颗粒在胎体工作端面的密度:

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βP(ti)为由公式确定的金刚石利用系数:

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

式中:kp为岩石破碎系数;Po为钻进中金刚石钻头工作端面上的轴向载荷;Py为岩石的硬度;dcn为金刚石颗粒尺寸的加权平均值;ka为考虑金刚石颗粒形状的系数;B为考虑钻头工作端剖面形状的系数;Sn为平底钻头胎体表面积;K为钻头胎体中人造金刚石的体积浓度;hb为金刚石突出于胎体的高度h( );N为1克拉金刚石颗粒的数量;Dcp为钻头胎体的平均直径;m为含金刚石胎体扇形块的数量;ln为在钻头平均直径处冲洗水口的宽度。

图7－7 冲洗水口的形式

基于上述假设并注意到，金刚石在胎体上凸出高度的分布特征与钻进中金刚石受到的轴向力分布特征相关。可以得出结论，出刃最高的金刚石承受的载荷比其他金刚石高几十倍，而且很快被破坏。如果保证金刚石在胎体上的出刃更均匀，则可延长金刚石钻头的寿命。

在钻头工作过程中，金刚石颗粒在钻头工作端面上形成的是不连续的切削刃。当然在不同工作阶段只是部分金刚石颗粒露出来，其最大的出刃高度和平均出刃高度取决于金刚石粉料的质量、钻头的结构参数、钻进规程和所钻岩石的物理力学性质。

回转钻进中金刚石的工作能力在很大程度上取决于其能否承受大的弯曲应力。考虑到金刚石的抗弯强度明显低于抗压强度，我们就可确定最大出刃的临界值。

当单粒金刚石在轴向载荷和回转运动作用下切入岩石时，沿孔底半无限体表面的弯曲应力为

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

式中:Mu为作用在单粒金刚石切削刃上的弯矩，N·m;W为抗弯截面系数，m3。

这时Mu可由下式求出:

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

式中:fT为金刚石与岩石的摩擦系数;Ha为金刚石在胎体上出刃值，m;Za为考虑凸出于胎体并参与破碎岩石的有效金刚石颗粒数量的系数:Za=0.17～0.20。

(7－25)式的部分

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就是使金刚石切入深度ha所需加在单颗金刚石上的轴向载荷Pa。

确定轴向载荷Pa的公式有

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

式中:Θ为岩石常数，Θ=(1－μ2)/E，m2/N;μ为泊桑系数;σp为岩石抗拉强度极限，Pa;E为岩石弹性模量，Pa。

把(7－26)式代入(7－27)式，由(7－25)式可得

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

假设，钻头上金刚石的基本形状是球形。于是，最大出刃高度的金刚石颗粒抗弯截面系数W为

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式中:Jx为惯性矩，m4。

把(7－28)式和(7－29)式代入(7－24)式得到

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按(7－30)式，金刚石受弯时(破碎岩石时金刚石被剪断的情况除外)强度极限应符合下述条件:

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

式中:ψ为抗弯强度极限和抗压强度极限相互耦合的系数，ψ=0.1～0.25;σb为金刚石的抗压强度极限，Pa;PpH为在金刚石颗粒上的破坏载荷，N;Sa为金刚石颗粒的横截面面积，m2;KTn为人造金刚石的热强度系数

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式中:PpH(Tou)为金刚石颗粒被加热到钻头制造温度之后，承受的破坏载荷，N;PpH(Tooc)为金刚石颗粒未被加热(室温)时的破坏载荷，N。

对比(7－30)式和(7－31)式，变换之后得出确定金刚石在胎体上最大出刃值的表达式

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

由(7－33)式可以看出，钻头工作端金刚石的最大出刃高度取决于其强度和尺寸。在这个条件下，取决于所钻岩石物理力学性质及轴向载荷的切入深度ha值与金刚石在胎体的最大出刃高度成反比。

当确定单个金刚石颗粒切入岩石深度ha时，必须注意保证钻进过程中岩石处于体积破碎

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

式中:Pa为单个金刚石颗粒上的载荷，N;Ska为岩石破碎过程中金刚石与岩石的接触面积，m2。

钻头在孔底回转时，金刚石与岩石接触仅是其前半球表面的部分。在这种情况下Ska可写为

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

式中:Ra为金刚石颗粒的半径，mm。

把(7－26)式和(7－35)式代入(7－34)式，变换后得到

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

式中:N为每克拉金刚石颗粒的数量，粒;K为胎体中的金刚石相对浓度。

由(7－36)式可见，金刚石切入岩石的深度取决于钻头轴向载荷，岩石的物理力学性质(压入硬度)，胎体中金刚石的粒度和浓度。

分析(7－28)、(7－33)和(7－36)式可以看出，轴向载荷作为主要参数的一般规律，轴向载荷增大一方面可提高岩石破碎效果，但另一方面也会增大比接触载荷的切向分量，同时使金刚石在胎体出刃量下降。

由此，可以确定钻进参数对钻头胎体磨损强度和金刚石出刃高度的影响。曾安排在斯堪的纳花岗岩中的钻进试验，在维持恒定机械钻速的条件下钻进参数组合如表7－8所示。

表7－8 钻头在恒机械钻速(1.6m/h)和不同转速与每转进尺量条件下的钻进结果

随着破碎强度增长，破碎岩石的体积(即相同转速条件下的每转进尺)也增大，从而使钻头工作端下面的岩屑浓度增大，并恶化钻头的冷却条件。在这种情况下，随着轴向载荷增大而增长的比接触载荷强化了钻头与岩石的摩擦力。上述分析表明，随着每转进尺、破岩体积增大，单位体积破碎功也增大，这就证明供给孔底的机械能利用效率变低了。

在这种情况下，大量的机械能消耗于克服金刚石层工作表面与岩石和岩屑的摩擦力。机械能变成了热能，并引起钻头与孔底接触处的温升。

因为金刚石胎体中的最大出刃高度不会超过颗粒直径的1/3～1/2，也就是说实际出刃是很小的，又由于岩石破碎强度和破碎体积增大进一步提高了岩屑的浓度，所以促使岩屑积累在孔底区域，它们与胎体表面的接触量大增，结果导致磨损强度增长。摩擦力和温度增长，促进与岩石接触的金刚石刃部显微硬度下降，从而引起它们急剧龟裂和剪断。因此，金刚石的出刃高度下降，胎体和孔底间的间隙减小又进一步促使岩屑积累。

这样一来，为了追求机械钻速采用高轴向载荷时，由于岩石破碎的切向力分量增长使金刚石颗粒剪断，将导致金刚石在胎体上的最大出刃量下降。与此同时，钻头工作端的比载荷增大，同样恶化了孔底接触区岩屑的清洁，促进摩擦力增大，破坏了钻头的正常工作状态，并过渡到临界状态，从而将极大地增加钻头胎体磨损。