孫榮軍, 谷拴成, 石智軍, 張幼振, 張獻振

(1. 西安科技大學 建筑與土木工程學院, 西安 710054)(2. 中煤科工集團西安研究院有限公司, 西安 710077)

聚晶金剛石復合片(polycrystalline diamond compact，以下簡稱PDC)鉆頭是20世紀80年代鉆井工程領域的重大技術創(chuàng)新之一。近年來，隨著我國超硬材料技術的不斷發(fā)展，PDC鉆頭已在石油鉆井、地質勘查鉆探及煤礦坑道鉆探領域內得到廣泛應用。目前，煤礦井下坑道鉆進用鉆頭以PDC鉆頭為主。PDC鉆頭在煤礦井下使用時，受鉆進工藝多樣、地層軟硬不均等因素的影響，PDC經(jīng)常出現(xiàn)崩片、掉片、脫層等現(xiàn)象，特別是在遇到堅硬和裂隙發(fā)育巖石時，鉆進效率低，使用壽命短，迫切需要提高PDC的鉆巖性能。而目前常用的PDC性能檢測方法，只能測試PDC的耐磨性、抗沖擊性、熱穩(wěn)定性等指標，且這些指標都是在實驗室用常規(guī)檢測設備完成的，并沒有按照PDC的實際工作狀態(tài)進行測試。因此，只能反映出PDC的某些單項性能的優(yōu)劣，并不能對PDC的實鉆性能做出客觀的評價[1-3]。

評價PDC鉆頭的實鉆性能，主要通過鉆進時效和使用壽命2個指標來衡量。為滿足煤礦井下硬巖鉆進對PDC鉆頭效率和壽命的要求，我們提出利用微鉆試驗臺對PDC切削齒的實鉆性能進行測試，模擬實鉆過程來獲得能評價PDC實鉆性能的新指標和新方法，為PDC鉆頭切削齒的設計和選型提供參考。

1 國內外PDC性能檢測現(xiàn)狀

1.1 國外技術現(xiàn)狀

國外PDC鉆頭生產(chǎn)廠家對金剛石復合片的選擇方法各異。如GE 公司測試評價PDC切削性能，是用PDC對結構均勻的花崗巖進行車削，切削速度為180 m/min，切深為1 mm。在 PDC對花崗巖的車削過程中，利用測力計檢測PDC的受力大小。PDC在車削一定數(shù)量的花崗巖后，觀察 PDC 自身的磨損量，通過PDC的磨損量來評價PDC的實鉆性能；同時，GE公司還將加熱過的燒結體用掃描電鏡進行斷口分析等。蘇聯(lián)對PDC耐磨性的測定，是用PDC 來刨削指定地區(qū)(一般采用頓涅茨地區(qū)托列茲露采場)采來的固定尺寸的石英砂巖，尺寸為 500 mm×300 mm×250 mm。DeBeers 公司是把 PDC 置于空氣中用馬弗爐加熱，再將其置于還原性氣氛(95% H2+5% N2)中，用還原爐加熱至某一溫度并保持一段時間后，對其失重、耐磨性、石墨化程度和抗沖擊性能進行測定[4-5]?？傮w來講，國外對PDC鉆進性能的測試評價，一般多采用破壞性方法。

1.2 國內技術現(xiàn)狀

國內對PDC性能的測試和評價，主要通過測試磨耗比、沖擊韌性和熱穩(wěn)定性等3個性能指標來實現(xiàn)。鄭州磨料磨具研究所和桂林金剛石廠首先提出并研制了專用的儀器設備，檢測 PDC 的耐磨性能，并制定了測定方法和行業(yè)標準，檢測方法自動化程度和測試效率較高，大大降低了勞動強度[6-8]。熱穩(wěn)定性測試主要采用差熱-熱重法，爐中加熱方式，利用差熱-熱重曲線來分析溫度點，以此來確定復合片的氧化溫度和石墨化溫度等[9-10]?？箾_擊韌性測試通過抗沖擊韌性測定儀完成，這種儀器能較好地模擬PDC 在井下工作時的受力狀態(tài)，并有一套自動檢測和記錄裝置，對數(shù)據(jù)進行采集和記錄[11-14]。以上幾種方法，雖然能反應PDC的部分性能，但是無法模擬出PDC鉆頭實際工作時的受力狀態(tài)，與實際使用情況差別較大。

2 PDC微鉆檢測試驗方案及條件

總體方案:為了測試和評價PDC的實鉆性能，基于電液微鉆試驗臺，將要測試的PDC焊接在φ30 mm兩翼微鉆頭體上，加工成微鉆頭，然后在室內實鉆標準巖樣，測試微鉆頭。系統(tǒng)采集記錄鉆進參數(shù)并計算鉆進效率，以此來評價PDC的實鉆性能[15]。

2.1 微鉆試驗臺

電液微鉆試驗臺由主機、液壓泵站、泥漿泵、泥漿池、系統(tǒng)控制臺、系統(tǒng)遠程控制臺、檢測傳感器及液壓管路等組成。電液微鉆試驗臺主機如圖1所示，系統(tǒng)控制臺和系統(tǒng)遠程控制臺如圖2、圖3所示。

圖1 電液微鉆試驗臺主機

圖2 系統(tǒng)控制臺 Fig. 2 System console圖3 系統(tǒng)遠程控制臺Fig. 3 System remote console

主機包括進給與回轉機構、巖樣移載機構以及輔助機構等，主要由底板、上橫梁部件、活動橫梁部件、立柱、動力頭、巖樣移載機構、液壓油缸等組成。電液微鉆試驗臺能同時實現(xiàn)鉆進控制和數(shù)據(jù)采集：鉆進控制由液壓泵站提供高壓液體，通過液壓控制系統(tǒng)對液壓油缸進行控制；數(shù)據(jù)采集由硬件、各種傳感器、工控機及采集卡、模擬量輸出卡和執(zhí)行器等來完成。

電液微鉆檢驗臺主要技術參數(shù)如下：

(1)主機：轉速0～1500 r/min可調；最大轉矩150 N·m；進給行程500 mm；進給力0～50 kN可調；鉆孔直徑φ25～46 mm。

(2)最大巖樣尺寸：400 mm×400 mm×400 mm。

(3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：鉆進深度檢測精度1 cm；鉆進壓力0～3 kN, 壓力檢測精度0.5%；轉速檢測范圍0～600 r/min。

2.2 微鉆頭設計

根據(jù)微鉆試驗臺測試條件，微鉆頭設計成兩翼型，直徑φ30 mm，PDC型號1308。為了保證1308型PDC的鉆進效率，將PDC的切削角度設計為18°。微鉆頭設計圖和實體圖如圖4、圖5所示。

圖4 φ30 mm PDC錨桿鉆頭設計圖

圖5 φ30 mm PDC錨桿實體圖

2.3 PDC初選

以1308型PDC為評價對象，選擇不同廠商生產(chǎn)的5組同一規(guī)格的煤礦用PDC(代號分別為A、B、C、D、E)進行測試。為了保證試驗的公平性，統(tǒng)一PDC結構尺寸：外徑13.44 mm，厚度8 mm，金剛石層厚度0.5 mm。

首先對5組PDC進行常規(guī)性能測試，常規(guī)性能測試設備為磨耗比測試儀、抗沖擊韌性測定儀、馬弗爐(測試PDC熱穩(wěn)定性用)。測試結果如表1所示。

表1 5組PDC常規(guī)性能測試數(shù)據(jù)

由表1數(shù)據(jù)：A、B、D、E耐磨性較好；A、B抗沖擊韌性較好；A、B、E熱穩(wěn)定性較好：A、B性能較佳，優(yōu)選A、B。要想進一步對比A、B的性能，需要將其焊接到鉆頭體上，在煤礦井下現(xiàn)場實鉆，然后通過實鉆數(shù)據(jù)來分析判斷。微鉆試驗臺正好可以模擬現(xiàn)場實鉆過程，進行PDC實鉆性能的測試和評價。

將模糊自適應PID調速系統(tǒng)與沒加入智能算法的六自由度工業(yè)機器人控制系統(tǒng)系統(tǒng)進行比較，響應對比結果如圖5所示。

2.4 實鉆巖樣選擇

針對煤礦用PDC鉆頭所鉆的地層巖性及可鉆性，選取陜西藍田縣周圍的芝麻黑花崗巖，其規(guī)格為350 mm×350 mm×350 mm。該巖石與煤礦中地層較硬的灰?guī)r性能近似，巖石均質，在鉆進過程中產(chǎn)生的震動較小，不易發(fā)生卡鉆，且其物理化學性能較穩(wěn)定，結構致密，抗壓強度高。花崗巖物理性能如表2所示。

表2 花崗巖物理性能

3 PDC實鉆性能測試

3.1 鉆進試驗參數(shù)

為了保證鉆進試驗與現(xiàn)場實際使用相匹配，結合現(xiàn)場實際使用的鉆進工藝參數(shù)和微鉆試驗平臺的具體技術參數(shù)，規(guī)定鉆進試驗參數(shù)如下：鉆壓2.1 N、轉速240 r/min、泵流量18 L/min、鉆進深度160 mm。巖石鉆孔布置及鉆孔圖如6所示，鉆進順序是從左到右從上到下依次進行。

圖6 試驗鉆孔圖

3.2 鉆進效率測試

對代號A、B的2種同規(guī)格PDC進行鉆進效率測試。為防止微鉆頭在鉆進過程中出現(xiàn)非正常損壞，每種PDC抽選4片，一個微鉆頭用2片，分別制成2只微鉆頭。為方便起見，這2種微鉆頭代號與PDC代號相同。在微鉆試驗臺上，A、B等2組PDC鉆頭各鉆進21個孔，鉆進試驗結果見表3。

表3 A、B 2種PDC鉆頭試驗結果

4 試驗結果分析與評價

4.1 鉆進效率衰減系數(shù)M

從表3可以看出：A、B2種微鉆頭的鉆進效率都是整體逐漸衰減的。為了對比2種規(guī)格PDC鉆頭的鉆進性能，用最小二乘法處理試驗數(shù)據(jù)，擬合回歸方程為：

Y=MX+K

(1)

其中：M定義為鉆進效率衰減系數(shù)，X為鉆孔數(shù)量，Y為單孔鉆進效率，K為初始鉆進時效。

由表3數(shù)據(jù)擬合可得出：A鉆頭的擬合方程Y=-0.027X+1.19，相關系數(shù)R=0.788；B鉆頭的擬合方程Y=-0.074X+1.639，相關系數(shù)R=0.95。圖7為鉆孔數(shù)與鉆進效率及擬合方程圖。

圖7 2種PDC鉆頭鉆孔數(shù)與鉆進效率及擬合方程圖

4.2 鉆進效率均峰值K

為了更好地反映PDC的綜合性能，定義均峰值K：PDC微鉆頭鉆取一定數(shù)量的鉆孔，實測每孔的平均鉆進效率，求其平均值K，稱為鉆進效率均峰值，來反映PDC的綜合平均效率。即：

(4)

式中：yi為第i次鉆進效率，n為試驗次數(shù)。

鉆進效率均峰值K越大，PDC在鉆進過程中的破巖比功越大，表示PDC的切削性能越好；K越小，破巖比功越小，表示PDC的切削性能越差。由表3值計算得出A、B型PDC鉆進效率均峰值分別為0.894 2和1.108 8，可見B型PDC的切削性能優(yōu)于A型的。

4.3 綜合性能評價

綜合A、B的常規(guī)檢測和鉆進實驗結果，得到2種PDC的2種測試方法綜合性能對比表，如表4所示。

表4 2種PDC的2種測試方法綜合性能對比

由表4可知：采用常規(guī)檢測方法進行檢測，2種PDC的測試數(shù)據(jù)接近，無法判斷其質量優(yōu)劣，即無法進行合理選型；在常規(guī)檢測手段的基礎上，再將PDC制成微鉆頭，在電液微鉆平臺上進行鉆進試驗測試，可得出2種PDC的性能差異對比，并能很快進行合理選型。就我們的試驗而言，如果選型主要考慮PDC鉆頭壽命時，優(yōu)選A型PDC；當選型主要考慮PDC鉆頭效率時，以B型為主。

5 結論

(1)提出了一種基于微鉆試驗平臺的對PDC實鉆性能測試的新方法。通過實鉆試驗檢測與常規(guī)檢測相結合，可以很好地區(qū)分常規(guī)性能接近的PDC并進行合理選型，該方法科學、準確、可行。

(2)將電液微鉆試驗臺用于PDC實鉆性能的檢測，能夠模擬PDC實際鉆進中的鉆進過程，提高其地層適應性。

(3)PDC實鉆性能可用鉆進效率衰減系數(shù)和鉆進效率均峰值來評價。鉆進效率衰減系數(shù)越大，PDC在鉆進過程中的效率衰減程度越低，PDC的磨損平穩(wěn)。鉆進效率均峰值越大，PDC的鉆進效率就越高，使用壽命相對較低；反之，則鉆進效率低、使用壽命長。

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