热能-机械能碎岩
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发布时间：2022-05-09 04:01
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时间：2024-01-28 06:25
一、概述
1.发展概况
热能用于辅助机械碎岩技术，大约是在20世纪50年代才有人开始研究。当时大多数都是在原有的纯热力碎岩工艺（即利用各种现代化的热源生热弱化岩石）基础上，辅之于机械切削碎岩。比较有代表性的有以下几例：
（1）美国松铜矿公司在1972年利用热力削弱和热力剥落，配合机器进行碎岩试验；
（2）Cark等人在1972年用氧-柴油火焰、电阻加热器、电弧等方法对岩石加热，而后利用风镐进行机械碎岩试验；
（3）Thirumalait等人，在1975年为了二次破碎坚硬岩石，在现场试验了一种由混合燃料加热、机械破碎的热力机械装置。
所有这些碎岩试验均取得了一定成果：有的碎岩方法其钻进速度较常规碎岩方法提高了几十倍。但是，大多由于热源的过度昂贵，设备工艺的繁杂，以及工作条件的恶劣等原因，*了他们的进一步推广应用。
20世纪80年代初期，俄罗斯圣·彼得堡全俄勘探技术研究所的勃拉托夫（бродов）教授研究：在热机碎岩过程中，先利用钻头在与岩石接触表面摩擦时所产生的摩擦热能来弱化岩石，降低岩石强度，然后再进行机械切削破碎岩石。为此，钻头摩擦元件与切削元件设计成分体式结构，而且两者之间的加压方式相互独立。摩擦元件由钻杆直接加压，而切削具压力来自于钻具堵头上所建立起来的水泵压力，具体由泥浆泵上的压力读数来控制。
俄罗斯至今已经成功设计出多种口径（φ59mm～φ152mm）的复合式硬质合金取心式热机钻头和全面碎岩的热机钻头，其中有的已用于生产，并取得了令人满意的效果。例如：在科拉半岛可钻性为Ⅸ级的花岗岩中钻进，进尺325m多，平均机械钻速达1.7m/h，最高钻速达3m/h。尤其值得注意的是该硬质合金热机钻头在混凝土块中进行试验时，获得了很高的钻进速度和钻头使用寿命：机械钻速可达20m/h，而其成本仅为金刚石钻进的20%～70%，显示出较金刚石钻进更优越的综合性能。
通过俄罗斯的实践证明：热机碎岩工艺先进，能提高钻进效率（钻进时效为普通硬质合金钻进的一倍，与金刚石钻进相等）；降低了钻进成本（热机钻头的成本为金刚石钻头成本的一半）；此外，它借助原有的机械回转钻进设备，实现热机碎岩，钻进规程参数容易掌握，操作较为方便等。
近年来，我国在热机碎岩工艺方面也进行了一些有益的探索，室内实验也取得了一定的效果，但尚未进入生产应用阶段。
2.热机碎岩的实质及提高钻速的原因
热机碎岩的过程可看作为先后两部分组成：首先由钻头胎体底唇面（称之为摩擦元件）与岩石面摩擦而产生高达1000℃以上的高温，使岩石的强度下降（称之为弱化）；然后，由硬质合金切削齿（称之为切削元件）切削岩石，提高了碎岩速度。碎岩过程中，利用冲洗液冷却和排屑，冲洗液的骤冷作用，也十分有利于碎岩。
因此，热机碎岩工艺能提高钻进速度的主要原因是：岩石受热后强度下降。岩石由于高温作用所造成的岩石内部组成矿物的不均匀膨胀，或成分的化学分解、汽化，或矿物组成成分的溶解，或者矿物的相变等，由此引发了热应力。此外，岩石在受到骤热急冷作用下，会在其内部产生很大的热冲击应力。在此双重应力的联合作用下引起岩石内部新裂纹的生成和原始裂纹的扩展而导致岩石强度的降低。
3.热机碎岩工艺的应用范围
热机碎岩可以大幅度提高硬质合金或金刚石切削具的碎岩速度，降低碎岩成本，提高碎岩效率，并扩大硬质合金的使用范围。它能钻进Ⅶ～Ⅺ级致密岩石及钢筋混凝土，并可部分代替昂贵的金刚石钻进。可广泛应用于地质钻探，油气井钻探，各种工程孔的硬岩钻进，以及坑道、隧道掘进等领域的碎岩，从而为人们提供一种高效低耗的新式碎岩工具。
二、热机碎岩钻具及钻头
（一）取心式热机碎岩钻具
由俄罗斯全俄勘探技术研究所勃拉托夫教授发明的TM-59型复合式硬质合金钻头及钻具的结构，见示意图1-6-23。
钻具由钻头（切削元件和摩擦元件）支撑环、外管、内管、普通堵头等组成。
内管插接在支撑环上，支撑环下部支撑在钻头切削元件上，冲洗液的压力作用在普通堵头，然后通过内管、支撑环面作用在切削元件上进行碎岩。外管上部通过异径钻头与钻杆相接，下部与钻头体（带摩擦元件）相连，轴压力通过钻具回转而摩擦产生高温热力场。普通堵头承受冲洗液的压力，并借助它与外管之间很小的环状间隙（仅仅0.1mm）来调节水泵的压力和堵头上的压力。由于环状间隙太小，不易调节，而且往往被冲洗液中所携带的砂砾堵死而引起憋泵，所以改用滑阀式堵头（图1-6-23右），当水泵压力作用于堵头柱塞，柱塞压缩阀簧逐渐下行（此时作用在滑阀上的水泵压力即为切削具上的切削压力，此压力较易调节），使得滑阀上的四个通孔打开，冲洗液由此进入内管间隙，进而经支撑环的径向孔进入孔底，达到清洗孔底的目的。
（二）取心式热机碎岩钻头
热机钻头由带摩擦元件的钻头体和切削元件两部分组成，前者见图1-6-24，类似金刚石钻头，其底唇部分有胎体（即摩擦元件）和安装切削元件的缺口（起水口作用，又称水口）。胎体被缺口分割成扇形块。
图1-6-23 TM-59型热机碎岩钻具结构示意图
图1-6-24 热机碎岩钻头的钻头体结构
取心式热机钻头的结构参数（以φ59mm为例）：
（1）为增加摩擦面积，胎体壁厚一般为8～11mm；
（2）考虑到目前所选用的耐摩擦材料的耐磨性（磨损高度0.2mm/m），如钻头寿命为20m，胎体耐摩擦层高度一般设计为4～5mm；
（3）胎体扇形块的长度，即摩擦元件环状长度的大小，直接关系到碎岩效率和切削具的寿命。勃拉托夫教授通过试验，获得了摩擦元件环状长度 Ls与摩擦产生温度 t的关系曲线（图1-6-25）。
由图可以看出：当摩擦元件环状长度达80mm左右时，其摩擦产生的温度最高，最有利于岩石的破碎，当长度超过80mm以后，产生的温度反而有下降趋势。
图1-6-25 摩擦元件环状长度Ls与摩擦产生温度t的关系曲线
考虑到最优摩擦块弧长约为70mm，故对于φ59mm钻头，水口为2个；对于φ75mm钻头，水口为3个。
（4）摩擦元件 摩擦元件即钻头胎体，是与岩石摩擦的部分，它由硬质相与浸渍相组成。硬质相要保证钻头胎体的耐磨性、硬度及耐高温性能。常采用碳化钨粉或铸造碳化钨（来立特）；浸渍相（又称粘结相），主要保证与硬质相有足够好的浸润性、粘结性以及良好的耐高温性能。
俄罗斯采用的胎体配方：硬质相为铸造碳化钨，浸渍相为Cu、Ni、Co、Fe、Ti合金。胎体硬度为HRC34～36。胎体内、外径采用针状合金进行补强；胎体底唇面用普通合金补强。
（5）切削元件 水口数即为所配切削元件数。一副切削元件的寿命（钻进硬岩）约为4m，当切削元件上的硬质合金切削具磨损至不能用时，需要换切削元件。
切削元件长度a=12～14mm，切削元件宽度b=8～11mm，水流通道宽度1mm。
切削元件上切削具的选择：软岩选择小方柱状、片状合金；硬岩采用圆柱状、八角柱状、条带状，数量为2～4个，分布排列时要注意切削覆盖系数。切削具的镶焊：采用铜焊。焊接温度不超过900℃，镶焊时注意内外出刃量（0.5～1.0mm）。
底唇面上的切削元件位置，加工的钻头切削元件见图1-6-26所示。
图1-6-26 切削元件及切削元件布置、形状示意图
三、热机碎岩钻进规程
热机碎岩钻进规程的特点是：高轴压、高转数和满足切削具压力及排屑要求的较小泵量。热机钻进的热规程是靠调整轴压P、转数n和耗水量Q实现的：为了使岩心保持组合状态，在摩擦元件上的压力不能超过140kg/cm2，转数与水量具有较小的调节范围，当线速度小于1.0m/s时，热效应不够；而当线速度为1.6m/s时，岩石就进入熔融状态，所以线速度在1.0～1.4m/s范围内调整，水量一般控制在0.5～0.9L/min每单位孔底面积（cm2）（此即比水耗量）。最低的比水耗量为0.35L/min·cm2，比水耗量再低将恶化排屑，热规程就不能控制，且容易引起烧钻。
下面列举了原长春科技大学所进行的一些室内试验数据，所采用的试验设备：钻机为XY-4型，泥浆泵为SNB-90型，TM-59型热机钻具和方柱状硬质合金切削齿。试验结果见表1-6-10所列出。
从试验中可以得出如下结论（对于TM-59型热机钻头）：
（1）随着钻压的增加，热机碎岩钻进的机械钻速呈增大趋势，一般20kN为最优；
（2）随着转数的增加，机械钻速也呈增大趋势，以650r/min为宜；
（3）随着泵量的减少，机械钻速有增大的趋势，但泵量不宜过小。
总之，热机碎岩工艺先进，能够提高钻进效率，降低钻进成本，国外俄罗斯已初步用于生产。但还存在不少问题有待深入研究。例如：需继续完善热机碎岩理论，进一步研究热能的传递规律，建立热机碎岩工艺的数学模型；继续完善钻具、钻头结构；继续寻找热机钻头所需的耐高温、耐摩擦材料等，以加速该碎岩新工艺的推广应用。
表1-6-10 TM-59型热机钻头试验结果
