金刚石取心钻头干钻热特性试验研究

摘要

干式钻进对环境的影响很小，在没有冷却介质的情况下，对于钻进一些遇水或钻井液发生反应或者产生新的污染等情况而言，可有效解决钻孔取心问题，因此，该方法是地外天体采样的重要手段之一。然而以往地外天体钻头多为硬质合金钻头，对于钻进坚硬岩层具有一定的局限性。金刚石钻进是一种比较先进的回转钻进技术，在油气勘探和地质勘查中应用广泛，是钻进坚硬岩层的利器。本文针对坚硬花岗岩开展了金刚石钻头的干式钻进试验研究，探讨了钻进参数及钻头种类等对钻进过程热特性的影响。研究结果显示：PDC钻头的升温速率较常规表、孕镶取心钻头更低，约为常规孕镶钻头的1/2；PDC取心钻头在适宜的工艺参数下，可实现花岗岩的干式钻进；干式钻进中转速对金刚石钻头升温的影响较大，且呈现非线性增长趋势；钻头在空气中的降温曲线整体呈现指数下降趋势。在300 ℃降温至100 ℃过程中，降温速率≥60 ℃/min。该研究成果可为科学设计与合理使用干式钻进钻头提供依据。

关键词

干式钻进; 金刚石钻头; 表镶钻头; 孕镶钻头; 复合片钻头; 升温速率; 地外天体采样

0 引言

以月球探测与研究为基础，联合其他行星、小行星等地外天体探测活动，可以为太阳系形成与演化、宇宙起源和生命起源等重大科学问题研究提供支持。从20世纪50年代至今，多个国家对地外天体开展了外部探测、内部探测、星表钻取采样等活动，包括原苏联月球（Luna）系列、美国“阿波罗”工程和火星探测计划、欧空局生物火星（ExoMars）探测计划、罗塞塔（Rosetta）彗星探测任务和我国嫦娥系列等^［1-7］，积累了大量的经验和数据，大幅拓展了人类认识的边界。作为深空探测活动的一种重要形式，地外天体钻取采样借助采样钻具的回转和进尺耦合运动可相对高效、便捷、稳定地去除表层土体，在获取沿深度方向星壤样品的同时，可显著减少对周围原位星壤的破坏，因此，该方法被广泛的采用^［8］。在地外天体钻采中，难以引入循环冷却介质，主要以干式钻进为主。干钻对环境的影响很小，在没有冷却介质的情况下（例如干旱地区、地外星球等）能够顺利工作，对于钻进一些遇冲洗液发生反应或者产生新的污染等情况而言，干式钻进是解决钻孔问题的有效方法，具有安全环保、节约成本等优点^［9-10］。

国内对干式钻进用钻头的研究主要集中在对薄壁金刚石钻头的研究，如凸凹齿形结构的研究^［11］，钻头胎体研究等方面^［10-12］。然而由于地外天体钻取工具多为外螺旋双层或多层管结构，钻头壁厚很难控制在3 mm以内。其壁厚与地质钻探单管取心^［13］或BTW系列更接近^［14］，但口径略小。由于钻进深度较小，考虑到耐冲击性能和循环冷却等问题，地外天体钻头干式钻进切削齿大多为硬质合金，相关钻头升温试验报道较多^［15-17］。而对于地外天体可能钻遇的坚硬岩石（如玄武岩等），硬质合金难以压入岩体，无法实现有效钻进取心。金刚石钻进是一种比较先进的回转钻进技术^［12］，主要切削齿为金刚石单晶、聚晶金刚石和PDC。在油气勘探和地质勘查工作中应用广泛，也是目前科学钻探、深部油气勘探和干热岩勘探开发中所采取的主要钻进方式^［18］。随着国内外超硬材料材质、异型结构以及地层-切削齿计算模型等^［19-26］的发展，各种新型钻头应用越来越广泛。对于这类壁厚的金刚石钻头干式钻进坚硬岩石升温性能的研究，相关报道较少。本文结合金刚石切削齿优势，针对坚硬岩石开展了干式钻进试验研究，并对试验结果进行了分析探讨。

1 金刚石钻头干钻试验

本试验旨在探究金刚石取心钻头在干钻试验条件下钻进坚硬花岗岩的升温和降温特性。通过在岩石边缘布设钻孔，实现钻头端面温度的实时数据采集和岩粉自排屑。

1.1 试验平台

采用微型钻进试验平台（如图1所示）开展相关干式回转钻进试验。该装置可提供0~30 kN的钻压以及0~1500 r/min的转速，同时能够实现对钻进过程中转速、钻压以及扭矩等钻进参数的监测、采集和处理，能够满足试验需求。

图1  微型钻进试验平台

Fig.1  Microdrilling test platform

1.2 试验钻头

试验中选用3类取心钻头，分别为孕镶金刚石钻头、聚晶金刚石复合片（PDC）钻头、表镶金刚石钻头（如图2所示），钻头基本信息如表1所示。

图2  干钻试验钻头

Fig.2  Dry drilling test bit

表1  干钻试验钻头基本情况

Table 1  Basic information of dry drilling test bits

钻头类型	规格（外径/内径）/mm	切削齿描述
孕镶	38/18	切削面积S=2.8 cm2
表镶	38/28	切削面积S=2.5 cm2
PDC	38/28	4齿

1.3 温度测量方式

为了获取钻头工作温度，国内相关研究人员大都在近钻头部位预埋温度传感器^［15-17，24］。由于钻头回转切削岩石过程中，切削齿与岩石接触端面会受到摩擦磨损，因此传感器距离钻头实际切削端面有一定距离，难以获得钻头与岩石接触面的最高温度。本试验中，直接在花岗岩边缘布设钻孔，以获得钻头与岩石接触面的最高温度（如图3所示）。

图3  钻孔布设示意

Fig.3  Schematic diagram of borehole layout

钻进过程中，始终保证钻头的部分切削齿外露，采用高分辨率FLIRE40型便携式红外热成像仪在该部位实时获取钻进最高温度（如图4所示）。

图4  测温点位示意

Fig.4  Schematic diagram of temperature measurement points

该仪器热灵敏度<0.07 ℃，量程-100~400 ℃，精度0.1 ℃，可同时实现温度数据采集和存储，能够较好地满足试验要求。钻头回转钻进升温过程中，因为手持测温仪在测温过程中会出现测温点偏移现象，为保证测试数据准确，每间隔10 s或1 min（视钻进情况而定）采集一次数据，记录该段时间内钻头出现过的最高温度。钻头在空气中冷却过程中，由于热传导速率与物质温差大小的影响，为了保证降温特性拟合曲线数据有效性，对冷却过程温度采用分梯度记录方法，在前3 min内，每隔2 s记录一次温度数据，3 min以后每分钟记录一次数据。

1.4 岩石样品

花岗岩和玄武岩均为火山喷发后岩浆冷却形成。花岗岩硬度、可钻性更高，更难钻进。考虑到地外天体采样的不确定性和钻进难度，选用更难钻进的花岗岩作为钻进对象开展相关试验。钻进岩石为可钻性8~9级花岗岩方砖。岩石样品尺寸为：500 mm×500 mm×500 mm。通过前期试验及有关文献^［17，27］得到玄武岩与花岗岩两种岩石性能参数如表2所示。

表2  岩石物理力学参数

Table 2  Parameters of petrophysical mechanics

岩石类型	密度/（g·cm-3）	泊松比	摩式硬度	可钻性
花岗岩	2.65~2.75	0.24	6~7	7~9
玄武岩	2.6~2.9	0.27	5~7	7~8

1.5 试验流程

（1）安装钻头，移动钻头至岩样边缘。为保证手持测温仪能直接测量到钻进过程中钻头的最高温度，仪器始终对准钻头与岩石接触边缘。

（2）设置钻进参数。提升钻头至离岩样表面约10 mm处，启动钻机，调节选定转速，设定机械钻速1 mm/min。

（3）开启手持测温仪实时记录钻进过程中钻头的温度，当检测到最高温度达到300 ℃时停止钻进，提升钻头离开岩样在空气中冷却，记录钻头冷却温度数据。

2 试验结果与讨论

2.1 金刚石钻头种类对升温特性影响

图5为3种金刚石取心钻头在机械钻速1 mm/min、转速120 r/min条件下干钻花岗岩升温至300 ℃所用的时间。

图5  钻头干钻升温至300 ℃所用时间

Fig.5  Diagram of the time taken for dry drilling to 300°C

表镶和孕镶钻头在回转钻进试验中，分别用91 s和114 s就达到300 ℃，不足2 min，升温较快。这与表镶和孕镶钻头的切削作业方式有关。常规表镶和孕镶钻头钻进中为全弧度面接触切削岩石，与岩石的接触点多，摩擦生热量大，因此升温速率较高。如果改变表镶和孕镶钻头与岩石的接触方式，将全弧面切削改成点线接触切削，将能大大改善钻头的耐热性能。PDC钻头在回转切削过程中，升温时间较长，是孕镶钻头的2倍，升温相对较慢。这主要是因为PDC钻头为4齿切削，接触点仅为4个切削刃前端，接触面积小，摩擦生热量小，因此升温速率较低。由此可见，全切削面接触对升温速率有很大影响，这与钻进中摩擦生热有直接关系，接触面积越大，接触点越多摩擦生热越多，从而升温越快。为了提高钻头的耐热性能，可通过钻头异形唇面优化来改善，如设计后倾式短刃接触切削、螺旋布齿点接触切削等。

2.2 转速对PDC钻头温度特性影响

2.2.1 PDC钻头升温特性

有研究指出，干钻过程中钻头切削温度与钻进过程中钻压及转速成正增长趋势，且转速的影响率要大于钻压^［26］。因此，干钻试验不宜选用高转速。结合以往文献给出转速参数，本文试验中选用60 r/min和120 r/min两种转速（机械钻速1 mm/min）开展了转速对PDC取心钻头升降温热特性的影响研究。钻进过程中，不同转速下PDC取心钻头的升温曲线如图6所示。

图6  不同转速下PDC钻头升温曲线

Fig.6  Temperature rising curves of PDC drill bits at different rotary speeds

由图6（a）可知，120 r/min钻进过程中，钻头初始温度为35.0 ℃，50 s时首次超过100 ℃，110 s时超过200 ℃。在0~110 s的钻进过程中，钻头端面最高温度以平均约120 ℃/min的速率急速升高。110~230 s钻进过程中，钻头最高温度以平均约48 ℃/min的速率升温，升温速率保持稳定直至钻头最高温度超过300 ℃。钻头温度在110 s后升温速率明显减缓，原因可能与钻头胎体高度11 mm完全进入钻孔导致温度场平衡发生变化有关。

图6（b）中60 r/min钻进过程中初始温度为32.3 ℃，180 s后超过100 ℃；780 s后超过200 ℃，并在之后一段时间内保持在280~290 ℃附近，最高温度达到295.7 ℃，钻进全程最高温度未超过300 ℃。为保证钻头强度，1800 s后结束钻进。钻头升温速率相对稳定，升温曲线大致呈一条直线，平均升温速率约为20.8 ℃/min，是120 r/min钻速条件下初期升温速率的1/6，由此可见转速对升温速率的影响较大，呈非线性相关。

当钻进至1200 s后，钻头最高温度几乎维持在250~290 ℃之间，分析可能有如下原因：当钻进某一深度时，钻孔内形成了相对稳定的旋转气流，这部分气流会持续带走钻头切削摩擦产生的热量，形成了一定程度的热平衡。

钻进后的PDC取心钻头如图7所示，可观察到干钻试验后，PDC切削齿磨损轻微，聚晶金刚石层完好，体现出PDC钻头耐温性能的优势。

图7  钻进后的PDC取心钻头

Fig.7  The PDC drill bit after drilling

2.2.2 PDC钻头降温特性

钻进结束后，钻头提离钻孔在空气中进行冷却，60 r/min和120 r/min两种转速下PDC取心钻头的降温曲线如图8所示。

图8  不同转速下PDC钻头降温曲线

Fig.8  Cooling curves of the PDC drill bit at different rotary speeds

由图8（a）可以看出，在120 r/min转速下，PDC钻头从最高温度以平均78 ℃/min（20 s内）的速率迅速降温；20~140 s以平均30 ℃/min的速率降温，冷却速率大大减缓；140~300 s以平均12 ℃/min的速率降温，冷却速率进一步减缓；300~600 s以平均3.5 ℃/min的速率降温，降温速率比较缓慢；600 s之后以平均0.9 ℃/min的速率降温，1600 s后降至36.8 ℃。由此可见，当钻头降温至100 ℃后降温速率大大减小，但平均降温速率仍有11.3 ℃/min，60~70 ℃后降温速率较低，平均速率为1.4 ℃/min，钻头降温曲线整体呈现非线性降低趋势。

由图8（b）可以看出，在60 r/min钻进试验降温过程中，钻头最初以平均约60 ℃/min的速率迅速降温；60~120 s以平均约30 ℃/min的速率降温，冷却速率大大减缓；120~180 s以平均约18 ℃/min的速率降温，冷却速率进一步减缓；之后钻头以平均9 ℃/min的速率降温。钻头温度降至100 ℃需要约240 s，但从100 ℃降至58.7 ℃则需要较长时间（480 s）。钻头降温速率先急速衰减再缓慢减小，降温至100 ℃后降温速率大大减小，钻头降温曲线整体呈指数下降趋势。

对比二者的降温速率可知，在空气冷却中，两种转速下的冷却曲线呈现相同的指数下降趋势，120 r/min钻进试验降温速率大于60 r/min降温速率，原因可能是由于120 r/min钻进升温时间较短，仅用230 s就达到300 ℃。钻头受热时间较短，钻头内部储存热量少，从而降温速率较大。

3 结论

根据以上分析，得出如下结论：

（1）在本实验的干式钻进中，在转速120 r/min、1 mm/min的钻进条件下，PDC钻头的升温速率较常规表、孕镶取心钻头更低，约为常规孕镶钻头的1/2。

（2）PDC取心钻头在适宜的工艺参数下，可实现对花岗岩的干式钻进。

（3）干式钻进中，转速对金刚石钻头升温速率的影响较大，且呈非线性增长趋势。

（4）钻头在空气中的降温曲线整体呈指数下降的趋势。在300 ℃到100 ℃降温速率≥60 ℃/min。