仿生非光滑原理及其在金剛石鉆頭中的應用

徐 良, 高 科

(1.中國地質大學(北京),北京 100083; 2. 吉林大學,吉林 長春 130026)

0 引言

當前,高速度的經濟發展使得全球能源需求量變得越來越大,人們需要不斷地從地下勘探開采石油、煤、天然氣以及各種固體礦產材料。隨著勘探工作量的增加,勘探開發的難度越來越大,鉆孔越來越深,地層越來越復雜,因此對鉆探工具的要求越來越高,尤其對破碎巖石的鉆頭來說,是個巨大的考驗。“仿生學(Bionics)是模仿生物原理來建造技術系統,或者使人造技術系統具有類似于生物系統特征的科學”[1]。仿生學是生物科學與技術科學之間發展起來的一門重要的新興邊緣學科,仿生技術被認為是原始科技創新的不竭動力和源泉,是發展高新技術的重要手段[1]。將仿生學技術引用到鉆探工程中來,特別是將生物表面非光滑技術引用到破碎巖石的鉆頭設計中來,將是對金剛石鉆頭的一次技術革新;它不但填補了仿生非光滑理論在巖石接觸界面中研究的空白(在空氣、水和土壤的接觸界面都已成功應用),還將為鉆探工程技術的發展提供創新的源泉。

1 仿生非光滑理論

1.1 生物非光滑表面形態

生物非光滑普遍存在于自然界中,無論是陸地、海洋或天空中的生物,其表面的不同形態往往都是為適應不同的生活環境需要而進化成的[2]。天空中飛行生物的體表或翅膀并未進化為光滑的表面或翼膜,而是由羽毛組成的低能量非光滑表面;水中生物的體表,尤其是行動敏捷的生物,其體表也是由鱗片或皮下結締組織構成的非光滑表面;土壤中的動物在粘附最強的黏土和土壤條件下,活動自如而毫不粘土,這也與其特殊的非光滑體表形態有關。

自20世紀以來,許多學者開展了對生物體表非光滑表面的研究,結果表明：生物體表存在著多種形態的幾何非光滑結構,結構單元的形狀有凸包形、凹坑形、波紋形和鱗片形等[3-4](圖1)。

圖1 生物體表非光滑體表形態

1.2 生物非光滑表面特性

在物理學中一般認為,在光滑的界面上,運動阻力小、速度快。但仿生學領域的研究卻發現,非光滑表面具有防粘脫附、減阻、耐磨的功能。所謂非光表面,是指在一光滑表面上至少在某一方向上存在引起非光滑效應的宏觀區域的表面,它是存在于系統中影響切向阻力的各種因素。由于非光滑效應的不同而產生了幾何非光滑表面、力學非光滑表面、化學非光滑表面和動態非光滑表面[5]。

按生物進化論,生物生長中會受到外力的作用或刺激,這些外力的刺激不可能是均勻地、全面地覆蓋于其全部體表,部分反復經受刺激作用的部位可能就會出現不但高強,而且還耐磨的凸起或凹坑,最終進化成形態各異的非光滑生物表面。基于同樣的邏輯,生物非光滑高強耐磨體表也正是這些生物在其生存的自然環境中長期經受不均衡外力刺激或作用的結果。如穿山甲鱗片的非光滑表面能抵抗土壤和巖石的磨粒磨損;海洋生物如河灘貝殼非光滑表面,能承受海水和砂粒的沖刷作用;動物牙齒的非光滑表面,能嚼碎堅硬的食物[6]。

2 仿生非光滑技術的應用

2.1 防粘脫附特性的應用

吉林大學研究人員在定量分析研究蜣螂非光滑結構幾何單元的基礎上,采用計算機仿真模擬,隨機分布幾何結構單元,并采用表面改形和表面改性有機結合的方法,利用普通35鋼犁壁加工出了非光滑的仿生機引犁壁[7],如圖2所示。在運動狀態下,減小粘附界面,該犁壁非光滑表面降低真空負壓,造成土壟微振,產生降阻減粘效應。仿生犁壁經田間試驗表明,在相同條件下,仿生犁壁比普通犁壁可節油5.6%～12.6%,減小犁耕阻力15%～18%。研究人員還模擬蜣螂頭前部“推土板”密布球冠形小突起的幾何特點,在簡化的推土板上按一定要求均布若干個球冠形小突起的仿生推土板,該仿生推土板比普通推土板減粘29.3%。

2.2 減阻特性的應用

鯊魚在海洋里已經生活了3.5億年,游動速度超過70 km/h。科學家在顯微鏡下研究深海鯊魚皮膚時,意外地發現鯊魚的鱗屑是扇形的,而且有小槽(圖3a)。科學家們把數百個模型鱗片按不同的角度裝配,形成了一個人造的測試表面。測試的結果表明：摩擦損失比光滑表面小10%,這項新發現馬上找到了技術應用[8]。悉尼奧運會,幾乎大半以上的游泳金牌得主都是鯊魚泳裝(圖3b)的使用者。第一代鯊魚泳裝模仿了鯊魚的皮膚,在泳衣上設計了一些粗糙的齒狀突起,以有效地引導水流,并收緊身體,避免皮膚和肌肉的顫動。第二代鯊魚泳裝又增加了一些新的亮點,加入了一種叫做“彈性皮膚”的材料,可使人在水中受到的阻力減少4%。此外,還增加了兩個附件,附在前臂上由鈦硅樹脂做成的緩沖器能使運動員游起來更加輕松;附在胸前和肩后的振動控制系統能幫助引導水流。

圖3 鯊魚皮表面結構及仿鯊魚皮泳裝

2.3 耐磨特性的應用

生物非光滑除具有減粘和降阻特性外,還具有耐磨的特性。非光滑結構可減少移動部件間磨損,Nakada M[9]對一種典型的發動機調查發現,大約40%的能量被發動機的摩擦力所消耗,而在發動機的零部件中,摩擦損失最大的是活塞環及氣缸套系統,占50%～60%,適當的潤滑及表面粗糙度是減小活塞環及氣缸套系統摩擦力的關鍵。為此,各國學者作了大量研究,A.Ronen 等[10]用不同大小的凹坑表面代表活塞環模擬活塞環及氣缸套系統,研究結果表明,非光滑表面試件的平均摩擦力比光滑表面試件的平均摩擦力減小30%,甚至更多。

近年來,吉林大學研究人員為提高熱軋輥的耐磨性,采用特殊調制的高重復頻率、高能量密度的大功率YAG脈沖微光束作用于軋輥表面,使其產生一定非光滑形態以實現非光滑耐磨。目前可實現的非光滑形態主要有凹坑、凸包[11]。應用表明,熱軋輥經激光處理成非光滑形態后,其使用效果和壽命明顯提高。在20輥森吉米爾型軋機上用熱軋低碳鋼鋼板,非光滑軋輥(圖4)壽命比普通軋輥提高3倍以上;用平整退火低碳鋼鋼板,其使用壽命可比普通軋輥提高5倍以上,甚至超過10倍。在普通的二軋輥機上用非光滑軋輥熱軋高強度65Mn彈簧鋼,其壽命是普通軋輥的2～3倍。

圖4 仿生軋輥

3 仿生非光滑金剛石鉆頭研制

仿生金剛石鉆頭應用了仿生學的非光滑表面耐磨、減阻特性,模仿蜣螂前胸背板存在凹坑更耐磨這一特點,將孕鑲金剛石鉆頭的底唇面設計成非光滑的表面。實際上仿生孕鑲金剛石鉆頭是將表鑲金剛石鉆頭的宏觀非光滑與孕鑲金剛石鉆頭的微觀非光滑結合起來、模擬生物表面非光滑特性的一種新型鉆頭。

3.1 鉆頭結構設計

設計Φ75 mm仿生孕鑲金剛石繩索取心鉆頭4個,分別為仿生1號～4號,其鉆頭結構參數如下：鉆頭外徑Φ75 mm,內徑Φ49 mm,8個水口;另外為了對比研究,試驗使用的普通金剛石鉆頭1個設為普通1號。

非光滑度是仿生金剛石鉆頭特有的參數,即仿生非光滑結構的面積占鉆頭底唇面積的比例。如圖5所示,鉆頭在碎巖的時候,仿生非光滑材料與鉆頭胎體相比屬于較軟材料,其磨損速度快于鉆頭胎體,形成凹坑。根據前期的數值仿真模擬[13],當非光滑度為13%時,鉆頭的耐磨性和碎巖效率是最高的,因此本文選擇鉆頭的非光滑度為13%,其凹坑結構分布如圖6所示[12-13]。

圖5 仿生鉆頭底唇面與巖石接觸示意圖

圖6 鉆頭非光滑結構分布圖

3.2 鉆頭材料參數

鉆頭所用胎體配方是以鎢鈷基為主的663配方,胎體硬度為HRC35～37。鉆頭選擇金剛石濃度(金剛石體積分數)為75%和100%兩種,金剛石粒度為45/50#和60/70#兩種,如表1所示。

表1 金剛石配方

3.3 鉆頭加工工藝

仿生鉆頭采用熱壓燒結工藝,與普通鉆頭不同的是仿生鉆頭需增加一套制作非光滑表面的工藝,即在鉆頭單個胎體塊中嵌入Φ1 mm～Φ3 mm、一定數量的石墨條或其他耐高溫材料;最后在中頻熱壓燒結爐中燒結,燒結溫度980 ℃,壓力15 MPa,保溫時間5 min;最后加工水口和水槽,形成成品鉆頭,如圖7所示。

圖7 仿生金剛石鉆頭

3.4 野外試驗

(1)地層信息

仿生鉆頭在山東招遠某金礦進行鉆孔試驗,試驗地層為中粗粒花崗巖,部分夾薄層石英巖,普通鉆頭在該地層有打滑現象發生;其中花崗巖內含零星黃鐵礦,地層漏失較為嚴重,遇礦前后地層破碎,屬于典型的復雜地層,巖心如圖8所示。

圖8 巖心照片

(2)巖石硬度測試

取現場巖樣使用WXY-1型巖石硬度壓入計測試巖石的硬度,如圖9和表2所示,巖石的可鉆性級別為8～9級。

表2 巖石硬度測試結果

圖9 巖心硬度測試

(3)鉆進參數

選用XY-4鉆機,鉆壓為15 kN,轉速800 r/min;泥漿泵型號為BW-250,泥漿流量為45～55 L/min,泵壓2.5～3.0 MPa。

(4)試驗結果

現場鉆孔深度從15.30 m開始依次下入普通1號、仿生1～4號鉆頭,共鉆進219.02 m;鉆頭壽命和平均機械鉆速如表3所示。

表3 鉆頭壽命及平均機械鉆速

從圖10可以看出,在相同配方、相同制備工藝和相同鉆進規程下,仿生1號鉆頭與普通鉆頭相比,鉆速提高29.1%,壽命提高35%;金剛石粒度不變,濃度增加25%的仿生3號鉆頭,鉆速較普通鉆頭提高10.4%,壽命大幅提高56.7%;綜合對比上述所有鉆頭,當金剛石粒度為45/50#,濃度100%時,鉆頭綜合性能最優,體現出仿生非光滑結構效率高、更耐磨的特性。

圖10 鉆頭壽命和平均機械鉆速對比圖

通過仿生鉆頭的野外試驗證明,非光滑形態在與巖石接觸的界面系統中,也同樣顯示出非光滑結構在巖石介質的界面系統中的降阻、耐磨的優點,并且其效果更加明顯。仿生鉆頭磨損后的照片如圖11所示,其底唇面分布有一系列的凹坑,研磨過程中可增加摩擦界面的空間,容納部分磨屑,防止巖屑在孔底重復磨損鉆頭;并且能改善接觸面的應力狀態,凹坑儲液能改善鉆頭濕潤條件。通過凹坑結構在鉆頭碎巖過程中的磨屑捕集效應、儲液效應和應力均化效應,達到鉆頭提高效率和增加耐磨性的目的。

圖11 仿生鉆頭磨損后的凹坑

但是仿生鉆頭的非光滑結構為強度較低材質,加入后客觀上削弱了鉆頭胎體的整體強度,因此本文中的仿生4號鉆頭,在鉆進過程中出現了胎塊破裂的情況,導致鉆頭壽命較低,僅有24.5 m。因此,合理選擇仿生非光滑結構的材料和數量,在仿生鉆頭的設計中顯得尤為重要。

4 結語

(1)仿生非光滑理論應用到金剛石鉆頭的設計中,為金剛石鉆頭的發展提供了新的思路。

(2)通過對仿生非光滑金剛石鉆頭的試驗可知,具有非光滑結構的鉆頭耐磨性更強。如在同樣配方、同樣制備工藝和同樣鉆進規程下,非光滑仿生鉆頭比普通鉆頭的平均機械鉆速提高10%以上;鉆頭壽命提高30%以上。

(3)仿生非光滑結構形成的凹坑,具有儲液功能,有利于鉆頭的冷卻;凹坑還有一定的儲屑功能,削弱巖屑對鉆頭底唇面的重復磨損;因此間接增加了鉆頭的耐磨性。凹坑結構使鉆頭底唇面接觸巖石的面積減小,在同等壓力作用下巖石的受力增加,有利于碎巖,因此增加了鉆頭的效率。

(4)仿生非光滑結構所具有的防粘、脫附和耐磨特性在鉆探工程中有廣泛的應用前景,可用于解決鉆頭泥包問題,提高泥漿泵活塞、鉆桿接頭和鉆頭的耐磨性等。