PDC鉆頭破碎巖石機理分析

韓婧

摘 要：隨著我國經濟的發展與人口的增長，對地下資源和礦產資源的消耗量日益增加，鉆探工程的工作量也逐漸增大，因此在鉆探中所消耗的巖石破碎的費用和材料損耗的費用也相當龐大，因此研究巖石破碎機理是必要的。本文簡要分析了金剛石-復合片鉆頭（簡稱PDC）在單個力作用下的受力情況和PDC鉆頭破碎巖石的機理。

關鍵詞：PDC鉆頭；破碎巖石機理

1 金剛石-硬質合金復合片的概念及發展問題

金剛石-硬質合金復合片簡稱PDC，是一種新型的超硬材料，通過在硬質合金底上燒結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，還體現出硬質合金的韌性，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、地層特征、外載條件、碎巖工具的性質等結合起來，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片斜鑲入鉆頭胎體中，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，根據圓柱體的接觸情況分析，分別對接觸壓力FN1，FN2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生了水平位移S。因為在實際的切削過程中，PDC后側的受力相對較小，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力狀態。巖石力學性質是巖石的基本性質，巖石的應力與應變的關系是了解巖石的基礎，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系如圖2所示。

圖2 軸向力與切入深度的關系圖

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生偏移，因為在B處產生了脆性裂紋，在BC階段，因為巖石表面破碎的巖屑亂飛，導致巖石的軸向載荷減小，在CDE階段，由于巖石的進一步破碎，巖石產生較大的裂紋導致了大規模的破碎，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底部產生極限狀態，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，隨后產生裂隙，進而產生大的破碎。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有關，而且與PDC切削片的數量和空間排列方式有關，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。

4 結論

巖石的破碎機理是鉆探過程中的理論基礎，用來設計長壽命的、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，可以根據實際情況選用相應的PDC鉆頭，不僅提高了鉆探工作效率，而且節約成本和資源，提高材料的利用率。因此在以后的PDC鉆頭設計中，要與PDC鉆頭破碎理論相結合，推動PDC鉆頭的發展。

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