摘要
随着深部矿产资源的勘探开发与利用的不断发展，孔底环境更加复杂，孕镶金刚石钻头作为地质钻探的专用工具，复杂的深部硬岩地质环境对孕镶金刚石钻头性能也提出更高的要求。孕镶金刚石钻头的碎岩效率及寿命与其碎岩单元性能息息相关，本文对深部硬岩钻进中孕镶金刚石钻头的钻进磨损响应研究现状进行综述，目前研究还不够完善，仍需进一步开展微观深入分析，厘清响应机制。在此基础上，讨论了近年来碎岩单元的创新设计进展，重点从胎体内部结构强化及异形孕镶唇面结构等方面总结分析不同强化方式对切削单元强度、磨损量、钻进效率的影响，研究结果表明确实可以有效提高深部硬岩孕镶钻头的切削效率和工作寿命。从延寿增效的角度讨论了适用于深部硬岩钻进的孕镶金刚石钻头碎岩单元强化方向，为深部地质钻探用孕镶金刚石钻头的设计与制造提供参考。
随着我国矿产资源勘查工作的不断深入，浅部资源越来越少，深部矿产资源的勘探开发与利用正逐步成为我国矿产勘查工作未来发展方向。深部地质钻探孔底环境更加复杂，如在某矽卡岩型铁矿勘查钻进作业中钻遇的岩石主要为辉绿岩、辉长岩、玄武岩、矽卡化白云岩、角岩、磁铁矿等岩浆岩和变质岩，与浅层相比岩石在研磨性、硬度方面均有较大差别。在钻进深部复杂硬岩地层中，PDC钻头和牙轮钻头常出现磨损率高、切削效率低、过早失效等问题，极大地增加了钻进成
孕镶金刚石钻头是由多个孕镶块（碎岩单元）组成的旋转磨削钻头，每一个碎岩单元均由金属胎体粉末与金刚石（天然或合成）烧结而成。在孕镶金刚石钻头碎岩过程中，主要靠随机地分布在金属胎体中的金刚石颗粒切削岩石，这些金刚石颗粒主要靠金属胎体提供的把持力固定在钻头唇面
近年来，国内外对孕镶金刚石钻头碎岩单元均开展了大量的研究。本文对孕镶金刚石钻头碎岩单元磨损及其强化研究现状进行综述，总结分析不同强化方式对切削单元强度、磨损量、钻进效率的影响，从延寿增效的角度讨论了适用于深部硬岩钻进的孕镶金刚石钻头碎岩单元强化方向，为深部地质钻探用孕镶金刚石钻头的设计与制造提供参考。
在深部硬岩钻进过程中，孕镶金刚石钻头的钻进响应既受岩石破碎过程的控制，也受磨损过程的控制，这些过程不断改变金刚石的承载面和结合基质。由于这两个过程共存，都影响整体钻进响应，胎体及金刚石颗粒的磨损速率往往很难协调，需要对钻头碎岩单元的钻进磨损过程进行分析研究，各个环节密切配合才能充分发挥钻头的潜力，大幅提高钻头寿命和效
图1 孕镶金刚石钻头碎岩力学响应模型
Fig.1 Modeling the mechanical response of ID bits in rock fragmentationt
每转切深db对应钻头每旋转一圈所磨削破碎岩石的厚度（mm/r）。每个孕镶块的ds是钻头切深的一小部分，取决于钻头唇面孕镶块的数量和排布。金刚石与岩石作用界面处的能量产生和耗散通常表现为前刀面的切削作用和后刀面的摩擦接触两部分。前刀面作用下，钻进系统输入能量全部用于破碎岩石。而在后刀面作用下，金刚石-岩石和基体-岩石两个接触面上发生摩擦接触。
从孕镶金刚石钻头唇面磨损电镜图可以看出，金刚石和基体的磨削面表现出不同的磨损模式（
图2 金刚石磨损机理
Fig.2 Mechanism of diamond wear
在抛光阶段，金刚石的塑性破坏最初发生在尖端随后向金刚石底面移动。磨损面以纵向条纹凹槽（金刚石石墨化）为主要特征（如
图3 磨损面纵向条纹凹槽
Fig.3 Longitudinal striated grooves on the wear surface
除去金刚石外，基体磨损同样也会影响钻头的碎岩响应。基体磨损存在不同的形式，其中磨损（二体磨损和三体磨损）和侵蚀是其主要机制。基体磨损的产生标志着锐化阶段的开始，岩屑在基体上产生三体磨损（滚动）和侵蚀（冲击）接触。在抛光和断裂阶段，金刚石的磨损率可以忽略不计，但在锐化阶段（即钻头自锐），钻头唇面会产生大量热，这可能导致钻头发生烧钻。钻头抛光、断裂和锐化循环过程如E-S图所示（
图4 E-S空间中抛光、断裂和锐化循环过程
Fig.4 Polishing, fracture, and sharpening cycles in E-S space
锐化阶段是一个相对较短的阶段，选取孕镶块磨损循环过程中的一段区域（A）对其进行详细描述（
图5 定切深磨损响应曲线
Fig.5 Constant cutting depth wear response curve
通过对孕镶金刚石钻头磨损响应的研究，钻头寿命及钻进效率与孕镶块的出刃程度、出刃速率以及抛光-断裂-锐化3阶段循环过程紧密相关。根据实际钻进过程中所遇地层结合钻进参数，分析钻头磨损规律，提出对应强化方案是提高钻头性能的主要途径。
为了提高孕镶金刚石在复杂难钻强磨料地层中的钻进效率及钻头寿命，Song
为提高孕镶金刚石钻头的工作效率和使用寿命，国内外专家学者对孕镶金刚石钻头碎岩单元的强化研究进行了大量的工作。贝克休斯推出了一种孕镶钻头，它包含分散的切削元件，在现场钻进中非常有效。孕镶金刚石钻头切削元件的适当平滑度可以提高耐磨性和钻进效
常规的孕镶金刚石钻头强化多从胎体配方、钻头结构、金刚石参数设计、制作工艺等方面开展，现有研究讨论分析较多，综合考虑现有研究现状，在钻头强化方面可总结为以下3
随着地质钻探深度的提高，针对孕镶钻头钻进“打滑”硬岩地层孕镶块磨损性能差以及孕镶块强度不足等问题，国内学者针对孕镶块碎岩单元强化开展了大量的研究。Wang
图6 仿生自再生结构局部切片样品
Fig.6 Local cross‑sectional samples of biomimetic self‑regenerative structure
图7 仿生试样的典型磨损形貌SEM显微图
Fig.7 SEM micrographs illustrating the typical wear morphology of biomimetic samples
Tan
图8 新型复合孕镶金刚石钻头结构
Fig.8 Structure of novel composite ID bit
高转速增加了单位时间内地层的破碎体积，增加了钻头工作层的磨损。因此，通过提高转速可以显著提高钻头的钻进速度。要实现高转速下的高机械钻速和长钻头使用寿命，钻头基体配比和制造工艺必须协调一致。金刚石参数、金属基体配方、钻头结构、制造技术和钻井参数都是实现超硬、致密、非磨粒岩层高效钻井的重要因素。高烧结温度、高压、烧结时间的增加可以提高切削单元支撑体的耐磨性，抑制金刚石突出，显著降低钻进速度。因此，为更好地发挥SDI切削齿的作用效果，应该采用更高的转速或更大的钻头载荷来增加支撑体的磨损，并确保钻头载荷集中在SDI切削齿上。切削单元耐磨性和SDI切削齿与钻头底面的面积比显著成正比。面积比小会导致磨损，形成环形沟槽。同时，较大的面积比阻碍了磨损，容易造成环空裂缝。面积比匹配不当，反而会降低钻头的使用寿命。在未来的应用中，可以通过增加钻头工作层高度或调节SDI切削齿与钻头底面的面积比来延长使用寿命。因此，从孕镶钻头内部结构角度开展研究，向孕镶块内插入强化单元可以有效提高钻头的耐磨性，不同单元件间的磨损响应以及强化单元结构会对钻头性能带来较大改变。
在上覆岩层的压力作用下，深孔内岩石的密实度会增大，不仅岩石密度和硬度会增加，而且岩石有由脆性致密岩向塑性致密岩转变的趋势。同时地层中形成岩矿物坚硬，粒度小，胶结强度高。在该种类型岩石中钻进通常会加速钻头磨损速度，相同钻进深度所需钻头数量更多。针对孕镶钻头使用寿命降低问题，Jia
图9 高胎体孕镶金刚石钻头及保径设计
Fig.9 High core ID bit and gauge‑protection design
与传统钻头相比，新型金刚石钻头寿命提高1.5倍以上，钻速提高20%以上。该钻头可大大提高深孔硬岩的钻进效率。为增加“自由切割面积”和“挤压破碎区”，钻头的唇面形状可采用常规强化方法，设计为梯状、锯齿状。在钻孔的早期阶段，钻头可以在岩石上形成切割的形状，从而降低岩石的整体强度。通过机械破碎和研磨相结合的方法提高岩石破碎效率。
Yang
图10 须家河地层实验钻头实钻前后对比
Fig.10 Xujiahe formation drill bit before and
after actual drilling comparison
综上可知，对孕镶金刚石钻头胎体内部结构开展创新设计，确实可以有效提高深部硬岩孕镶钻头的切削效率和工作寿命，尤其在解决深部致密坚硬地层中的打滑问题效果明显。但部分研究还停留在实验室研发阶段，并未投入到实际钻探中来，下一步应继续结合常规孕镶金刚石钻头强化思路，从胎体配方、钻头结构、金刚石参数设计、制作工艺等方面对技术进一步改进，将会加速此钻头新技术的现场应用推广。
孕镶金刚石钻头唇面结构对钻头钻进影响巨大，常规唇面结构多年来一直未有大的改进，其对深部地层的适应性效果不佳。近年来，国内外研究学者除胎体内部结构强化创新设计外，还在异形孕镶唇面结构创新设计方面展开了大量研究。
Liu
Li
图11 深海硬岩地层金刚石钻头结构
Fig.11 Diamond drill bit structure used in deep‑sea hard rock formations
Suprun
图12 取心钻头及其轴对称几何模型
Fig.12 Core sampling drill bit and its axisymmetric geometric model
图13 确定有效磨损系数示意
Fig.13 Schematic diagram for determining the effective wear coefficient
针对深部的硬滑地层，研究人员根据土壤动物的爪趾特征进行了相关研究。以蝼蛄的爪趾作为单齿结构设计的仿生原型（
图14 以蝼蛄的爪趾作为单齿结构仿的生金刚石钻头
Fig.14 Biomimetic diamond drill bit with single tooth structure inspired by Mole’s Claw
综上可知，对孕镶金刚石钻头异形孕镶唇面结构开展创新设计，同样可以有效改善深部硬岩孕镶钻头的切削效率和工作寿命，尤其在深部硬地层中的提速问题效果明显。目前大部分研究还停留在实验室研发阶段，效果虽然显著，但并未得到现场验证，各设计方法还不够成熟，还需持续改进，进一步完善。
（1）深部硬岩钻进中孕镶金刚石钻头的钻进磨损响应研究虽取得了一定进展，但研究还多停留在宏观层面，有待进一步深入研究。从部分研究成果中可以看出，虽然基于研究成果提出的强化方案大部分改进效果明显，但也存在改进效果不稳定的问题。可见，深部硬岩胎体及金刚石颗粒的磨损速率协调难的问题依然未能根本解决。未来仍需进一步深入细化研究钻头的钻进磨损响应，开展微观磨损细致分析，为深部地质钻探用孕镶金刚石钻头的设计提供依据。
（2）从胎体配方、钻头结构、金刚石参数设计、制作工艺等方面开展的常规孕镶金刚石钻头强化研究，并不能很好地满足深地复杂的孔底环境要求，常规强化方法的强化效果受限。国内外研究学者从胎体内部结构强化及异形孕镶唇面结构等方面提出了众多创新设计强化思路，研究结果表明确实可以有效提高深部硬岩孕镶钻头的切削效率和工作寿命。但大部分强化效果未得到现场验证，还需下一步继续结合常规孕镶金刚石钻头强化思路对技术进一步改进。创新孕镶金刚石钻头碎岩单元设计，大幅提升钻头的使用寿命和工作效率，解决深部硬岩传统孕镶金刚石钻头通常会出现的破岩速度慢、钻头寿命短、破岩成本高等问题，依然是未来深部地质钻探用孕镶金刚石钻头的设计与制造的重要研究方向。
参考文献（References）
王滨，邹德永，李军，等.深部及复杂地层中PDC钻头综合改进方法［J］.石油钻采工艺，2018，40（1）：44-51. [百度学术]
WANG Bin， ZOU Deyong， LI Jun， et al. A comprehensive method to improve the performance of PDC bits in deep and complex formations［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2018，40（1）：44-51. [百度学术]
Liu W， Gao D. Study on the anti‑wear performance of diamond impregnated drill bits［J］. International Journal of Refractory Metals & Hard Materials， 2021，99. [百度学术]
李梦.无硬质相胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头研究［D］.长春：吉林大学，2017. [百度学术]
LI Meng. Research on no‑hardphase‑matrix impregnated diamond bit with bionic abnormal shape［D］. Changchun： Jilin University， 2017. [百度学术]
李梦，苏义脑，孙友宏，等.高胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头［J］.吉林大学学报（工学版），2016，46（5）：1540-1545. [百度学术]
LI Meng， SU Yinao， SUN Youhong， et al. High matrix bionic abnormal shape impregnated diamond bit［J］. Journal of Jilin University （Engineering and Technology Edition）， 2016，46（5）：1540-1545. [百度学术]
王训波，谭刚，高晓亮.多层水口高胎体孕镶金刚石钻头研究［J］.硬质合金，2011，28（2）：93-97. [百度学术]
WANG Xunbo， TAN Gang， GAO Xiaoliang. Study on impregnated diamond bit using multilayer water way［J］. Cemented Carbide， 2011，28（2）：93-97. [百度学术]
王传留，孙友宏，高科，等.金刚石钻头可再生水口的试验［J］.吉林大学学报（地球科学版），2010，40（3）：694-698. [百度学术]
WANG Chuanliu， SUN Youhong， GAO Ke， et al. Experimental study on bionic nozzle of diamond bit［J］. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2010，40（3）：694-698. [百度学术]
蒋青光，张绍和，陈平，等.新型优质孕镶金刚石钻头研制［J］.金刚石与磨料磨具工程，2008（6）：12-16. [百度学术]
JIANG Qingguang， ZHANG Shaohe， CHEN Ping， et al. Development of new type and high quality impregnated diamond bits［J］. Diamond & Abrasives Engineering， 2008（6）：12-16. [百度学术]
杨俊德，陈章文.新型高时效金刚石钻头试验研究［J］.超硬材料工程，2007（1）：26-28. [百度学术]
YANG Junde， CHEN Zhangwen. The experimental study on the new pattern diamond bit with high drilling speed［J］. Superhard Material Engineering， 2007（1）：26-28. [百度学术]
Franca L F P， Mostofi M， Richard T. Interface laws for impregnated diamond tools for a given state of wear［J］. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2015，73：184-193. [百度学术]
Mostofi M， Richard T， Franca L， et al. Wear response of impregnated diamond bits［J］. Wear， 2018，410：34-42. [百度学术]
Song D， Ren Z， Yang Y， et al. Drilling performance analysis of impregnated micro bit［J］. Mechanical Sciences， 2022，13（2）：867-875. [百度学术]
Botelho R.， Barreto J.， Anato W. Drilling optimization at the Aloctono Block in Venezuela with the utilization of latest technologies in impregnated bits an dturbines［J］. SPE99602，2006. [百度学术]
Pan B.S.， Yang K.H.， et al. Effect of diamond particle size on properties of impregnated diamond［J］. Coal Geol. Explor.， 2002，30（3）：62-64. [百度学术]
BeatonTim，JohnsonKeith. New technology in diamond drill bits improves performance in variable formations［J］. SPE 59113，2000. [百度学术]
Yang J. D.， Chen Z. W. Experimental study on new type high aging diamond bit［J］. Superhard Mater. Eng. 2007，19（1）：26-28. [百度学术]
Li M.， Su Y. N.， Sun Y. H.， et al. 2016. Diamond bit impregnated with bionic profiled teeth and high matrix［J］. Jilin Univ. （Eng. Ed.）， 2016，46（5）：1540-1545. [百度学术]
Wang Z. Z. Study on wear-resistant and synergistic mechanism of biomimetic coupled impregnated diamond bit［D］. Changchun： Jilin University， 2017. [百度学术]
苏力才，李永卫，李明星，等.孕镶金刚石钻头选择及高效钻进实践探讨［J］.西部探矿工程，2022，34（6）：91-94，97. [百度学术]
SU Licai， LI Yongwei， LI Mingxing， et al. Selection and efficient drilling practices of pregrooving diamond drill bits： A discussion［J］. West‑China Exploration Engineering， 2022，34（6）：91-94，97. [百度学术]
常思，刘宝昌，韩哲，等.热-机碎岩孕镶金刚石钻头的设计及试验研究［J］.钻探工程，2022，49（2）：77-84. [百度学术]
CHANG Si， LIU Baochang， HAN Zhe， et al. Design and test of the impregnated diamond drill bit assisted by frictional heat［J］. Drilling Engineering， 2022，49（2）：77-84. [百度学术]
高科，王金龙，赵研，等.仿生自补偿一体式高胎体孕镶金刚石取心钻头研究［J］.钻探工程，2022，49（1）：16-24. [百度学术]
GAO Ke， WANG Jinlong， ZHAO Yan， et al. Bionic self-compensating integrated high‑matrix impregnated diamond coring bit［J］. Drilling Engineering， 2022，49（1）：16-24. [百度学术]
王悦，张凯，李其州，等.超高速下单粒金刚石与岩石相互作用响应的研究［J］.钻探工程，2023，50（3）：21-29. [百度学术]
WANG Yue， ZHANG Kai， LI Qizhou， et al. Research on the response of single diamond particles and rock interaction at ultra‑high speed［J］. Drilling Engineering， 2023，50（3）：21-29. [百度学术]
汤凤林，赵荣欣，Нескоромных B.B.，等.金刚石钻进技术指标综合研究及其计算机控制［J］.钻探工程，2023，50（3）：1-7. [百度学术]
TANG Fenglin， ZHAO Rongxin， NESKOROMNYH V.V.， et al. Comprehensive research on technical indexes in diamond drilling and their computer control［J］. Drilling Engineering， 2023，50（3）：1-7. [百度学术]
汤凤林，沈中华，段隆臣，等.不同地层钻进用金刚石钻头分析研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2018，45（4）：87-92. [百度学术]
TANG Fenglin， SHEN Zhonghua， DUAN Longchen， et al. Analytical research on diamond drill bits used in different formations［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2018，45（4）：87-92. [百度学术]
梁振德，韦锋.适应深孔条件的孕镶金刚石钻头分析［J］.中国设备工程，2020（8）：161-162. [百度学术]
LIANG Zhende， WEI Feng. Analysis of pregrooving diamond drill bits adapted to deep‑hole conditions［J］. China Plant Engineering， 2020（8）：161-162. [百度学术]
张绍和，孔祥旺，孙平贺，等.孕镶金刚石钻头设计与制造新技术回顾与展望［J］.钻探工程，2023，50（S1）：1-12. [百度学术]
ZHANG Shaohe， KONG Xiangwang， SUN Pinghe， et al. Review and prospect of new technologies for design and manufacture of impregnated diamond bits［J］. Drilling Engineering， 2023，50（S1）：1-12. [百度学术]
汤凤林，Чихоткин В.Ф.，段隆臣，等.机械钻速与金刚石底出刃、钻进规程参数关系的试验研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2019，46（12）：73-79. [百度学术]
TANG Fenglin， CHIKHOTKIN V. F.， DUAN Longchen， et al. Experimental research on dependence of penetration rate on diamond exposure at bit face and drilling parameters［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2019，46（12）：73-79. [百度学术]
凌振武，骆建诗.提高金刚石钻头在深孔硬岩钻进中寿命的途径［J］.城市建设理论研究（电子版），2018（12）：54. [百度学术]
LING Zhenwu， LUO Jianshi. Ways to improve the lifespan of diamond drill bits in deep‑hole drilling of hard rock［J］. Theoretical Research in Urban Construction， 2018（12）：54. [百度学术]
王佳亮，张绍和.针对坚硬致密弱研磨性岩层的金刚石钻头研究进展［J］.金刚石与磨料磨具工程，2016，36（2）：78-83，88. [百度学术]
WANG Jialiang， ZHANG Shaohe. Progress and development on impregnated diamond bit for ultra hard compact and weak-abrasion rock formation［J］. Diamond & Abrasives Engineering， 2016，36（2）：78-83，88. [百度学术]
沈立娜，张宜，郭庆斌，等.多级金刚石表孕镶钻头在坚硬岩屑砂泥岩互层的应用研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2018，45（12）：36-39. [百度学术]
SHEN Lina， ZHANG Yi， GUO Qingbin， et al. Research on the application of multi‑stage surface set diamond bit in very hard rock and mudstone interbed［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2018，45（12）：36-39. [百度学术]
Wang Z， Zhang Z， Sun Y， et al. Wear behavior of bionic impregnated diamond bits［J］. Tribology International， 2016，94：217-222. [百度学术]
Tan S， Fang X， Yang K， et al. A new composite impregnated diamond bit for extra‑hard， compact， and nonabrasive rock formation［J］. International Journal of Refractory Metals & Hard Materials， 2014，43：186-192. [百度学术]
Jia M L， Cai J P， Ouyang Z Y， et al. Design & application of diamond bit to drilling hard rock in deep borehole［C］//2014 International （China） Geological Engineering Drilling Technology Conference （Igedtc2014）， 2014，73：134-142. [百度学术]
Yang Y， Song D， Ren H， et al. Study of a new impregnated diamond bit for drilling in complex， highly abrasive formation［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering， 2020，187. [百度学术]
Liu Y， Mavroidis C， Bar-Cohen Y， et al. Analytical and experimental study of determining the optimal number of wedge shape cutting teeth in coring bits used in percussive drilling［J］. Journal of Manufacturing Science and Engineering-Transactions of The Asme， 2007，129（4）：760-769. [百度学术]
Li X， Xiong L， Xie W， et al. Design and experimental study of core bit for hard rock drilling in deep‑sea［J］. Journal of Marine Science and Engineering， 2023，11（2）. [百度学术]
Suprun M V， Kushch V I， Zakora A P， et al. Assessment of wear resistance of a core drilling bit with hybridite reinforcing inserts［J］. Journal of Superhard Materials， 2015，37（6）：431-437. [百度学术]
Flegner P， Kacur J， Durdan M， et al. Significant damages of core diamond bits in the process of rocks drilling［J］. Engineering Failure Analysis， 2016，59：354-365. [百度学术]
