鄢泰寧,段隆臣,Р.К.波格丹諾夫,И.А.斯維什尼科夫

組合切削具產(chǎn)生的預(yù)破碎區(qū)對(duì)鉆進(jìn)效果的影響

鄢泰寧1,2,段隆臣1,2,Р.К.波格丹諾夫3,И.А.斯維什尼科夫3

從組合切削具將在巖石中產(chǎn)生預(yù)破碎區(qū)的論點(diǎn)出發(fā),通過實(shí)驗(yàn)定量研究了預(yù)破碎區(qū)深度與掏槽刃切入深度的關(guān)系,得出了預(yù)破碎區(qū)有利于降低巖石強(qiáng)度及巖石破碎能耗的結(jié)論,并用生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。提出了孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)Ⅶ～Ⅷ級(jí)硬巖時(shí)仍存在預(yù)破碎區(qū)和切削、微切削破巖方式,以及預(yù)破碎區(qū)并非越大越好的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)。

預(yù)破碎區(qū);組合切削具;巖石破碎機(jī)理;鉆進(jìn)效果

1 問題的提出

研究孔底巖石破碎機(jī)理是鉆探(鉆井)專業(yè)最重要的研究方向之一,是設(shè)計(jì)高效、長壽命巖石破碎工具及制定合理鉆進(jìn)規(guī)程的理論基礎(chǔ)。前人在該領(lǐng)域已做過大量工作,并取得了許多成果。但他們多是以一個(gè)切削具或一粒金剛石為觀察對(duì)象來研究在外載作用下巖石內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律和巖石破碎的條件。而在鉆探生產(chǎn)中,每個(gè)鉆頭上必然有若干個(gè)(組)切削具。因此,研究組合切削具在巖石中產(chǎn)生的預(yù)破碎區(qū)對(duì)鉆進(jìn)效果的影響,更具有重要理論意義和實(shí)用價(jià)值。

可以預(yù)計(jì),當(dāng)多個(gè)切削具同時(shí)參與破碎巖石時(shí),它們之間的相互作用將明顯降低巖石的強(qiáng)度及巖石破碎的能耗。

2 預(yù)破碎區(qū)深度及其對(duì)巖石強(qiáng)度、破巖功耗的影響

筆者曾在實(shí)驗(yàn)室用一組切削具同時(shí)作用于巖塊進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn),當(dāng)切削具之間的間距Ty達(dá)最優(yōu)值時(shí),由于多個(gè)切削具產(chǎn)生的預(yù)破碎區(qū)裂紋相互貫通,使兩個(gè)相鄰切削具之間的巖脊不用消耗附加能量就能破碎(圖1)。因此,在多個(gè)切削具相互作用下巖石破碎的能耗明顯下降。

圖1 兩個(gè)切削具共同作用下巖脊中生成貫通式裂紋的示意圖

為了研究預(yù)破碎區(qū)深度與切入深度的關(guān)系,曾安排在光學(xué)玻璃和砂巖上的切削破碎試驗(yàn)。其中,用光學(xué)玻璃來模擬花崗巖或石英巖類的彈脆性巖石,它的預(yù)破碎區(qū)用肉眼就可以直接觀察到;而砂巖中的預(yù)破碎區(qū)則用烏克蘭超硬材料研究所研制的裂紋熒光分析法作為觀察手段。

砂巖和光學(xué)玻璃中預(yù)破碎區(qū)深度hy與切削具切入深度hp之間的關(guān)系如圖2所示?？梢?砂巖預(yù)破碎區(qū)深度hy是切入深度hp的2～3倍;而光學(xué)玻璃的增長幅度更大,達(dá)5～8倍,這與其具有明顯的彈脆性有關(guān)。圖3顯示,在各向同性的光學(xué)玻璃中,切入深度hp達(dá)2 mm時(shí)預(yù)破碎區(qū)深度hy已近14 mm。

圖2 預(yù)破碎區(qū)深度hy與切入深度hp的關(guān)系

圖3 玻璃試樣切口深2 mm時(shí)出現(xiàn)的預(yù)破碎區(qū)達(dá)14 mm深

為了研究預(yù)破碎區(qū)對(duì)巖石強(qiáng)度及破巖功耗的影響,采用7B36臥式刨床改裝的試驗(yàn)臺(tái)來模擬切削破碎過程,采用前蘇聯(lián)УМПГ-3自動(dòng)記錄式標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)(圖4)來測(cè)量每次切削破碎后巖石的強(qiáng)度及破巖功耗。試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)如下:

圖4 УМПГ-3自動(dòng)記錄式標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)外形

牛頭刨行程300～700 mm,切削速度0.23 m/s (15次行程/min),牛頭二次行程中工作臺(tái)橫向給進(jìn)量3.2 mm,巖樣的最大尺寸830 mm×450 mm×700 mm。

試驗(yàn)中把5 mm×5 mm×15 mm的方柱狀BK6B(相當(dāng)于中國的YG6x)硬質(zhì)合金固定在試驗(yàn)臺(tái)刀架上,與切削面呈15°角。切削對(duì)象為150 mm ×100 mm×50 mm的砂巖塊。

開始試驗(yàn)前,先用金剛石工具磨平巖塊表面,然后,在УМПГ-3試驗(yàn)臺(tái)上用硬質(zhì)合金平頭壓模做10個(gè)點(diǎn)的壓入試驗(yàn),測(cè)出相應(yīng)的彈性極限σy(MPa)、彈性變形εy(mm)及其最大值εm(mm),彈性變形功AE和巖石破碎總功AF。分析壓頭壓入巖石的曲線,可確定巖石的彈性極限σy(MPa)及其接觸強(qiáng)度Pk(MPa)。用AF/AE之比求出其塑性系數(shù)。把這些參數(shù)作為原始數(shù)據(jù)。然后,在半封閉的條件下進(jìn)行巖石切削試驗(yàn),共切10～11層巖石,切削深度分別為1 mm和2 mm。切掉每層巖石后,都在УМПГ-3試驗(yàn)臺(tái)上取10個(gè)點(diǎn)測(cè)定上述參數(shù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表1、2,試驗(yàn)結(jié)果示于圖5。

表1 不同切削深度下破碎砂巖時(shí)測(cè)得的巖石物理-力學(xué)參數(shù)

由表1、表2和圖5可以看出,在多次切削砂巖的過程中,由于前一個(gè)切削具產(chǎn)生的預(yù)破碎區(qū)裂紋相互貫通,使巖石強(qiáng)度和破碎能耗明顯下降。因此,設(shè)計(jì)鉆頭時(shí)必須根據(jù)所鉆巖石的實(shí)際情況選擇最優(yōu)的切削具間距,使后一個(gè)切削具的切削作用能與前面切削具形成的預(yù)破碎區(qū)產(chǎn)生相互作用,使巖石破碎的能耗最小。

表2 切削砂巖的綜合破碎指標(biāo)

圖5 不同切削深度(hp)下破碎砂巖時(shí)巖石物理-力學(xué)參數(shù)與被切巖層厚度的關(guān)系

3 利用預(yù)破碎區(qū)提高鉆進(jìn)效果的實(shí)驗(yàn)研究

為了檢驗(yàn)預(yù)破碎區(qū)對(duì)實(shí)際巖石破碎效果的影響,研制了在人造金剛石孕鑲鉆頭胎體上鑲嵌АКТМ掏槽刃的“76 mm試驗(yàn)鉆頭。其中,АКТМ是烏克蘭超硬材料研究所研制的含金剛石和碳化硅的新型復(fù)合耐熱巖石破碎材料。АКТМ的物理-力學(xué)性能示于表3。試驗(yàn)鉆頭的結(jié)構(gòu)示于圖6,鉆頭4個(gè)扇形胎塊上沿同心圓均布了3個(gè)與唇面呈-20°角、直徑4 mm的圓柱形АКТМ切削單元。

表3 АКТМ的物理-力學(xué)性能

圖6 含有АКТМ鑲嵌體的試驗(yàn)鉆頭

鉆進(jìn)過程中,АКТМ掏槽刃上的金剛石超前切入巖石,在巖石上產(chǎn)生預(yù)破碎區(qū)。當(dāng)胎體和切削具中的金剛石數(shù)量搭配合理時(shí),掏槽刃預(yù)破碎區(qū)中的巖石僅出現(xiàn)大量裂紋,但并未完全破碎。這時(shí)鉆頭唇面下的鉆渣量較少,從而減輕了胎體金剛石用于重復(fù)破碎的負(fù)擔(dān)。而胎體上的金剛石隨后可以較小的能耗破碎唇面接觸的預(yù)破碎區(qū)巖石,從而明顯提高鉆探效率。

在實(shí)驗(yàn)室條件下,用鑲有АКТМ的試驗(yàn)鉆頭與金剛石牌號(hào)、粒度相似的商品鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)Ⅶ～Ⅷ級(jí)輝長巖的對(duì)比試驗(yàn)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,機(jī)械鉆速隨軸向載荷變化的關(guān)系如圖7所示?？梢钥闯?試驗(yàn)鉆頭的機(jī)械鉆速在載荷5 kN時(shí)比商品鉆頭增大了80%,而載荷10 kN時(shí)機(jī)械鉆速增長1倍以上。說明在該載荷下, АКТМ鑲嵌體(掏槽刃)產(chǎn)生的預(yù)破碎區(qū)效果最好。

在實(shí)驗(yàn)室實(shí)鉆試驗(yàn)之后,還把上述試驗(yàn)鉆頭用于野外生產(chǎn)試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為:孔深600 m,使用ЗИ“-650(相當(dāng)于中國的XY-4)型鉆機(jī),轉(zhuǎn)速在87～800 r/min范圍內(nèi)可調(diào),所鉆地層為可鉆性Ⅶ～Ⅷ級(jí)的砂巖、輝長巖和風(fēng)化花崗巖互層。

圖7 機(jī)械鉆速與軸向載荷的關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果列于表4。結(jié)果表明,鑲有АКТМ的試驗(yàn)鉆頭進(jìn)尺總量是商品鉆頭的1.6倍,而機(jī)械鉆速為商品鉆頭的1.9倍。

表4 試驗(yàn)鉆頭和商品鉆頭的生產(chǎn)試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)論

(1)組合切削具破碎巖石時(shí)產(chǎn)生的預(yù)破碎區(qū)可降低巖石的強(qiáng)度及巖石破碎的能耗。能形成階梯形孔底的鉆頭結(jié)構(gòu)有利于發(fā)揮預(yù)破碎區(qū)的作用,使巖石破碎更容易。

(2)一些學(xué)者認(rèn)為,孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)硬巖的破碎機(jī)理主要是磨削。本文的實(shí)驗(yàn)研究表明,金剛石破碎巖石時(shí)決定性因素仍是剪切過程,對(duì)于Ⅶ～Ⅷ級(jí)(甚至部分Ⅸ級(jí))巖石都可能存在著切削和磨削的組合作用過程。尤其是當(dāng)鉆頭有掏槽單元并可切入巖石時(shí),形成的預(yù)破碎區(qū)將使鉆進(jìn)效率明顯提高。本文提出的試驗(yàn)鉆頭在硬巖鉆進(jìn)中耐磨性提高63%,平均機(jī)械鉆速提高86%,就是例證。

(3)經(jīng)驗(yàn)表明,并非預(yù)破碎區(qū)越大越好。如果參與超前破碎的金剛石太多,孔底預(yù)破碎區(qū)大量裂紋提前貫通,形成大量鉆渣填充在胎體與金剛石出刃之間,使金剛石不能接觸巖石表面,而重復(fù)破碎鉆渣,不僅增大了附加能耗,而且可能導(dǎo)致燒鉆。當(dāng)胎體和掏槽切削具中的金剛石數(shù)量搭配合理時(shí),巖石預(yù)破碎區(qū)僅出現(xiàn)大量裂紋但并未貫通,從而減輕了重復(fù)破碎的負(fù)擔(dān),使機(jī)械鉆速最大,鉆頭磨損最小。

[1] 斯彼瓦克А.И.,波波夫А.Н.鉆井巖石破碎學(xué)[M].吳光琳,等譯.北京:地質(zhì)出版社,1983.

[2] Богданов Р.К.,Закора А.П.и др.Сверхтвердые материалы в геологоразведочном инструменте[M].Киев, Украина:УГГА,2003.

[3] 鄢泰寧.巖土鉆掘工程學(xué)[M],湖北武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,2001.

[4] Исаев М.И.,Пономарев П.В.Основы прогрессивной технологии алмазного бурения геологоразведочных скважин [M].Москва:Недра,1975.

[5] СвешниковИ.А.,МайстренкоА.Л.идр. Экспериментальныеисследованиявлияниязоны предразрушения на прочность горной пароды при резании [A].Сборник научных трудов[C].Киев,Украина:2009.

(1.教育部巖土鉆掘工程中心,湖北武漢 430074;2.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院,湖北武漢 430074;3.烏克蘭國家科學(xué)院超硬材料研究所,烏克蘭基輔 04074)

Influence of Pre-break Zone Generated by the Combination of Cutting Tools to Drilling Effect

YAN Tai-ning1,2,DUAN Long-chen1,2,Bogdanof P.K3,CveshikovИ.А3(1.Engineering Research Center of Rock-Soil Drilling&Excava-tion and Protection,Ministry of Education of the People’s Republic of China,Wuhan Hubei 430074,China;2.Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan Hubei 430074,China;3.National Academ yof Sciences of Ukraine, Science and Technology Diamond Concern,Kiev 04074,Ukraine)

Based on the view that the combination of cutting tools can produce pre-break zone in rock,this paper quantita-tively studies the relationship between the depth of pre-break zone and the cut depth of cutting edge.The results show that the pre-break zone can contribute to reduce rock strength and rock fragmentation energy,which is also verified by the field test results.It gets the following two academic views:there are stillpre-break zone,cutting andmicro-cutting rock breaking modeswhen drillingⅦ～Ⅷ-class hard rock with the impregnated diamond bit;the view“the bigger of pre-break zone, the better of drilling effect”is not correct.

pre-break zone;combination of cutting tools;rock fragmentation mechanism;drilling effect

P634.1

A

1672-7428(2010)12-0005-04

2010-07-14

科技部中烏國際科技合作項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):2008DFR70510)

鄢泰寧(1945-),男(漢族),江西人,中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)教授、博士生導(dǎo)師,俄羅斯自然科學(xué)院外籍院士,探礦工程專業(yè),長期從事鉆探工程的教學(xué)與科研工作,湖北省武漢市魯磨路,tnyan@cug.edu.cn;段隆臣(1967-),男(漢族),江西都昌人,中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)教授、博士生導(dǎo)師,探礦工程專業(yè),博士,從事巖石破碎與金剛石工具的教學(xué)與科研工作,duanlongchen@163.com;Р.К.波格丹諾夫(1940-),男,烏克蘭國家科學(xué)院超硬材料研究所研究員,獨(dú)聯(lián)體著名超硬材料及鉆頭研制專家,工學(xué)博士。