摘要
干热岩试验性开发井钻井施工，在高温硬岩的地层条件下，如何实现高效钻进仍存在很多技术难点。空气潜孔锤钻进技术是解决硬岩地层钻进的有效方法之一，潜孔锤钻头是空气潜孔锤钻进的关键器具。根据青海共和干热岩GH-01井空气潜孔锤钻进技术应用情况，分析探讨了空气潜孔锤钻头断齿、掉齿、磨损严重、使用寿命短等问题，从钻头结构设计、钻头材料选取、钻头冷压固齿工艺等几个方面对空气潜孔锤钻头进行了优化。固齿优化过程中采用有限元分析方法，对钻头冷压固齿过盈量进行仿真分析计算，根据分析计算结果确定最优固齿过盈量。通过对潜孔锤钻头结构、材料、加工等优化，为适用于高温硬岩的空气潜孔锤钻头研制提供了借鉴。为提高空气潜孔锤钻进综合效率，为干热岩钻探开发提供了技术支持和技术储备。
目前我国干热岩开发仍处于试验性阶段，干热岩的开发应用是一项涉及多个方面的工程，其中干热岩钻井施工效率是评价干热岩开发经济性的一个非常重要的因
青海共和干热岩GH-01井在二开阶段井深1508~2256 m段采用空气潜孔锤钻进，纯钻时间内平均机械钻速达4.49 m/h，较回转钻进钻速提高2~3倍。实践证明，空气潜孔锤钻进技术在硬岩地层可大幅度提高钻井效率，但是由于空气潜孔锤钻头在高温硬岩条件下短时间内磨损严重，易出现钻头掉齿、断齿情况（如
图1 GH-01井空气潜孔锤钻头磨损情况
Fig.1 Wear situation of the air DTH hammer bit used in GH-01
空气潜孔锤钻进技术已经发展了几十
针对青海共和干热岩GH-01井使用空气潜孔锤钻进出现的问题对钻头结构进行针对性优化。从青海共和干热岩GH-01井潜孔锤钻头磨损情况可以看出，边齿基本全部脱落或断裂，但中齿磨损较少。经过分析认为：钻头体磨损较快，导致边齿外露是边齿脱落的重要原因之一，而边齿脱落又会使得钻头上单个硬质合金齿承受的冲击功增大，造成钻头中间断齿。因此首先在钻头体保径方面进行优化设计，增强钻头体的保径能力。保径设计是采取在边齿附近镶嵌硬质合金的方式，并且增加保径硬质合金齿颗粒数。通过保径硬质合金齿延缓钻头体在高温硬岩中的磨损，从而延缓边齿的脱落，保证钻孔孔径满足要求。
钻头结构优化的另一个方面是风路设计，风路设计关系到钻头钻进排渣的效果，排渣不畅会导致岩屑在钻头周围不断地磨损钻头。根据选用的新型冲击器的密闭气流系统，在风路优化上创新了外部吹渣排风孔设计。高速气流不再是从锤柄的中心孔进入孔底排渣，而是从锤柄侧面的气孔进入，这样的设计气流更加直接地进入孔底，排渣效果更好，并且原先的空心锤柄设计变为实心锤柄，提高了钻头锤柄的强度，而潜孔锤钻头钻进过程中常见的事故就是锤柄断
通过对空气潜孔锤钻头保径和风路2个方面进行优化设计（参见
图2 钻头结构优化设计
Fig.2 Optimized design of the bit structure
空气潜孔锤钻头加工材料是钻头使用寿命保证的最基本要素，主要包括钻头体加工合金钢和硬质合金。
潜孔锤钻头刚体材料选择的原
（1）坚韧耐磨，具有良好的刚性和韧性配合；
（2）加工工艺性能良好。易切削，退火后硬度不大于HB260，但也不宜过软，以免粘刀影响粗糙度，同时可淬性和淬透性要好。
目前常用的钻头体合金钢是35CrMo材料，该材料能够满足钻头在硬度较低的基岩中的钻进需求且成本相对较低，但是无法满足在高温高硬的花岗岩中钻进的需求，因此我们选用了机械属性更好的30NiCrMo16-6材料，2种材料的属性对比如
硬质合金质量是钻头质量最重要的保证条件之一。对硬质合金的基本要求是：抗冲击，耐磨损。其选用原则为：硬质合金的性能必须与岩石和冲击器、钻机类型相适
钻头失效形式最主要的是硬质合金齿磨损、破碎、脱落，这除了与钻头钻进过程中服役条件恶劣有关外，还与钻头固齿工艺有很大的关系。目前我国球齿钻头的固齿工艺主要有冷压、钎焊、热嵌3种方法。不论采用何种固齿工艺，都必须保证钻头在使用过程中不掉齿，这是球齿钻头的关键问题，因此对钻头的固齿工艺进行研究非常重
目前潜孔锤钻头的固齿工艺采用较多的是冷压固齿，冷压固齿属于压配合固齿，其固齿力是由硬质合金齿、固齿孔之间的过盈量引起齿孔壁钢体产生的弹塑性变形提供的。冷压固齿的工艺流程：固齿孔钻孔机加工-钻头体热处理-固齿孔铰孔-测孔径-硬质合金磨齿-压齿。整个冷压固齿流程中要注意以下几点：
（1）固齿孔的钻、铰中应尽量提高加工精度和孔壁表面光洁度，以提高对合金齿的固紧力。根据硬度不同的材料，分为先钻孔后热处理再铰孔和先热处理后再钻孔、铰孔2种加工方式。
（2）测孔径使用浮标式气动量仪测孔，精度达到0.001 mm（微米）级别，并做好相应的数据记录统计和每个孔的标注工作。数据记录统计是为后续硬质合金磨齿做准备，标注每个孔是为压齿做准备。
（3）磨齿根据测孔统计的数据加上确定的过盈量后在液压磨床上从大到小逐级磨齿，精度达到0.001 mm（微米）级别。硬质合金齿磨完后需用柴油对合金齿进行清洗。
（4）压齿时一定要尽量保证压头、硬质合金齿、齿孔三者的中心线重合。
在注意以上几点的基础上，固齿过盈量大小的选择则是冷压固齿的关
如
图3 潜孔锤钻头三维模型
Fig.3 3D model of the DTH hammer bit
图4 二维有限元模型网格图划分
Fig.4 2D FEM model of the drill teeth and hole
钻头体模型采用双线性各向同性硬化弹塑性本构，根据钻头体30NiCrMo16-6材料属性，设置参数为：密度7800 kg/
仿真模拟分析硬质合金齿过盈压入和拔出过程，具体边界条件（参见
图5 边界条件
Fig.5 Boundary condition
（1）钻头体左侧采用Fixed固定约束。
（2）硬质合金齿右端夹持段采用位移边界条件，整个过程分2步，第一步沿水平方向向左压入钻头体齿孔，第二步沿水平方向向右拔出硬质合金齿。加载的位移值如
为了模拟不同过盈量的影响，选取0.04、0.05、0.06、0.07、0.08 mm 5种不同过盈量进行分析。利用ANSYS接触设置中的过盈量设置功能，实现不同过盈量的添加。具体接触和过盈量设置见
图6 接触示意图及接触设置
Fig.6 Contact diagram and contact setting
计算得到硬质合金齿不同过盈量压入和拔出过程中钻头体和合金齿的等效应力云图如
图7 压入过程等效应力云图
Fig.7 Equivalent stress cloud map of the pressing process
图8 拔出过程等效应力云图
Fig.8 Equivalent stress cloud map of the pullout process
将硬质合金不同过盈量压入和拔出过程中所需外力变化曲线图，通过拟合形成外力对比图，如
图9 不同过盈量压入力对比
Fig.9 Comparison of press forces at different interferences
图10 不同过盈量最大拔出力变化
Fig.10 Comparison of pullout forces at different interference
根据仿真模拟分析计算结果，我们得出以下结论：压齿过程中最大压入力随着过盈量的增大而增大，过盈量达到0.07 mm时，压入力增大放缓，0.08 mm过盈量压入力与0.07 mm过盈量压入力接近；拔出过程中最大拔出力随着过盈量的增大而呈现出先增大后减小的趋势，在过盈量为0.06 mm时，初始拔出力最大，达到了27187 N。
因此，通过钻头固齿有限元仿真分析计算，我们得到了理论计算上冷压固齿的最佳过盈量，为后续钻头试制的固齿工艺提供了技术指导和支持。
针对青海共和干热岩GH-01井空气潜孔锤钻进技术应用中钻头磨损较快、掉齿、断齿的问题，从结构设计、材料选型、固齿工艺等几个方面对空气潜孔锤钻头进行了优化。结构上增强保径设计，延缓了钻头体磨损速度；创新排渣风路的设计，增强了排渣效果，减少了岩屑对钻头的重复磨损；钻头材料选择了更适用于高温硬岩的合金钢和硬质合金，提高了钻头寿命；优化了固齿工艺，运用有限元仿真分析计算最优冷压固齿参数，为钻头冷压固齿提供了技术支持。
通过以上研究的开展，为试制适用于高温硬岩的空气潜孔锤钻头奠定了基础，后续将在室内模拟花岗岩地层开展钻头钻进试验，在条件合适的情况下开展野外生产试验，根据钻头钻进试验效果对高温硬岩空气潜孔锤钻头进行完善、改进，并对干热岩钻井空气潜孔锤钻进技术工艺进行研究，为干热岩钻井多工艺高效钻进提供技术支持和技术储备。
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