摘要
钻探工程中会遇到各种岩石。按物理力学性质来说，岩石可分为均质（各向同性）和非均质（各向异性）的。多数情况下，在深孔钻进时，受地质条件的影响，岩石多是各向异性的。各向异性岩石的特点之一是，不同受力方向上的强度不同，因此钻孔容易弯曲，直接影响钻探效率和质量。俄罗斯科研人员对各向异性岩石中钻进时使用的钻头（如设计出了扇形块可移动钻头、定位导向钻头、椭圆形导向钻头、球状胎体铰接式钻头、水口宽度不同的钻头等）和孔底装置（如KCM孔底装置）进行了大量研究，取得了较好的效果，减少了钻孔弯曲，提高了钻进效率，值得我们参考。
岩石按其成因可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩3大类。但按物理力学性质来说，岩石分为均质岩石和非均质岩石。均质岩石一般称为各向同性岩石，非均质岩石称为各向异性岩石。钻探中，特别是深部钻探中遇到的地层多为各向异性（非各向同性）岩
图1 各向异性岩石钻进时岩石破碎示意
Fig.1 Fragmentation of anisotropic rock by drilling
各向异性岩石是客观存在的，其物理力学性质是不能改变的。我们只能利用其性质采取针对性的措施，才能取得好的钻探技术经济效果。在这种岩石中进行钻进时，钻探设备、所用机具、施工人员、钻探工艺、操作技术、生产管理等都很重要。在选定钻探设备和合格施工队伍之后，所用机具（如钻头、孔底装置）非常重要，是关键技术。俄罗斯钻探工作者在各向异性岩石中钻进时，为了减小钻孔弯曲和提高钻探技术经济指标，采用了富有针对性的钻头和孔底装置，取得了较好的效
俄罗斯钻探工作者在各向异性岩石中钻进时使用的钻头方面做了大量工作，除了已在本刊报道过的球状胎体铰接式钻头、水口宽度不同钻头等外，还设计出了以下钻
这种钻头是俄罗斯一项发明专利技术，专利号为俄罗斯专利2167251
图2 钻头概貌
Fig.2 General appearance of the drill bit
1-扇形块；2-弹性件；3-限位装置
与钻头体纵向中心线成的角度α计算：
式中：h——设定的扇形块在钻头体纵向中心线上移动的距离；L——设定的扇形块在钻头回转方向相反方向上移动的距离。
这种钻头破碎各向异性岩石时，金刚石切削具承受来自岩石的不同阻力，这就决定了孔底破碎的不均匀性。
金刚石钻头在孔底钻进时，钻头切削具与各向异性岩石相互作用，与遇到的岩层形成了不同角度。如果切削具沿着岩层上倾移动（
图3 各向异性岩石破碎过程示意
Fig.3 Fragmentation process of anisotropic rock
γ-遇层角；P-轴载；Fp-剪切力；R-合力
为了使孔底所有点上的破碎各向异性岩石深度相等，在钻头上使用了扇形块和钻头体导向槽连接的钻头底端支撑表面和导向槽侧面支撑表面，其夹角为α。同时，此夹角α沿着钻头回转方向上增大。如
式中：N——扇形块端面上的切削具数量；——切削具沿着岩层上倾方向移动时的岩石切削剪切阻力；C——弹性件2的刚度。
由于金刚石钻头和钻头体联接支撑表面都是倾斜平面，所以切削具切入岩石附加深度为。切削具切入岩石，轴载也增加了P，。所以，切削具沿着岩层上倾方向移动时，轴载为。
可见，由于岩石破碎阻力增加时轴载增加，孔底破碎深度之所以没有减少，是因为由于轴载增加岩石接触压力也增加了，保证了岩石产生更大的体积破碎所致。
扇形块从面对岩层上倾位置（
扇形块限位装置的位置，根据弹性件的刚度值大小来决定，限制扇形块在L给定数值范围内进行移动。每个扇形块后都有限位器存在，决定了每个扇形块都有自己的独立位移，实现了这种金刚石钻头和扇形块特有的工作方式。
扇形块移动的距离L，根据弹性件的刚度和弹性件可以伸缩到限位器的距离来确定。对于直径59和76 mm的钻头来说，L的大小为2~3 mm。金刚石切削具破碎深度h应该不大于金刚石颗粒直径的0.08~0.1。小颗粒金刚石钻头的α角，应该大于大颗粒金刚石的α角，根据岩石破碎的均匀程度确定。不同金刚石直径da、平均破碎深度hб时，h、L和α的计算值见
应该指出的是，不论α角大小如何，这种钻头都能够根据岩石切削剪切强度的不同而自动调节h和L。
可见，使用这种钻头可以保证孔底所有点上强度不同的各向异性岩石，能够更为均匀地被破碎，从而减少钻孔弯曲程度，并提高钻探的技术经济指标。
俄罗斯托木斯克工业大学设计出了定位导向钻头（这是俄罗斯发明专利，发明证书号为俄罗斯专利No.162059
如
图4 定位导向钻头
Fig.4 Based and directed drill bit
钻进时，钻头端面和岩石相互作用。在钻头端面倾斜表面上，在每颗金刚石与岩石的作用点上，都产生指向钻头中心的径向分力。在直径反向各个点上产生的横向分力合力，互相抵消。由于在胎体内有槽4，所以在胎体直径反向部分的点上，形成非平衡的径向力，其合力Fr指向槽4的中心。而在槽4直径反向的点上，产生切向力的合力Fτ，与回转速度向量方向相反。
径向力Fr和切向力Fτ形成合力R，R位于定位件5和6的中间，可以保证其受载均匀。钻头被形状平滑的定位导向件压向井壁，不会破碎井壁，也不会使井筒偏离设计方向。
当因钻头非匀速回转而出现不稳定的力的时候，例如破碎各向异性岩石而产生的不稳定力的时候，所有径向力和横向力合力的数值和方向都是变化的，但是不会超越定位件5和6圈定的扇形块范围，所以可以排除钻头胎体压向井壁，可以大大降低井眼偏离初始设计方向的强度。
俄罗斯1657594号专利钻头，是通过改变胎体内侧表面金刚石切削具与岩石接触数目m1和胎体外侧表面金刚石切削具数目m2来改变岩石切削剪切阻力，以便改变各向异性岩石中钻进时钻孔弯曲方向的。合力移动角度β以下式进行计算：
式中：f——金刚石切削具与岩石的摩擦系数。
研发利用小的轴载（<6 kN）以降低钻孔弯曲的钻头，是绳索取心用钻头的改进方向之一。但是小的轴载，不应降低切削具下方的单位接触应力。这个问题可以通过减小钻头端部面积或者改进钻头胎体结构（金刚石布置方式、金刚石粒度、胎体成分等）来解决。为了降低各向异性岩石钻进时的钻孔弯曲强度，在绳索取心钻进时，可以利用钻具结构不变、钻头端面面积减小的椭圆形导向（领眼）环状钻头。
图5 椭圆形导向（领眼）钻头结构示意
Fig.5 Structure of the ellipsoidal drill bit
椭圆形钻头外形长轴等于钻孔直径，椭圆内孔短轴等于岩心直径（见
另一种钻头也是胎体上扇形块分为内扇形块和外扇形块的钻头（见
图6 胎体上有内、外扇形块钻头的形式
Fig.6 Drill bit with the inner and outer segments
in the matrix
根据实验资料得知，钻柱沿孔壁向钻柱回转方向反向滑动的内摆线进动，是静平衡杆柱在强力规程作用下的最稳定的运动方式。对钻进过程和钻进指标产生的所有负面影响，均与这种运动方式有关。但是，孔底钻进装置围绕钻孔中心线回转（Ф1运动形式）是可以保证各向异性岩石钻进时，孔筒弯曲率最低的运动方
使用横断面质心移动的装置（KCM）是解决复杂岩石地质条件下钻进问题的有效途径之一。岩石各向异性对孔底钻进装置的工作及其运动方式影响很大，该装置横断面质心产生的离心力大部分用于克服各向异性岩石钻进时产生的翻转力矩上。
横断面质心移动的装置（KCM）的作用是，这种装置能够产生动力学稳定作用或自动对中作用，可以调整离心力Fц并同时保证呈Ф1运动形式，从而减轻钻孔弯曲程度并提高钻进效果。
带有横断面质心移动的装置（KCM）的钻柱分为2种。
（1）带有横断面质心移动的装置（KCM）的钻柱，在岩心管上方置有后壁KCM，是安装在静平衡钻柱的底部（如索斯诺地质生产公司试验使用过的）或者用于不取心钻进用的孔底钻进装置。这种装置方式见
图7 横断面质心移动装置（KCM）的安装示意
Fig.7 Installation drawing of the downhole device “KCM”
ω-钻柱回转速度；Ω-KCM滑动方向；Fк-作用在钻柱半波长度上的离心力； F
（2）带有横断面质心移动的装置（KCM）的钻柱，安装在步长为L的钻柱压缩区的整个长度上，这个长度可以保证钻柱整个压缩部位呈Ф1回转状态，并随着变形程度的减小和弯曲半波长度的增加而从孔底到零断面而加长。这种装置方式见
这种KCM装置实际上是一种偏心装置，偏心距是其一个重要参数。偏心距指的是在受力构件中轴向力作用点至截面形心的距离，直接影响KCM的性能和作用。在优化KCM的结构时，使用不同样机，对偏心距的大小及其作用进行了试验研究。
一个样机用直径57 mm和44 mm 的岩心管制成。质量9.5 kg的重锤（铅）置于顺着KCM内管侧表面上，内管与外管用环箍对中。KCM长度4 m，质量40 dN，偏心距为8 mm （KCM-8）。KCM试验时没有使用对中器，间隙fк=1~2 mm。试验是在不取心钻进时进行的。试验孔段的岩石是各向异性、岩石可钻性8~9级经过泥板岩化、碳酸盐化和赤铁矿化处理的英安岩、粗面英安岩和玄武岩。按照弹性模量测定的各向异性系数为1.2~1.7。
对KCM-8装置钻进试验结果与长度为6 m的3K刚性三角形稳定器钻进结果进行了对比。结果表明，与3K稳定器钻进相比，钻孔弯曲强度降低了40%~50%，机械钻速提高了10%，钻头进尺提高了30%。用标准功率表H-348记录的功率消耗量大为降低，钻具振动过程明显缓和。
偏心距为1.6 mm的另一个样机的试验，是在索斯纳地质生产联合公司的324地质勘探大队6749号钻孔进行的。岩石为可钻性9~10级玄武岩。在110 m孔段中，100 m 的弯曲强度为0.95°。金刚石钻进下部岩石时，100 m的弯曲强度为2.9°。在钻进相邻剖面距离100 m的6747号钻孔时，在用KCM钻进的6749钻孔同一孔段，用金刚石取心钻进的100 m弯曲强度为4.7°。
试验结果表明，使用不同偏心距KCM装置钻进时，钻孔弯曲强度下降了，技术经济指标提高了。
生产试验是用装有3个KCM装置的钻柱进行的，3个KCM装置均安装在钻柱的下部，第一个KCM 装在取心工具的上方，第二个KCM经过两根钻杆，即距离第一个KCM 6 m的部位，第三个KCM经过3根钻杆，即距离第一个KCM 9 m的部位。经与Boart Longyear 公司 HR标准钻具钻进比较，顶角弯曲强度大为改善，方位角弯曲有所缓解，机械钻速明显提高（见
为了保证钻柱回转呈Ф1运动形式，使偏心距最小，需要满足以下要求：
（1）钻柱回转速度快；
（2）钻柱变形程度最小，允许轴载最小时使用钻头、工艺和间隙最小的“钻柱-钻孔”系统，以得到好的钻进效果；
（3）钻进装置和孔壁的摩擦系数最小；
（4）钻进各向异性岩石时孔底对钻头端部的弯矩最小。
根据上述要求，高速金刚石绳索取心钻进时使用这种KCM装置最为合适。
孔底载荷给定时实现孔底钻进装置围绕钻孔中心线回转（Ф1运动形式）用KCM偏心距与钻头转速的关系，见
图8 KCM装置偏心距与转速的关系
Fig.8 KCM eccentricity vs rpm
KCM转动角度αKC不同时，钻柱呈Ф1运动形式所含不同系列管材长度L与转速的关系见
KCM在孔内使用后，对其测量了磨损情况。为此，在接有KCM钻杆的不同位置，在外表面每隔45°的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ线上，每隔0.5 m进行了点焊（见图
图9 接有KCM装置的钻杆磨损测量情况
Fig.9 Wear of the drill rod with
the downhole device KCM
图10 KCM1装置磨损展开图
Fig.10 Developed view of wear on
the downhole device KCM1
图11 KCM2装置磨损展开图
Fig.11 Developed view of wear on
the downhole device KCM2
图12 KCM3装置磨损展开图
Fig.12 Developed view of wear on
the downhole device KCM3
图
试验了3种装有KCM的钻杆外表面磨损情况。装有KCM1的钻杆置在岩心管的上方，距孔底3.3 m。装有KCM2的钻杆，经过每根长3 m的2根绳索取心标准钻杆，距孔底的距离为12.3 m。装有KCM3的钻杆置于KCM钻杆的上方，经过3根绳索取心钻杆，即置于岩心管的上方，距孔底24.3 m。所有KCM装置参数都相同：偏心距e=1.24 mm，外径88.9 mm，内径77.8 mm，长度3.0 m。
图
磨损测量结果可以说明，这种KCM能使钻具围绕钻孔中心线回转，具有稳定的Ф1运动形式，而且可以把岩心管和钻杆吸引到这种Ф1运动形式上来，从而减小钻孔弯曲强度，提高钻探的技术经济指标，对于各向异性岩石钻进来说，很有意义，非常重要。
（1）多数情况下，特别是在深孔条件下，钻探遇到的岩石主要是各向异性的。各向异性岩石的特点之一是不同方向上的强度不同，在垂直层面的方向上硬度最小，在平行层面的方向上硬度最大。根据岩石破碎原理，岩石总是首先在阻力（强度）最小的方向上破碎的，所以容易造成钻孔弯曲，影响钻孔质量，钻探效率降低。可见，各向异性岩石中的钻进问题，是钻探工程中常常遇到的一个难题。
（2）影响各向异性岩石中钻探钻孔弯曲的因素很多，诸如施工条件、机组人员技术水平和经验、钻探设备、钻探工具、钻探工艺、操作技术、施工管理等。在施工人员和钻探设备选定之后，钻探工具（含钻头、孔底装置）、钻探工艺、操作水平和经验非常重要。其中在硬件方面，钻头和孔底装置最为重要，是关键技术。
（3）俄罗斯科技人员在应对各向异性岩石中宜用的钻头方面，做了大量的研究工作，取得了不少成果，获得了多项专利。他们取得的成果与他们设计出来的钻头有直接关系。在钻头设计方面，他们有其独特的设计思想，经过实验室和生产试验，证明是有效的，是成功的。我们应该对其进行分析研究，取其精华，去其糟粕，设计出适合我国国情的钻头。
（4）俄罗斯科技人员提出钻具围绕钻孔中心线回转的概念，即Ф1运动形式，对于减少钻孔弯曲，保证正常钻进具有一定意义。他们提出来的形面质心移动装置（KCM），实际上就是偏心管装置，实践证明对于减小钻孔弯曲，保持钻具围绕钻孔中心线回转是个有效措施。建议我们有关单位开展相关试验研究，进一步验证其可行性和有效性。
参考文献（References）
汤凤林， A. B. Чихоткин，段隆臣，等.关于利用系统论方法设计金刚石钻头的分析研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2020，47（1）：5-12． [百度学术]
TANG Fenglin， A. B. CHIKHOTKIN， DUAN Longchen， et al. Analytical research on design of diamond drill bits with the system theory approach［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2020，47（1）：5-12． [百度学术]
朱恒银，王强，杨展，等.深部地质钻探金刚石钻头研究与应用［M］.武汉：中国地质大学出版社，2014. [百度学术]
ZHU Hengyin， WANG Qiang， YANG Zhan， et al. Research and application of diamond bit for deep geological drilling［M］．Wuhan： China University of Geosciences Press， 2014． [百度学术]
朱恒银，王强，杨凯华，等.深部岩心钻探技术与管理［M］.北京：地质出版社，2014． [百度学术]
ZHU Hengyin， WANG Qiang， YANG Kaihua， et al. Deep core drilling technology and management［M］. Beijing： Geological Publishing House， 2014． [百度学术]
段隆臣，潘秉锁，方小红.金刚石工具的设计与制造［M］.武汉：中国地质大学出版社，2012． [百度学术]
DUAN Longchen， PAN Bingsuo， FANG Xiaohong. Design and manufacture of diamond tools［M］. Wuhan： China University of Geosciences Press， 2012． [百度学术]
汤凤林，沈中华，段隆臣，等.深部各向异性硬岩钻进用新型金刚石钻头试验研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2017，44（4）：74-79． [百度学术]
TANG Fenglin， SHEN Zhonghua， DUAN Longchen， et al. Experimental research on new type diamond bit for drilling in deep hard anisotropic rocks［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2017，44（4）：74-79． [百度学术]
汤凤林，沈中华，段隆臣，等.关于切削型多节式刮刀钻头的分析研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2017，44（6）：88-92． [百度学术]
TANG Fenglin， SHEN Zhonghua， DUAN Longchen， et al. Analytical research on cutting type multitier wing bit［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2017，44（6）：88-92． [百度学术]
Нескоромных В. В. Искривление скважин в анизотропных горных породах［M］. Издательство Сибирский федеративный университет， г.Красноярск， 2017. [百度学术]
Нескоромных В. В. дри. Разработка и экспериментальные исследования особенностей работы алмазной коронки для бурения в твердых анизотропных породах［J］. Известия Томского политехнического университета， 2015，326（4）：30-40. [百度学术]
Нескоромных В.В. дри.Анализ процесса разрушения анизотропной породы шарошечными долотами［J］. Известия Томского политехнического университета， 2015，326（4）：80-89. [百度学术]
Нескоромных В.В.，Попова М.С.Основа системного подхода к проектированию бурового инструмента［J］. Строительство нефтяных и газовыхскважин на море и суше， 2018（8）：26-31. [百度学术]
Нескоромных В. В.， М. С. Попова. Разработка алмазного инструмента с применением данных компьютерного моделирования и результатов системных исследований［J］. Инженер-нефтяник， 2018（3）：18-23. [百度学术]
Будюков Ю.Е.， Кубасов В.В.Спирин В.И，Характер износа алмазной коронки［C］// Приоритетные направления развития науки и технологий：тезисы докладов ⅩⅤⅡ научно‑технической конференции Тула： Изд.‑ство Инновационные технологии， 2015：89-92. [百度学术]
Будюков Ю.Е.，ВСпирин.И，КубасовВ.В.Повышение прочностных свойств природных алмазов в аппарате вихревого слоя［C］//Приоритетные направления развития науки и технологий：тезисы докладовⅩⅤⅡ научно‑технической конференции. Тула： Изд.‑ств《Инновационные технологии》， 2015：93-98. [百度学术]
Кубасов В. В. Повышение эффективности бурения геологоразведочных скважин вт вердых породах путем модернизации матриц алмазного породоразрушающего инструмента［D］. Московский государственный геологоразведочный университет， 2015. [百度学术]
КубасовВ.В.и др.Новые технологии повышения работоспособности алмазного породщразрушающего инструмента［J］. ЭкономикаⅩⅩⅠвека.инновации， инвестиции， образование， 2013（5）：50-53. [百度学术]
Кубасов В.В.Исследование износа алмазнцх коронок ［J］. Горный информвционно‑аналитический бюллетень（научно‑аналитический журнал）， 2015（4）：6-11. [百度学术]
Кубасов В. В.，Будюков Ю. Е.，В Спирин.И. Выбор матричных композиций для алмазного породоразрушающего инструмента［C］//Приоритетные направления развития науки и технологий： тезисы докладовⅤⅢ научно‑технической конференции Тула ：Изд.‑ство Инновационные технологии， 2014：11-16. [百度学术]
Кубасов В.В.Новые технологии повышения эффективности работы алмазного породоразрушающеого инструмента［J］. Горный информационно‑аналитический бюллетень， 2014（10）：383-387. [百度学术]
Третьяк А.А.Теоретическое обоснование，разработка констрктиных парпметров и техгологиибурения скважин коронками ，армированными алмазно‑твердосплавными пластинами［D］. ЮРГТУ， Новчеркасск， 2017. [百度学术]
Третьяк А.А.Разработка современных конструкций коронок，армированных алмазно‑твердосплавными пластинами и технология их использования［D］. ЮРГТУ， Новчеркасск， 2012. [百度学术]
Третьяк А.А.дри.Буровые коронки армированные алмазно‑твердосплавными пластинами［M］..Новчеркасск： Издательство Политехник， 2015. [百度学术]
Третьяк А.А.дри.Конструкция буровых коронок армированныеалмазно‑твердосплавными пластинами с учетом схемы разрушения забоя скважины［J］. Строительство нефтяных и газовыхскважин на море и суше， 2015（6）：9-12. [百度学术]
ТретьякА.А.Техногогия бурения скважин коронками ，армированными алмазно‑твердосплавными пластинами［M］. Издательство Политехник， Новчеркасск， 2016. [百度学术]
