摘要
金刚石钻进是我国的一种主要钻进方法，在地质勘探和油气井钻进中得到了广泛应用。为了提高其技术经济指标，研究金刚石钻进时岩石的应力变形状态、岩石破碎过程及其与规程参数的关系很有必要。俄罗斯钻探工作者在金刚石钻进岩石破碎方面做了大量的试验研究工作，研究了钻进速度与规程参数的优化关系，提出了临界规程参数组合的概念，推荐了保证正常钻进、防止钻头非正常磨损等的措施。值得我国同行们参考。
金刚石钻进在我国许多领域得到了广泛应用，取得了很大成
为了研究金刚石钻进时的岩石应力状态，使用了计算机模拟程序。在NASTRAN for Windows 环境中，对在设定岩石物理力学性质的钻孔中钻进时的情况，进行了计算机模拟。主要是研究在钻头静压条件下，均质岩石破碎中的应力分布状况。模拟了钻头上单个金刚石与孔底岩石的接触情况。作用在环状钻头上的载荷为10000 N。为了模拟孔底情况，在岩样周围设置了固定形式的边界条件。钻进时使用的岩样是花岗岩，其弹性模量60000 MPa，泊松比0.23，密度2.7 g/c
图1 环状孔底的正应力
Fig.1 Normal stress at the circular bottom
1—钻头端面；2—岩心形成部位的应力带；3—钻头端部下方的应力带
图2 环状孔底应力分布
Fig.2 Stress distribution at the circular bottom
1—钻头端部；2—岩心形成部位的应力带；3—钻头端部下方的应力带
图3 环状孔底的剪应力
Fig.3 Shearing stress at the circular bottom
1—钻头端部；2—岩心形成部位的应力带；3—钻头端部下方的应力带
图4 环状孔底岩石变形过程分析
Fig.4 Analysis of rock deformation process at the circular bottom
图5 模拟钻进层状岩石时相当应力的分布情况
Fig.5 Distribution of equvalent stress in modelling drilling bedded rock
1—碎岩工具；2—岩心形成部位的应力带；3—碎岩工具下方的应力带
根据压模试验结果得知，按破碎特点和钻进效果，岩石破碎有3种方式，见
图6 岩石的不同破碎变形方式
Fig.6 Different modes of rock fragmentation and deformation
切削具上轴载P不大时，切削具与岩石的接触压力远远小于岩石硬度，由于必须克服岩石的结构强度（岩石硬度），所以此时切削具不能破碎岩石。切削具移动时，将研磨孔底岩石，岩石的破碎是由切削刃与岩石接触摩擦所做的功引起的，因此分离下来的岩石颗粒很小，钻进速度低，钻孔进尺h很慢。这种破碎方式称为岩石表面研磨，这个区域称为表面破碎区Ⅰ。
如果切削具上的轴向载荷增加，使岩石晶间破坏，岩石结构间缺陷发展，特别是孔底受多次载荷影响产生的疲劳裂隙更加发展，于是众多裂隙交错，尽管切削具与岩石的接触压力仍然小于岩石硬度，仍可产生较粗颗粒的分离。这种破碎方式称为疲劳破碎，这个区域称为疲劳破碎区Ⅱ。
如果切削具上的轴向载荷继续增加，达到切削具可以有效切入岩石，其结果是：切削具在孔底移动时不断克服岩石的结构强度，切下岩屑。此时切削具与岩石的接触压力大于或等于岩石硬度。这种破碎方式称为体积破碎，这个区域称为体积破碎区Ⅲ。体积破碎时，可以分离出大颗粒岩石，破碎效果好。
我们可以以钻头切入岩石深度为切入点，讨论金刚石钻进时的岩石破碎过
如
图7 金刚石破碎岩石过程示意
Fig.7 Rock fragmentation process by diamond
机械钻速VM可按下式计算：
| （1） |
式中：VT、Vp——分别为岩石破碎形成裂隙的速度和金刚石移动的线速度，m/s；λ——影响提高VT各因素（如岩石结构缺欠等）的系数；——岩石单位体积刚度，N/c
假设金刚石是球状的，则：
| （2） |
式中：R——扭矩切力F和轴载P的合力；SCK——岩石破碎时的剪切面积。
岩石破碎形成裂隙的深度hл，可以表示为：
| （3） |
式中：α——合力R和轴载P的夹角；d——金刚石直径。
金刚石切入岩石深度h为：
| （4） |
式中：P——轴载，N；F——扭矩切力，N；2l——裂隙长度，mm；a——晶格常数，mm；d——金刚石直径，mm；E——岩石弹性模量，Pa；ε——岩石破碎时岩石变形的相对变形量（长度）；αп——岩石热膨胀系数，mm/℃；t——岩石表层温度，℃；τ——破碎载荷的施载时间，s；τ0——固体中原子振动周期，1
从
如
在岩石破碎过程中，在排除岩屑的同时，在孔底空间内形成一个微裂隙系统发育的弱岩层，这个岩层称为预破碎区。从加速岩石破碎过程和降低碎岩能耗量观点来看，这个预破碎区非常重要。
碎岩切削具的破碎载荷均匀地向岩石各个方向施加而产生的应力和变形，是产生这个预破碎区的主要原因。
乌克兰科学院超硬材料研究所利用荧光探测方法，对这个预破碎区的规律性进行过研究。该项研究是用孕镶金刚石钻头进行的。钻进用不同轴载，记录钻头每转的进尺。钻进后用具有高度润湿和穿透能力的荧光液体，对孔底预破碎区进行了处理。根据荧光液体的亮度来确定预破碎区裂隙扩展的范
钻进花岗岩-斑岩、辉长岩和石英砂岩时形成的破碎区深度如
从
为了研究预破碎区，选取了弹脆性粗粒玄武岩和弹塑性的各向异性熔结凝灰岩，对用金刚石表镶钻头钻得的岩样做成了薄片，供Polam-111显微镜的反射光观察使用。根据显微镜和照片放大计算的结果，得出了预破碎区的厚度。
图8 粗粒玄武岩预破碎区照片
Fig.8 Photo of the pre‑crushing zone in coarse grain basalt
图9 弹塑性各向异性熔结凝灰岩预破碎区照片
Fig.9 Photo of the pre‑crushing zone in elastic and plastic anisotropic sintered tuff
1—岩石破碎部分；2—塑性变形部分
所用岩样是用轴载600 dN、转速150 r/min和乳化液作为冲洗液进行钻进试验的。
根据试验结果可以看出：
（1）预破碎区的大小随着钻头轴载的增加而增加，随转速的增加而少许减少。
（2）在弹脆性粗粒玄武岩中，破碎区中的岩石呈非常破碎裂隙形式，而且裂隙是在矿物颗粒间发展的，脆性结晶矿物也是被破碎的。
（3）在塑性熔结凝灰岩中，预破碎区是以松散、破碎的岩石形式出现的，没有形成明显的裂隙。
（4）各向异性岩石中的裂隙，主要是沿着层面、片理面形成。
预破碎区是钻进工艺作用的结果，这种工艺作用可以钻进时在岩石中形成预破碎区，使孔底表面岩石弱化，降低岩石破碎的能耗量，对于提高钻进效果具有积极意义。
岩石破碎过程往往是以该过程中钻进（破碎）速度及其变化情况表示的。钻进速度可以用钻头每转进尺（mm/r）或机械钻速（m/h）表示。现据所用资料的原始形式，分别讨论如
在金刚石钻进工艺的研究工作和实际建议中，常常把钻头每转进尺hоб看成是可以控制钻进工艺过程的指标，即：
| (5) |
式中：hоб——钻头每转进尺，mm/r；VM——机械钻速，mm/min；n——钻头转速，r/min。
这是一个综合性指标，可以用它来间接研究和评价孔底钻进的物理过程，诸如岩石对切削具切入的反应、钻头的工作情况以及岩石物理力学性质和钻头切削具磨损情况变化的条件下，钻进规程参数（轴载、钻头转速、冲洗液量）的作用问题等。所以，可以利用钻头每转进尺hоб的大小来确定最优钻进规程。
最优钻头每转进尺指的是，在金刚石切削具不产生抛光、在最小轴载作用下的钻头每转破碎岩石进尺的数值，当轴载哪怕少许增加上述数值时，金刚石切削具就会过度切入岩石、本身破坏，做无用功。
最优钻头每转进尺的数值，与金刚石切削具的尺寸、岩石物理力学性质和钻进规程参数有关。全俄勘探技术研究所通过试验确定，表镶金刚石钻头的最优每转进尺是金刚石直径d的2.5%~10%，即hоб=（0.025~0.1）
最优每转进尺与粒度Z（粒/ct）（1 ct=0.2 g，下同）的关系为：
| （6） |
单粒金刚石的许用轴载为：
| （7） |
钻头的轴载值为：
| （8） |
式中：M——底刃金刚石质量，ct。
金刚石表镶钻头钻进时，推荐的最优单粒金刚石切入值为h=0.001~0.008 mm/r。h<0.001 mm/r时，金刚石抛光。h>0.008 mm/r时，金刚石切削具严重磨损。
图10 钻头每转进尺与钻进规程参数的关系以及岩石破碎过程示意
Fig.10 Drill bit penetration per revolution vs drilling parameters
（a）钻头每转进尺与钻进规程参数的关系;（b）表面疲劳破碎过程;（c）体积破碎过程；（d）体积破碎过程
从
钻头每转进尺与转速的关系比较复杂。在表面疲劳破碎阶段（
当施加的轴载Pn到达一定数值时，此时的轴载Pn足以使切削具切入岩石，所以破碎岩石变成体积破碎方式。但是，体积破碎时，钻头每转进尺的高值是在较低钻头转速（nmin）情况下取得的，钻头每转进尺的数值是随钻头转速的增加而降低的。形成这种机制的原因是，在形成破碎穴时，岩石沿着孔底表面（AБ线）被切削具剪切下来。如果切削具移动速度（Vp）等于AБ（见
岩石体积破碎时，如果转速增加，可以通过增加轴载（P4、P5、P6）办法，来使每转进尺h0相近（
岩石体积破碎时，可能出现破碎非常有效的情况。为此需要完全净化孔底岩屑，保持轴载和转速的合理组合，以便岩石分裂裂隙AБ（
孔底岩屑堵塞时，如果供给的冲洗液量不足，则岩石破碎条件恶化。在这种情况下，如果岩石体积破碎所需轴载足够充分的话，则可以看到与表面疲劳破碎类似的破碎方式，钻头切削具重复破碎岩屑垫，不能产生有效破碎岩石的应力。在这种情况下，钻头每转进尺与转速的关系，将与表面疲劳破碎方式类似，钻头每转进尺在较高钻头转速（nmax）时达到高值（见
图11 钻头每转进尺与规程参数的关系以及孔底岩屑堵塞时岩石破碎示意
Fig.11 Drill bit penetration per revolution vs drilling parameters(a),volumeric fragmentation when cuttings is blocked up at bottom(b), and thermo‑mechanical fragmentation (c)
（a）钻头每转进尺与规程参数的关系;(b)孔底岩屑堵塞时岩石体积破碎;(c)热力机械破碎
但是，如果轴载过大，则会出现复杂的热力机械破碎岩石的方式（
可见，由于热力机械破碎时，胎体损坏和金刚石露出而使金刚石切削具严重受损，此时为了避免钻头熔化损坏、甚至烧钻，应该停止钻进，采取相应措施。
如果钻进规程参数配合合理，则金刚石钻进可以获得很高的技术经济指
图12 不同转速时机械钻速与轴载的关系曲线
Fig.12 Mechnical pnetration rate vs weight on bit at different rpm
1—200 r/min；2—400 r/min；3—600 r/min；4—800 r/min；5—1000 r/min;6—1200 r/min
钻头转速提高时，金刚石切入岩石深度下降，相应的岩石破碎穴深度也下降了。这首先是因为变形发育的时间减少了，岩石中破碎合应力降低了，与之相应地切削具切入岩石深度变浅了。由于岩石中破碎合应力降低了，所以岩石切削剪切阻力和压碎阻力增大了，切削具切入岩石深度变浅了。
图13 不同轴载条件下钻头机械钻速增幅d和钻头转速增幅m之比（d/m）与钻头转速n的关系曲线
Fig.13 Ratio of penetration rate increase rate d to rpm increase rate m（d/m） at different weight on bit
1—600 dN；2—1200 dN；3—1800 dN；4—2400 dN；5—3000 dN
根据
从
可见，保证机械钻速最高的钻头最优轴载，都与每一个钻头的转速相呼应。通常的做法是：转速增加时，增加轴载来提高碎岩应力（这种碎岩应力在钻头切削具移动速度增加时是降低的）。但是，轴载不变，转速增加到极限值时，则机械钻速下降，金刚石钻头端面会出现严重的微裂隙和金刚石钻头胎体抛光。为了防止开始的抛光过程，应该少许提高钻头轴载，然后再提高转速，增加冲洗液量。可以通过这些步骤来确定转速和轴载的最优配合。
钻头极限转速nnp根据极限许用功率Nnp确定：
| （9） |
式中：DB——钻头直径，m；Poc——轴载，N。
注： （1）表中带“/”数据为“Ø59 mm钻头资料/Ø76 mm钻头资料”；(2)底刃金刚石粒度为10~20粒/ct的数据中，由于底刃金刚石含量高，所以Ø59 mm钻头的极限功率Nnp高于Ø76 mm钻头的极限功率；（3）1 ct=0.2 g,下同；(4)钻进裂隙岩石时，列于该表中的钻头转速应该降低25%~30%
应该指出的是，表中所列资料为平均值，没有考虑钻头胎体中的金刚石浓度。
轴载值可以用下式计算：
| POC=φ0РШfa×1 | （10） |
式中：φ0——考虑金刚石与孔底接触面积变化的系数，φ0=0.17~0.25，最小值于岩石抗压强度РШ>3.5 GPa时使用，最大值于РШ<1.5 GPa时使用；fa——底刃金刚石与岩石接触的总面积，
金刚石钻头的轴载应该随着岩石硬度的增加和底刃金刚石浓度的增加而增加。
图14 钻头机械钻速、磨损与单位轴载的关系曲线
Fig.14 Penetration rate and bit wear vs specific weight on bit
分析
为了研究转速和轴载乘积对钻头磨损的影响，
图15 钻头磨损与轴载和转速的乘积(Pocn)的关系曲线
Fig.15 Drill bit wear vs product of weight on bit Poc times rpm n(Pocn)
对比
金刚石钻进时，除了轴载和转速外，供给孔底的冲洗液量是个很重要的参数，因为冲洗液不紧要排除孔底岩屑，还要冷却钻头。钻头水路冲洗液流动速度是保证金刚石钻头有必要冷却程度的主要因素。同时，增加钻头水路冲洗液流动速度有助于提高机械钻速。
增加钻头水路冲洗液流动速度，可以采取以下途径：增加冲洗液量；冲洗液量低时增加水口数量、减小水口尺寸；改变水口特征和研发冲洗液液流加速剂。后两种途径是比较有前景的，因为其特点是供给冲洗液的能量消耗少，冲洗液流对钻孔和岩心的侵蚀作用小。同时，水口多可以保证钻头胎体冷却均匀。
考虑到Ø59 mm和Ø76 mm钻头的水口数量，建议使用的冲洗液量分别为15~40 L/min和15~55 L/min。
随着胎体的磨损，特别是孕镶钻头胎体的磨损，水口高度也在减小，冲洗液流动速度增加。冲洗液流动速度可按下式计算：
| （11） |
式中：——钻头水口数量；——水口宽度；——水口初始高度。
如果推荐的钻头水口流动速度为7~10 m/s，水口高度减小，则冲洗液流量也应随钻头磨损而成比例减小。如果冲洗液量不随水口面积的减小而减小，则在钻头上产生压力降，即产生水力阻力，钻头产生水力回流。如果降低冲洗液量，则岩屑净化和钻头冷却条件没有恶化，而且能耗量减小了，钻进效率提高了。所以，在设计金刚石钻进孔底供给冲洗液量时，这一点需要加以考虑。
全俄勘探技术研究所伊尔库茨克分所进行的研究结果表明，可以把金刚石钻头水口形状和钻探效率联系起来。研究确定，水口形状成对数曲线形、入口部分与钻头回转方向反向，与钻头端面成96°的水口形状是水口的最优形状，这种曲线水口形状见
图16 不同形状水口金刚石钻头
Fig.16 Diamond bits with logarithm curve waterway (a), and vertical line waterway (b)
对数曲线形水口金刚石钻头在钻头体和胎体中，可以形成曲线形通道（
乌克兰超硬材料研究所钻探科研人员提出了极限钻进规程的概念，即当轴载P和转速n的乘积（Pn）达到一定数值时，胎体温度急剧上升，钻头磨损明显加剧，冲洗液量Q再大也无济于事，说明已经到了临界规程状
图17 钻进时钻头胎体温度T和功率消耗量N与钻压转速乘积（Pn)的关系曲线
Fig.17 Drill bit matrix temperature T, power consumption N vs WOB speed product (Pn) during drilling
图18 钻头磨损w与PV乘积的关系曲线
Fig.18 Drill bit wear vs product of weight on bit times rpm (linear) PV
图19 钻头胎体温度T与冲洗液量Q的关系曲线
Fig.19 Drill bit matrix temperature T vs drilling fluid flow rate Q
1—N=1 kW;2—N=2 kW;3—P=8000 N,n=699 r/min; 4—P=12000 N,n=1015 r/min
对于给定的岩石来说，临界规程参数Pn乘积是一个常数（范围），可以通过实验室确定，也可在生产条件下通过研究确定。在数学上F=Pn是一组双曲线，见
图20 规程参数的调整原理
Fig.20 Principle of adjusting drilling parameters
根据上述资料及分析，提出以下认识、讨论和建议。
（1）钻进时为了有效地破碎岩石，需要了解所钻岩石的应力变形状态。在岩石破碎过程中，有不同破碎岩石方式，其中体积破碎方式效果最好，故在钻探工程中为了提高技术经济指标，应该采取措施，使岩石处于体积破碎状态。试验研究确定，在岩石破碎中有预破碎区存在，有利于认识和了解岩石破碎过程。
（2）钻进速度是钻探工程的主要技术指标，常常用机械钻速VM表示（m/h），也可用钻头每转进尺（mm/r）表示。钻进速度与规程参数轴载P、钻头转速n和冲洗液量Q有关，更与后者的合理组合有关。因此，应该对这种组合进行研究。
（3）在规程参数中，轴载是最重要的规程参数，只有这个参数（单位轴载）达到或超过岩石硬度时才能切入岩石，进行破碎。钻头转速是第二个重要参数，其重要性视岩石性质而定，在弱研磨性岩石中，它是很重要的，钻进效果几乎与其成正比；但在研磨性坚硬岩石中钻进时，高转速会使钻头摩擦磨损严重，直接影响钻进效果，故不宜太高。第三个参数是冲洗液量，对保证排除岩屑和冷却钻头非常重要，应予充分保证。
（4）在规程参数调节和优化中，轴载和转速的乘积Pn是决定性限制因素。我们从物理学知道，力和速度的乘积就是功率。在钻探工程上，这个功率指的主要就是动力机（电动机或柴油机等）的功率。为了安全起见，所用Pn不能超过动力机的许用功率。但是为了充分利用动力机功率，提高钻探效率，Pn又不宜太小，即所用Pn曲线应该贴近动力机许用功率曲线。
（5）一般情况下，钻进速度随轴载和转速的提高而增加，故在钻探施工中，为了提高钻速，可以使用尽量大的轴载和转速，但是不能超过临界规程范围。是否到达临界规程范围，可以通过钻机上功率表的变化或柴油机声响、冒黑烟等情况判断，一旦出现异常，应该立即采取措施，调节参数，加以解决。但是，在尽量大的Pn乘积中，对于每一种岩石来说，轴载和转速都有一个最优参数组合，究竟是采取大轴载、小转速、适当水量，还是小轴载、大转速、充足水量组合，宜根据所钻岩石性质和钻进中的实际工况决定，目标是钻探效率高、钻孔质量好。在正常钻进范围内，要保证冲洗液量足额优质，到达临界规程后冲洗液量就“爱莫能助”了。
我国的金刚石钻进在许多领域得到了广泛应用，取得了很大成绩。如果我们能够进一步研究金刚石钻进的理论，进一步总结金刚石钻进的经验，例如我们在20世纪80年代总结出来的“轻压、快转、充足水量”的经验，再把国外的经验消化、吸收，引进为我所用，我们就一定能够做出更大的贡献。
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