湯鳳林，趙榮欣，Нескоромных B.B.，李 博，周 欣，段隆臣，Чихоткин В.Ф.

（1.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 200032； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.西伯利亞聯(lián)邦大學(xué)（Сибирский Федеративный Университет），俄羅斯 克拉斯諾雅爾斯克市（г.Красноярск， Россия） 660095； 4.湖北省地震局，湖北 武漢 430064）

1 巖石破碎概述

PDC（Polycrystalline Diamond Compact）復(fù)合片鉆頭在地質(zhì)勘探、石油天然氣鉆井及其它有關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果［1-12］。但是，對(duì)于其巖石破碎過(guò)程及其與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)間的關(guān)系研究不夠深入，影響了技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的進(jìn)一步提高。俄羅斯鉆探工作者在這方面做了很多工作，取得了一定效果，值得引起我們的注意［13-34］。

在地質(zhì)鉆探和石油鉆井中，向下鉆進(jìn)過(guò)程中如何破碎巖石是用壓模試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)試驗(yàn)確定的，即根據(jù)壓模試驗(yàn)結(jié)果，按照破碎特點(diǎn)和破碎結(jié)果確定的，巖石破碎有3 種方式，見(jiàn)圖1［6，9-10］。

圖1 巖石的不同破碎方式Fig.1 Different modes of rock fragmentation

從圖1 可見(jiàn)，切削具上壓模壓力P不大時(shí)，切削具與巖石的接觸壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巖石硬度，切削具不能破碎巖石，巖石的破碎是由切削刃與巖石接觸摩擦所做的功引起的，分離下來(lái)的巖石顆粒很小，破碎速度低，破碎深度h很淺，這種破碎方式稱為巖石表面破碎，這個(gè)區(qū)域稱為表面破碎區(qū)Ⅰ。如果切削具上的壓模壓力增加，使巖石晶間破壞，巖石結(jié)構(gòu)間缺陷發(fā)展，特別是巖石受多次壓力影響產(chǎn)生的疲勞裂隙更加發(fā)展，眾多裂隙交錯(cuò)，盡管切削具與巖石的接觸壓力仍然小于巖石硬度，但仍可產(chǎn)生較粗顆粒的分離，這種破碎方式稱為疲勞破碎，這個(gè)區(qū)域稱為疲勞破碎區(qū)Ⅱ。如果切削具上的壓模壓力繼續(xù)增加，大于或等于巖石硬度，切削具可以有效切入巖石，在巖石移動(dòng)時(shí)切下巖屑，這種破碎方式稱為體積破碎，這個(gè)區(qū)域稱為體積破碎區(qū)Ⅲ。體積破碎時(shí)，可以分離出大顆粒巖石，破碎效果好。

可見(jiàn)，在鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)該盡量使巖石破碎處于體積破碎狀態(tài)。

2 金剛石鉆進(jìn)巖石破碎過(guò)程及其與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的優(yōu)化關(guān)系

2.1 金剛石鉆進(jìn)巖石破碎過(guò)程

我們可以以鉆頭切入巖石深度為切入點(diǎn)，來(lái)討論金剛石鉆進(jìn)時(shí)的巖石破碎過(guò)程［6，13，16］（見(jiàn)圖2）。

圖2 金剛石破碎巖石過(guò)程示意Fig.2 Scheme of rock fragmentation process by diamond

機(jī)械鉆速VM可按下式計(jì)算：

式中：VT、Vp——分別為巖石破碎形成裂隙的速度和金剛石移動(dòng)的線速度，m/s；λ——影響提高VT各因素（如巖石結(jié)構(gòu)缺欠等）的系數(shù)；Сг——巖石單位體積剛度，N/cm3；σ——巖石壓縮核中的應(yīng)力，N/cm2；n——鉆頭轉(zhuǎn)速，r/min；np——切削線上有效破碎巖石的金剛石粒數(shù)，粒；N0——切削線上的金剛石總粒數(shù)，粒；h、hл——分別為金剛石顆粒切入巖石的深度和巖石破碎形成裂隙的深度，mm。

假設(shè)金剛石是球狀的，則式（1）中：

式中：R——扭矩切力F和軸載P的合力；Sck——巖石破碎時(shí)的剪切面積。

巖石破碎形成裂隙的深度hл，可以如下表示：

式中：α——合力R和軸載P的夾角；d——金剛石直徑；h——金剛石切入巖石深度。

金剛石切入巖石深度h為：

式中：P——軸載，N；F——扭矩切力，N；2l——裂隙長(zhǎng)度，mm；a——晶格常數(shù)，mm；d——金剛石直徑，mm；E——巖石彈性模量，Pa；ε——巖石破碎時(shí)巖石變形的相對(duì)變形量（長(zhǎng)度）；αп——巖石熱膨脹系數(shù)，mm/℃；t——巖石表層溫度，℃；τ——破碎載荷的施載時(shí)間，s；τ0——固體中原子振動(dòng)周期，為10-12～10-13s。

2.2 巖石破碎過(guò)程與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的關(guān)系［6，13，16-17］

巖石破碎過(guò)程往往是以該過(guò)程中的鉆進(jìn)（巖石破碎）速度及其變化情況表示的。鉆進(jìn)速度可以用鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺（mm/r）或機(jī)械鉆速（m/h）表示。

鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的關(guān)系及巖石破碎示意Fig.3 The relationship between drill penetration per revolution and drilling specification parameters and the rock breaking scheme

從圖3（a）可見(jiàn)，如果軸載增加，則不論鉆頭轉(zhuǎn)速如何，鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺的數(shù)值都是增加的，在巖石表面疲勞破碎階段和體積破碎階段都是如此。

鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺與鉆頭轉(zhuǎn)速的關(guān)系比較復(fù)雜。在表面疲勞破碎階段，如果軸載不能足以產(chǎn)生體積破碎，則轉(zhuǎn)速高時(shí)的每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)y數(shù)值大是其特點(diǎn)。隨著轉(zhuǎn)速的降低，在軸載（P1→P2→P3）增加時(shí)，每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)y的數(shù)值趨于相等。其原因在于在巖石疲勞破碎過(guò)程中，切削具多次重復(fù)循環(huán)施載而使巖石中產(chǎn)生大量的裂隙并使其發(fā)展，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度和硬度降低?？梢?jiàn)，當(dāng)切削具載荷不能足以切入巖石時(shí)，如果采用高的鉆頭轉(zhuǎn)速，則這種施載方式可能比較有效。

當(dāng)施加的軸載Pn到達(dá)一定數(shù)值時(shí)，此時(shí)的軸載足以使切削具切入巖石，所以，破碎巖石變成體積破碎方式。但是，體積破碎時(shí)，鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺的高值是在較低鉆頭轉(zhuǎn)速（n，r/min）下取得的，鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺的數(shù)值是隨鉆頭轉(zhuǎn)速的增加而降低的。形成這種機(jī)制的原因是，在形成破碎穴時(shí)，巖石沿著孔底表面（AБ線）被切削具剪切下來(lái)。如果切削具移動(dòng)速度（公式（1）中的Vp）等于AБ（見(jiàn)圖3c）方向上形成巖石分離裂隙的速度（公式（1）中的VT），則巖石破碎情況下是最優(yōu)的。而在高轉(zhuǎn)速時(shí)，切削具前面巖石分離裂隙的形成速度VT小于切削具移動(dòng)速度Vp，切削具承受的巖石阻力增大，猶如“漂浮”起來(lái)，即切削具切入巖石深度降低了（見(jiàn)圖3d）。切削具“漂浮”時(shí)，應(yīng)該減小分離裂隙A*Б*長(zhǎng)度，以便切削具移動(dòng)速度重新等于分離裂隙AБ形成的速度。

巖石體積破碎時(shí)，如果轉(zhuǎn)速增加，可以通過(guò)增加軸載（P4、P5、P6）辦法，來(lái)使每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)0相近（圖3a）。所以，為了保持合理的鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺，隨著鉆頭轉(zhuǎn)速的增加，應(yīng)該增加鉆頭軸載。

巖石體積破碎時(shí)，破碎效果良好。為此需要凈化孔底巖屑，保持軸載和轉(zhuǎn)速的合理組合，以便巖石分裂裂隙AБ（圖3c）形成速度與切削具移動(dòng)速度相應(yīng)，即巖石壓縮核中的應(yīng)力，在剪應(yīng)力和拉應(yīng)力的作用下，足以剪切掉切削具前面的巖石。

孔底巖屑堵塞時(shí)，如果供給的沖洗液量不足，則巖石破碎條件惡化。在這種情況下，如果巖石體積破碎所需軸載足夠充分的話，則可以看到與表面疲勞破碎類似的破碎方式，鉆頭切削具重復(fù)破碎巖屑?jí)|，不能產(chǎn)生有效破碎巖石的應(yīng)力。在這種情況下，鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，將與表面疲勞破碎方式類似，鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺在較高鉆頭轉(zhuǎn)速（nmax）時(shí)達(dá)到高值（見(jiàn)圖4a、b）［13，16-17］。

圖4 鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺與規(guī)程參數(shù)的關(guān)系及孔底巖屑堵塞時(shí)巖石破碎示意Fig.4 Relationship between drill penetration per revolution and specification parameters and schematic diagram of rock breaking when rock cuttings are blocked at hole bottom

但是，如果軸載過(guò)大，則會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的熱力機(jī)械破碎巖石的方式（圖4c），此時(shí)鉆頭熱力強(qiáng)度降低，導(dǎo)致鉆頭損壞。所以，為了避免鉆頭熔化損壞、甚至燒鉆，應(yīng)該停止鉆進(jìn)，采取相應(yīng)措施。

3 PDC 鉆頭破碎巖石過(guò)程及其與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的優(yōu)化關(guān)系［6，13，16-17］

PDC 切削具鉆進(jìn)時(shí)，金剛石是破碎巖石的硬質(zhì)點(diǎn)。從大類上來(lái)說(shuō)，PDC 切削具鉆進(jìn)應(yīng)該屬于金剛石鉆進(jìn)范疇。

俄羅斯西伯利亞聯(lián)邦大學(xué)Нескоромных B.B.教授和吉林大學(xué)劉寶昌教授（在俄發(fā)表文章的中國(guó)作者）等，對(duì)PDC 復(fù)合片鉆頭破碎巖石過(guò)程及其與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的優(yōu)化關(guān)系進(jìn)行了研究，取得了一定的成果。

3.1 巖石破碎過(guò)程受力分析

PDC 切削具鉆進(jìn)時(shí)，軸載P和扭矩切力Fp在形成合力R的方向上對(duì)巖石施加作用。俄羅斯專家和史密斯公司的研究表明，在距復(fù)合片中心線0.8r（半徑）處，切削具磨損最嚴(yán)重，說(shuō)明此處的破碎阻力最大（見(jiàn)圖5）。切削具鉆進(jìn)受力分析時(shí)，要考慮破碎巖石的作用力，也要考慮巖石中的應(yīng)力（反力），要考慮切削具前面已經(jīng)破碎巖石的阻力，也要考慮切削具轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)和介質(zhì)（沖洗液）的阻力。

圖5 PDC 切削剪切破碎巖石時(shí)的受力分析Fig.5 Force analyses of rock cutting?shearing by PDC

巖石切削剪切破碎時(shí)的反力（碎巖阻力）RB的方向與合力R的方向相反，與切削具端面成90°角度。

式中：σck——巖石剪切強(qiáng)度極限，Pa；Sck——切削具前面剪切面積，m2；K——考慮切削具線性速度提高時(shí)巖石阻力增加的系數(shù)

式中：d——切削具直徑，m；h——切削具切入巖石深度，m；γck——切削具前面剪切巖石角度，（°）。

則（5）式可改寫為：

考慮切削具移動(dòng)速度和介質(zhì)密度的介質(zhì)阻力RP為：

式中：VP——切削具移動(dòng)速度，m/s；ρc——把從破碎區(qū)和破碎巖石中流出沖洗液的密度考慮在內(nèi)的介質(zhì)重量，N/m3；S——切削具或其在切削線上投影的面積，m2；cc——切削具形狀系數(shù)（平面切削具為1，凸圓形切削具為0.5，圓弧形切削具為1.5）。

所以，沿著孔底回轉(zhuǎn)的PDC 切削具的總阻力為RB+RP。

3.2 巖石破碎過(guò)程與規(guī)程參數(shù)關(guān)系

為了研究PDC 鉆頭鉆進(jìn)時(shí)巖石破碎過(guò)程與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的關(guān)系，俄羅斯科研人員在實(shí)驗(yàn)室條件下，用直徑76.2 mm、鑲有6 個(gè)直徑10 mm PDC 的鉆頭，在鉆進(jìn)大理巖時(shí)進(jìn)行了試驗(yàn)。研究了鉆進(jìn)技術(shù)指標(biāo)（機(jī)械鉆速Vб、每轉(zhuǎn)鉆頭進(jìn)尺h(yuǎn)0、鉆進(jìn)功率Nб和單位進(jìn)尺能耗量Nб/Vб）與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的關(guān)系［13，16-19］。

他們利用二水平、全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)資料建立了這幾個(gè)技術(shù)指標(biāo)與鉆進(jìn)過(guò)程參數(shù)（鉆壓Poc、轉(zhuǎn)速n和沖洗液量Q）關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。由于沖洗液性能和數(shù)量都能滿足試驗(yàn)要求，故在此只討論下面這幾個(gè)技術(shù)參數(shù)與鉆頭軸載、鉆頭轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

機(jī)械鉆速：

鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺：

鉆進(jìn)功率消耗：

單位進(jìn)尺能耗量：

圖6 是利用鑲有6 個(gè)直徑為10 mm PDC 的鉆頭鉆進(jìn)大理巖時(shí)，機(jī)械鉆速Vб（m/h）與鉆頭軸載（dN）、鉆頭轉(zhuǎn)速n（r/min）的關(guān)系圖。

圖6 機(jī)械鉆速Vб與鉆頭軸載、鉆頭轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.6 The relationship between the mechanical drilling rate Vб figure and the bit shaft load and the bit speed

圖7 是鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)об（mm/r）與鉆頭軸載、鉆頭轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。

圖7 鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)об與鉆頭軸載、鉆頭轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.7 The relationship between the bit footage per revolution hоб, the bit shaft load and the bit speed

從圖7 可見(jiàn)，如果把單位進(jìn)尺能耗量（見(jiàn)公式12）最優(yōu)值考慮在內(nèi)，則最為有效的鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)об是1.3～1.4 mm/r。此時(shí)可以得到最高的機(jī)械鉆速（鉆頭轉(zhuǎn)速由100 r/min 提高到170 r/min，鉆頭軸載從710 dN 提高到755 dN 時(shí)，則機(jī)械鉆速為7.8 m/h 到13.3 m/h），見(jiàn)圖6。

圖8 是不同鉆頭轉(zhuǎn)速時(shí)，鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)об（mm/r）與鉆頭軸載的關(guān)系圖。

圖8 不同鉆頭轉(zhuǎn)速時(shí)，鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)об與鉆頭軸載的關(guān)系Fig.8 The relationship between hоб per bit revolution and shaft load of the bit at different bit speeds

從圖8 可見(jiàn)，鉆頭軸載為455 dN 時(shí)，鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)об（mm/r）出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這個(gè)軸載把巖石破碎過(guò)程分成了巖石表面疲勞破碎部分（455 dN 以前）和體積破碎部分（455 dN 以后）。

巖石破碎方式以及鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺與鉆頭轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：

（1）巖石表面疲勞破碎時(shí)，軸載數(shù)值（巖石應(yīng)力）不足以產(chǎn)生體積破碎，最大鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)1在鉆頭轉(zhuǎn)速最大（200 r/min）時(shí)出現(xiàn)，最小鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)3在鉆頭轉(zhuǎn)速最小（50 r/min）時(shí)出現(xiàn)。

（2）巖石體積破碎時(shí)與此相反，最大鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)1在鉆頭轉(zhuǎn)速最?。?0 r/min）時(shí)出現(xiàn)，而最小鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)3在鉆頭轉(zhuǎn)速最大（200 r/min）時(shí)出現(xiàn)。

圖9 表示巖石表面疲勞破碎、軸載330 dN 時(shí)，鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)об（mm/r）與鉆頭轉(zhuǎn)速的關(guān)系，以及巖石體積破碎、軸載600、700、800 dN 時(shí)，鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)об（mm/r）與鉆頭轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

圖9 不同軸載時(shí)鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)об與鉆頭轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.9 The relationship between hоб per revolution of drill bit and bit speed under different coaxial load

從圖9 可見(jiàn)，巖石表面疲勞破碎（圖9 中的曲線1）時(shí)，鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺隨著鉆頭轉(zhuǎn)速的增加而增加。而在體積破碎時(shí)，例如圖9 中的2、3、4 曲線，鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺隨著鉆頭轉(zhuǎn)速的增加而降低，說(shuō)明隨著切削剪切線速度的增加，來(lái)自巖石和介質(zhì)的阻力增加了。當(dāng)軸載及與其相應(yīng)的切入巖石深度增加時(shí)，巖石切削剪切速度減慢。速度減慢系數(shù)K可以用β角表示：

式中：Δhб——鉆頭轉(zhuǎn)速提高（例如從n1提高到n2）時(shí)的鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺降低值；Δn——鉆頭轉(zhuǎn)速提高的區(qū)間，例如從n1提高到n2（見(jiàn)圖9）。

3.3 巖石破碎過(guò)程的控制和規(guī)程參數(shù)的調(diào)整［16-17］

PDC 鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中，巖石發(fā)生體積破碎是最理想的鉆進(jìn)效果。但是，在鉆進(jìn)過(guò)程中，甚至在一個(gè)回次中，常常可能遇到巖石可鉆性級(jí)別發(fā)生變化，鉆頭產(chǎn)生磨損，產(chǎn)生巖屑的數(shù)量發(fā)生變化，孔底凈化條件惡化，導(dǎo)致體積破碎狀態(tài)變化，體積破碎變成表面疲勞破碎。巖石破碎方式發(fā)生變化的情況見(jiàn)圖10。

圖10 使用不同階段鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)об變化與軸載、轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.10 Dependence of change of bit penetration per revolution hоб from weight on bit and its rotary speed at different stages of bit working

巖石破碎過(guò)程可以通過(guò)孔底遙測(cè)系統(tǒng)控制，也可以用計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)APS 控制。圖11 示出了以設(shè)定的最優(yōu)鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)об為準(zhǔn)則，控制和調(diào)整規(guī)程參數(shù)的計(jì)算機(jī)程序控制的截圖。

圖11 根據(jù)設(shè)定的最優(yōu)鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)об標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的程序控制圖Fig.11 Screenshot of the program, adjusting drilling parameters according to the optimal bit penetration per revolution hоб

從圖11 可見(jiàn)，設(shè)定的最優(yōu)鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺為hоб（點(diǎn)紅線）。在第Ⅰ階段，鉆頭轉(zhuǎn)速?gòu)膎1增到n12，鉆頭軸載沒(méi)有變化（500 dN）。此時(shí)，由于鉆頭回轉(zhuǎn)時(shí)被破碎巖石的阻力和介質(zhì)的阻力增加，致使鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺下降，hоб降為h1，因此，機(jī)械鉆速VM下降了。為了改變這種情況，轉(zhuǎn)到第Ⅱ階段，鉆頭轉(zhuǎn)速由n12轉(zhuǎn)到n2，然后，依次分別轉(zhuǎn)到第Ⅲ階段n3（鉆頭轉(zhuǎn)速由n2轉(zhuǎn)到n3）和第Ⅳ階段n4（鉆頭轉(zhuǎn)速由n3轉(zhuǎn)到n4），要求鉆頭軸載分別增加到600、700、800 dN，則可以保證鉆頭轉(zhuǎn)速增加時(shí)，機(jī)械鉆速可以穩(wěn)步增加 。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)資料（參見(jiàn)圖6），可以看到鉆頭軸載和鉆頭轉(zhuǎn)速改變時(shí)，鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺變化的情況。根據(jù)上述試驗(yàn)資料可知，如果以單位進(jìn)尺能耗量Nб/Vб（見(jiàn)式12）最低為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，則最為有效的鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)об是1.3～1.4 mm/r，此時(shí)可以得到最高的機(jī)械鉆速。例如，我們?nèi)°@頭高效每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)об為1.3 mm/r，如果把鉆頭轉(zhuǎn)速由100 r/min 提高到170 r/min，把鉆頭軸載從710 dN 提高到755 dN，則機(jī)械鉆速可以從7.8 m/h 提高到13.3 m/h（參見(jiàn)圖6和圖7）。

4 分析、討論與建議

（1）鉆探的目的是要破碎巖石，打出鉆孔。破碎巖石的方式有表面破碎、疲勞破碎和體積破碎，體積破碎效果最好。我們應(yīng)該爭(zhēng)取在鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)體積破碎。

（2）由于孔內(nèi)地層、巖石可鉆性、鉆探設(shè)備工具和鉆進(jìn)工藝的變化，以及施工人員技能的不同，在鉆進(jìn)過(guò)程中破碎巖石方式是變化的，甚至是交替的，不可能經(jīng)常處于體積破碎狀態(tài)。我們應(yīng)該采取措施，使孔內(nèi)巖石破碎在盡量多的時(shí)間內(nèi)處于體積破碎狀態(tài)。

（3）巖石破碎效果常用機(jī)械鉆速、鉆頭進(jìn)尺、功率消耗和每米鉆探成本來(lái)衡量。近年來(lái)，又提出來(lái)用鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺和單位進(jìn)尺（體積）能耗量來(lái)評(píng)價(jià)。鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺是針對(duì)金剛石鉆頭轉(zhuǎn)速比較高來(lái)考慮的，如果把鉆頭單位進(jìn)尺的能耗量最低作為準(zhǔn)則考慮進(jìn)來(lái)，則更全面和更科學(xué)。

（4）鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺是個(gè)非常重要的評(píng)價(jià)鉆進(jìn)效果的技術(shù)指標(biāo)，已被鉆探界公認(rèn)。但不是越高越好，有一個(gè)最優(yōu)值。這個(gè)最優(yōu)值與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)密切相關(guān)。烏克蘭超硬材料研究所科研人員提出了臨界鉆進(jìn)規(guī)程的概念，即當(dāng)軸載P和轉(zhuǎn)速n的乘積Pn達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，切削具溫度急劇上升、鉆頭磨損明顯加劇，沖洗液量Q再大也無(wú)濟(jì)于事，這說(shuō)明已經(jīng)到了臨界規(guī)程狀態(tài)［5］。他們?cè)诨◢弾r中進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)時(shí)，獲得了胎體溫度、鉆頭磨損與軸載P、轉(zhuǎn)速n乘積Pn關(guān)系的資料，表明正常鉆進(jìn)規(guī)程狀態(tài)時(shí)，功率和切削具溫度隨著軸載和轉(zhuǎn)速的提高而穩(wěn)步提高。但當(dāng)Pn乘積值達(dá)到（61.1±3.8）×102kN·r·min-1時(shí)，切削具溫度由平緩的100～200 ℃急劇增加到600～700 ℃，耗用功率由2～3 kW 增加到6 kW，說(shuō)明此時(shí)已經(jīng)到了臨界狀態(tài)了。所以，應(yīng)該采取措施，避免鉆進(jìn)過(guò)程處于臨界狀態(tài)。

這個(gè)臨界狀態(tài)Pn乘積值，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)確定，也可在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)觀察工況確定，如根據(jù)功率表數(shù)值變化和柴油機(jī)（如使用）聲音、廢氣顏色等判斷。

（5）臨界規(guī)程是條警戒線，超過(guò)這條警戒線就會(huì)出現(xiàn)事故。但是，在物理上，軸載和轉(zhuǎn)速的乘積等于功率，功率越大，破碎巖石效果越好，因此，這個(gè)乘積不能太小，即Pn不能超過(guò)臨界規(guī)程，又不能太小，否則影響鉆進(jìn)效果，最好小于臨界規(guī)程，又接近臨界規(guī)程。

對(duì)于每種巖石來(lái)說(shuō)，臨界規(guī)程軸載P和轉(zhuǎn)速n的乘積Pn都是個(gè)常數(shù)范圍，如等于（61.1±3.8）×102kN·r·min-1，在數(shù)學(xué)上是一組雙曲線。在這組雙曲線上，軸載和轉(zhuǎn)速可有各種組合，即大軸載和小轉(zhuǎn)速組合，或小軸載和大轉(zhuǎn)速組合，等等。采取哪種組合好，宜根據(jù)所鉆巖石性質(zhì)、鉆探設(shè)備條件和施工人員技術(shù)水平以及對(duì)孔內(nèi)工況認(rèn)識(shí)程度來(lái)確定。