PDC钻头破碎岩石机理分析

韩婧

摘 要：随着我国经济的发展与人口的增长，对地下资源和矿产资源的消耗量日益增加，钻探工程的工作量也逐渐增大，因此在钻探中所消耗的岩石破碎的费用和材料损耗的费用也相当庞大，因此研究岩石破碎机理是必要的。本文简要分析了金刚石-复合片钻头（简称PDC）在单个力作用下的受力情况和PDC钻头破碎岩石的机理。

关键词：PDC钻头；破碎岩石机理

1 金刚石-硬质合金复合片的概念及发展问题

金刚石-硬质合金复合片简称PDC，是一种新型的超硬材料，通过在硬质合金底上烧结一层细粒的人造聚晶金刚石形成，不仅具有金刚石的硬度和高耐磨性，还体现出硬质合金的韧性，可以作为单独的切削单元使用，同时随着PDC钻头的进步，在一些钻探中已经得到推广。在实际的钻探过程中，破碎岩石的工具的磨损是机械碎岩中的最大问题，特别是在遇到岩石抗压强度大于150兆帕的地层，机械破岩工作很难进行，因此钻探工程必须对破碎岩石的工具进行强化，通过改变其形状和材料改善工具性能，也要深入了解破碎岩石的机理，将岩石性质、地层特征、外载条件、碎岩工具的性质等结合起来，从根本上解决问题。

2 单个PDC与岩石作用的受力分析

在PDC钻头的形成工艺中，需要将PDC片斜镶入钻头胎体中，因此，PDC钻头在钻进过程中，其受力方向是斜向压入的，从而破碎岩石。设一个斜镶的圆柱体PDC只受到法向力F的作用，并且垂直压入弹性岩石的半空间体中，将圆柱体的半径设为R，D为圆柱体的压入深度，θ为切入角，是弹性体表面与PDC轴向的夹角，如图1所示。从图中的PDC切片的压入情况来看，压头的几何形状相对复杂，为了使得计算相对简单，可以将F1分解为两个部分，一部分是圆柱体面压入岩石的压力FN1，另一部分是圆柱体底面压入的压力FN2，根据圆柱体的接触情况分析，分别对接触压力FN1，FN2进行求解，求得在FN1方向上的最大压入深度是d1=，圆柱面的最大的接触区域的长度CD为l-l1+l2cosθ=。

当一个斜镶的圆柱体PDC只受到切向力的作用，在PDC在法向压入一定深度后，在切向力的作用下产生了水平位移S。因为在实际的切削过程中，PDC后侧的受力相对较小，因此忽略不计。在切向力作用的情况下，主要考虑岩石与PDC切片在前端的接触压力以及PDC切片在底部与岩石的摩擦力。

3 PDC钻头的破碎岩石机理分析

岩石破碎机理的分析需要将地层条件，外部载荷的条件、破碎工具条件以及岩石的特性等结合起来，不仅要研究岩石破碎的形式和效果，还要研究岩石在破碎前和破碎后的变化趋势及其应力状态。岩石力学性质是岩石的基本性质，岩石的应力与应变的关系是了解岩石的基础，其中岩石的单轴抗压强度是指在周围无其他压力作用下，仅受到轴向压力作用的岩石被破坏时，轴向压力与面积的比值，即：σc=；岩石的硬度是指岩石在集中载荷的作用下产生局部变形或者破碎的能力，用接触压力与接触面积之比表示，即：σK=；岩石的脆塑性是指岩石在破坏时发生脆塑性破坏的倾向，对岩石的钻进效果和破碎效果有显著的影响。在实际钻进过程中，PDC钻头可以破碎的地层为软-中硬地层，在一般情况下，PDC钻头的破碎方式是以切削、剪切破坏为主，以挤压破坏为辅，具体的破碎机理会随着地层的不同而变化。PDC钻头破碎岩石的轴向载荷和岩石压入深度的关系如图2所示。

图2 轴向力与切入深度的关系图

在开始的AB阶段，岩石在压力的作用下形成压实的岩体，并且轴向压力与压入深度与理论一致，但是，在B点处，岩石破碎轨迹与理论曲线产生偏移，因为在B处产生了脆性裂纹，在BC阶段，因为岩石表面破碎的岩屑乱飞，导致岩石的轴向载荷减小，在CDE阶段，由于岩石的进一步破碎，岩石产生较大的裂纹导致了大规模的破碎，使得压力深度进一步增加，在随后的EG阶段，随着外载荷的进一步增大，PDC钻头重复着压裂和破碎的过程，完成一次完整的破碎阶段。因此PDC鉆头在破碎岩石过程中，压入深度与外加载荷不是成线性关系的，载荷会有减小再增大的过程。当PDC钻头在垂直载荷下破碎岩石时，刚开始时在PDC底部产生极限状态，从而压入一定深度，之后随着接触面积的增加，需要加大压力，随后产生裂隙，进而产生大的破碎。当PDC钻头在水平力的作用下破碎岩石时，在切削端前面的压力分布是不均匀的，当裂隙受到压力和拉力的同时作用时，裂纹会相互贯穿，形成一个大的剪切面。在实际工作过程中，PDC钻进岩石不仅与外部载荷和岩石性质有关，而且与PDC切削片的数量和空间排列方式有关，因此在布置PDC切片时，需要具有合适的距离，才能达到良好的切削效果。

4 结论

岩石的破碎机理是钻探过程中的理论基础，用来设计长寿命的、高效率的和最佳的破碎岩石的钻头。本文通过分析PDC钻头在垂直作用力和水平作用力下的PDC与岩石之间的接触压力，并且简要分析了PDC钻头的破碎岩石机理，通过对PDC钻头的综合分析，在钻探过程中，可以根据实际情况选用相应的PDC钻头，不仅提高了钻探工作效率，而且节约成本和资源，提高材料的利用率。因此在以后的PDC钻头设计中，要与PDC钻头破碎理论相结合，推动PDC钻头的发展。

参考文献：

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