金刚石压入岩石全过程研究*

2018-11-30叶纪超沈立娜杨甘生孙吉伟

金刚石与磨料磨具工程 2018年5期

叶纪超，沈立娜，杨甘生，孙吉伟

(1. 中国地质大学(北京)，国土资源部深部地质钻探技术重点实验室，北京 100083)(2. 北京探矿工程研究所，北京 100083)

在地质钻探、石油钻探以及工程钻探中，金刚石钻头的应用越来越广泛。在利用金刚石钻头钻进的过程中，金刚石是钻头切削的主要部分，因此其参数的选择至关重要。其中，金刚石的品级和粒度影响着钻头胎体在钻进过程中的磨损速率和金刚石的出刃状态，进而影响钻进效率[1>- 2]。另外，金刚石钻头的钻进过程会随着岩石性质、工作状态等因素的改变而变化，如在钻进坚硬致密地层时会出现打滑现象，在钻进弹塑性泥岩地层时，其钻进效率极低[3>- 5]等。因此，在优化设计金刚石钻头时，不仅要选择金刚石参数，更要了解金刚石在压入岩石过程中二者之间的相互作用关系，为金刚石钻头用金刚石的选择提供依据[6]。

1 试验方法

为了研究金刚石与岩石相互作用的过程和现象，通过金刚石压入岩石及破碎的全过程试验，总结出金刚石压入岩石的破碎规律。

1.1 试验设备与材料

(1)用微机控制的WDW>- 100电子万能试验机进行压入试验以及压力、变形量等数值的采集；(2)Stemi DV4体视显微镜观察筛选的金刚石以及压入后岩石、金刚石的破碎状态，试验压头是一个中间镶有金刚石复合片的圆柱形压头；(3)选用粒度号分别为18/20、20/25、35/40的 3种金刚石，金刚石晶型完整、无杂质；(4)选用4种不同硬度的岩石，分别为泥岩、粉砂岩、石英岩、流纹岩。4种岩石的硬度见表1。

表 1 4种岩石的硬度

1.2 试验步骤

由于3种金刚石颗粒细小，用肉眼观察难以判断其质量好坏。如果金刚石颗粒破损或晶型较差，在压入试验初期就出现金刚石破碎现象，达不到试验的目的。因此，首先利用体视显微镜放大32倍观察金刚石，从中选取如图1所示的相对完整无破损的金刚石进行试验。

图 1 体视显微镜选取的相对完整的金刚石

其次，将单颗金刚石置于复合片压头与被压岩石之间，用万能试验机以0.5 mm/min的加载速度将其压入岩石，金刚石压入岩石全过程如图2所示。

随后，利用试验机采集试验力和变形数据绘制出试验力>-变形曲线，并进行分析；最后将金刚石完全压入的岩样放置在体视显微镜下观察其压入破碎情况。

(a)初始阶段 (b)压入阶段 (c)完全压入阶段

2 试验结果及分析

2.1 金刚石压入泥岩

图3为3种金刚石压入泥岩的试验力>-变形曲线。表2为每种金刚石重复3次压入泥岩，泥岩发生第一次破碎时的变形和试验力的平均值。

图 3 3种金刚石压入泥岩试验力>-变形曲线

表 2 金刚石压入泥岩的变形值及破碎力值

由图3和表2可以看出：3条曲线在变形为0～0.3 mm的范围内都存在约0.16 kN的恒定试验力，这是设备自平衡调节造成的，与金刚石压入岩石无关；随着变形增大，金刚石继续压入岩石，曲线至少存在2次和3次波峰，可以推断金刚石在压入过程中存在2次以上的破碎过程；且第2次压入破碎过程曲线的上升斜率要低于第1次破碎过程曲线的上升斜率，第2次破碎的变形量大于第1次破碎的变形量，波峰后试验力值随着变形量的增大呈缓慢或快速衰减状态。可以推测，在破碎穴形成过程中，金刚石始终与已经发生破碎的岩石表面相互接触，反映的是塑性岩石破碎的状态和过程[7>- 8]。而且随着金刚石粒径的减小，发生第1次破碎时的力值也随之变小。

2.2 金刚石压入粉砂岩

图4为3种金刚石压入粉砂岩的试验力>-变形曲线。表3为每种金刚石重复进行3次压入粉砂岩所得首次破碎的试验力与变形的平均值。

图4 3种金刚石压入粉砂岩试验力>-变形曲线

表 3 金刚石压入粉砂岩变形值及破碎力值

由图4和表3可以看出：金刚石压入粉砂岩的过程与泥岩相似，与泥岩不同之处是其第一次破碎时的试验力相对略大，并且在压入过程中能听到岩石破碎的声音。

2.3 金刚石压入石英岩

图5为3种金刚石压入石英岩的试验力>-变形曲线。表4为每种金刚石重复进行3次压入石英岩所得首次破碎的试验力与变形的平均值。

图5 3种金刚石压入石英岩试验力>-变形曲线

用3种金刚石进行石英岩压入试验，我们可以听到明显的脆裂声；且在压入过程中，个别金刚石颗粒还未压入岩石就出现了破碎，以18/20的金刚石为甚。由图5可以看出：金刚石压入石英岩过程曲线与泥岩、粉砂岩相似，也存在2次以上波峰，推测其具有2次以上破碎过程。但波峰后曲线下降陡直，说明破碎后变形量很小，因此推断石英岩的破碎过程为脆性岩石破碎[7>-9]。比较表2、表3、表4数据：金刚石压入石英岩所需要的力值比前2种更大，这与岩石本身压入强度较高有关。

表4 金刚石压入石英岩变形值及破碎力值

2.4 金刚石压入流纹岩

图6为3种金刚石压入流纹岩的试验力>-变形曲线。表5为每种金刚石重复进行3次压入流纹岩所得首次破碎的试验力与变形的平均值。

图6 3种金刚石压入流纹岩试验力>-变形曲线

表5 金刚石压入流纹岩变形值及破碎力值

用3种金刚石压入流纹岩，同样能听到明显的脆裂声；且在压入过程中，多次出现金刚石还未压入就已经破碎的现象，尤其以18/20金刚石为甚。由图6可以看出：压入流纹岩的过程曲线与压入石英岩的大致相同，至少存在2次以上破碎过程，首次破碎力较石英岩高，但随着破碎力的增加流纹岩的破碎变形量增加更少，压力从波峰下降时更加陡直，反映了该岩石的破碎过程仍为脆性岩石破碎。

2.5 结果分析

图7为岩石种类与首次破碎力值及金刚石粒度号关系图。

图7 3种金刚石压入不同岩石的首次破碎力值变化

由图7可以看出：金刚石对岩石的首次破碎力随着岩石硬度的增加逐渐增大，且随着金刚石颗粒尺寸的增大而增大。当金刚石粒度号为35/40，金刚石颗粒尺寸较小时，对4种岩石的首次破碎力相差较小。因此，钻进流纹岩等硬岩，宜选用金刚石颗粒尺寸较小的金刚石钻头。

图8给出了3种金刚石压入泥岩的显微镜照片。由图8可以观察到：粒径越大的金刚石在完全压入泥岩后的破碎范围越大，如图8a的破碎面积约是图8c的3倍；且图7中对于泥岩等较软岩石，粒度18/20的金刚石压入泥岩的首次破碎力仅为35/40金刚石的约1.5倍。因此，综合较软岩石破碎时所需的破碎力和发生破碎时的破碎面积，为了提高钻进此类岩石的效率，宜选用较大金刚石颗粒尺寸的金刚石钻头。