热机碎岩技术研究

徐金鉴1，姚天骄1，王子祥2，杨子凡1，李永翔1，赵辰修1

（1.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙410083；2.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南232001）

摘 要：本文介绍了一种非常规碎岩方法——热机碎岩法的碎岩机理、碎岩工具以及工艺等，深入认识了该技术与传统机械碎岩的区别。该工艺利用钻头与岩石摩擦所产生的大量热量，使岩石的内部结构在高温下发生物理或化学变化，进而使岩石强度和磨蚀性显著降低。热机碎岩钻进技术是切实可行的，能提高钻进效率，降低钻进成本。

关键词：热能—机械碎岩；钻进技术；基本原理；摩擦热能；摩擦元件

在矿山开发、工程钻探、石油钻采以及港口建设、海洋资源开发等领域，人们目前广泛采用的是机械式破岩工艺。实践表明：机械式破岩效果受到载荷大小、破碎工具形状、破碎工具的加载速度以及钻孔内的液柱压力等多方面因素的影响。由于传统机械式破岩工艺本身局限性以及设备性能、碎岩材料等方面因素的限制，所以在现今水平的基础上进一步控制成本、提高碎岩工作效率已经十分困难。近40年来，世界上许多国家都在积极研究新的碎岩理论和工艺，并发展了多种新型碎岩技术，例如激光碎岩技术、热熔岩技术、热能—机械碎岩技术以及脉冲放电碎岩技术等。

用热能辅助机械碎岩的研究兴起于20世纪50年代，其后，俄罗斯圣彼得堡市全俄勘探技术研究所提出了一种热机碎岩新工艺。本文就热机碎岩技术的原理、工艺要求、应用前景等方面做简要介绍。

1 热机碎岩原理及发展现状

1.1 热机碎岩基本原理

所谓热机碎岩，是“摩擦热—机械能联合碎岩”的简称。传统的机械式破岩过程中，钻头功率的非生产性消耗高于90%，这部分能量转化为机械碎岩工具与岩石之间摩擦热。通常人们认为这部分摩擦所产生的热能对钻进工作是不利的，因为当遇到钻具接箍密封不严、水龙头堵塞或泥浆泵出现故障等情况时，钻井泥浆就不能正常地输送至孔底；高温钻头因无法冷却，极有可能过热烧毁，严重时甚至出现金属熔融与孔壁烧结成一体的现 象。烧钻事故处理不当，就有可能造成整个钻孔报废，延误工作进度，从而造成严重的经济损失。另一方面，已有研究表明，温度的升高，可以显著地降低钻具切削岩石所受到的切削阻力、岩石的强度以及磨蚀性，有利于提高钻进速度，这也是金刚石钻进中在烧钻之前一段很短的时间之内钻速会明显提高的原因。所以，摩擦热能对碎岩钻进是既有利又有弊的。

图1为热机碎岩的示意图。热机碎岩所用的钻头由两个部分组成：第一个部分是摩擦元件，又叫做摩擦块或者热发生器，它的主要作用是与岩石相互摩擦以产生大量热量，以使岩石的内部结构在高温下发生物理或化学变化，岩石强度和磨蚀性都会显著降低；第二个部分是切削元件，即热机碎岩钻头的切削齿，用来切削被“热作用”弱化后的岩石。由于岩石在高温下产生“弱化”现象，热机碎岩钻头的钻进效率与普通的硬质合金钻头相比有了明显提高，扩大了其应用范围，可钻Ⅺ级花岗岩，且钻进速度可达到金刚石钻头的数倍。

图1 热机碎岩示意图

1.2 热机碎岩国内外研究现状

20世纪80年代，俄罗斯圣比得堡全俄勘探技术研究所的专家开始了热能—机械碎岩的科研课题研究，至今已经取得了一系研究成果。相关研究成果曾经在俄罗斯摩尔曼斯克州的科拉半岛得以应用，取得了令人满意的实际效果：平均机械钻速1.7m／h，最高钻速达3m／h。用混凝土块进行试验时，该研究所推出的热机钻头获得了高达20m／h的钻速，钻头使用寿命较长，与金刚石钻进相比，其成本降低了30%～80%，综合性能十分优越。目前，该热机碎岩技术已经广泛应用于钢筋混凝土构筑物的钻孔工程中。

20世纪80年代，中国有色矿产地质研究院的张科及原中南工业大学高森教授等人也曾开展过这方面研究。他们设计出了一种包括摩擦元件、切削元件两部分在内的热机碎岩用复合式金刚石钻头，并通过开展室内实验取得了相应的成果。

20世纪90年代，长春科技大学张祖培、孙友宏教授通过与俄罗斯圣比得堡全俄勘探技术研究所进行合作研究，对钻进加压方式、优化钻进工艺参数以及热机碎岩钻具等方面进行科研攻关，取得了许多阶段性科研成果。

2 热机碎岩钻头的摩擦元件

热机碎岩的核心问题之一就是以钻进过程中产生的大量摩擦热，使岩石的内部结构在高温下发生物理或化学变化，进而发生“岩石弱化”现象，辅助碎岩。在实际钻进过程中，摩擦元件必须在经过足够长的摩擦距离后，才能产生足够的摩擦热量。如果摩擦距离过短，产生的热量不足，一方面不足以使岩石弱化，则热机碎岩效果不理想；另一方面也会使得切削元件的磨损更加剧烈。因此，热机碎岩所用钻头的摩擦元件必须经过足够长的摩擦距离以产生弱化岩石所需的摩擦热，这就要求摩擦元件具有良好的耐高温性能以及耐摩擦性能。

2.1 耐高温耐摩擦陶瓷材料

高科、赵建康等学者开展了用于摩擦元件的耐高温耐摩擦陶瓷材料的研究。现有资料表明，热机碎岩钻头工作过程中，其摩擦元件与岩石相互摩擦产生的摩擦热使温度上升至600℃以上。在这样的高温环境下，普通的硬质合金磨损速度急剧加快，因此必须寻找耐高温耐摩擦的新材料。高科、张祖培等学者对比了数种理想陶瓷材料和刚玉、硬质合金等材料的物理性质以及它们的摩耗比（摩耗比是表征某种材料耐磨性的一个指标，须在规定的条件下进行测定）。材料的种类的化学成分及物理性能见表1，磨耗比对比试验结果见表2。陶瓷摩擦块在钻头底唇的布置如图2所示。

表1 两种陶瓷材料化学成分及物理性能参数

材料名称 化学成分体积密度／（g·cm－3）常温耐压强度／MPa荷重软化点／℃（0.2MPa）氮化硅结合碳化硅SiC 、Si3N4、Fe2O3≥2.62 ≥150 ≥1400赛隆碳化硅陶瓷SiC 、N2、Fe2O3≥2.60 ≥150 1650

表2 所选陶瓷材料摩耗比对比试验结果

材料名称 砂轮失重ΔM／g试件失重ΔM／g摩耗比E与硬质合金比值YG6 硬质合金 1.17 0.93 1.26 1刚玉 12.5 2.2 5.68 4.51氮化硅结合碳化硅 101.7 6 16.95 13.45赛隆碳化硅陶瓷 87.3 4.5 19.40 15.40普通氧化铝陶瓷 0.24 4.7 0.05 0.02

图2 热机钻头结构示意图

经过理论计算、分析，并综合考虑钻头实际工作情况以及摩擦元件的耐摩性、常温抗压强度等因素，高科、张祖培等学者认为，赛隆碳化硅陶瓷是目前热机碎岩钻头最理想的摩擦材料。同时，有资料表明赛隆碳化硅系列陶瓷的耐磨性非常好，约为硬质合金的2.8倍，而成本仅仅是后者的1／10。

钻头胎体材料是一种典型的金属基复合材料。摩擦元件的加工是通过热压烧结工艺将钻头胎体材料和陶瓷摩擦块烧结在钻头钢体上，这要求胎体材料的耐高温性能与陶瓷材料匹配。有研究表明TiC⁃Ni系列高温硬质合金的配方能够很好地满足此要求。

2.2 热机碎岩钻进规程参数的简介

热机碎岩钻进是在高温环境下进行的工作，十分接近烧钻状态。所以，在热机碎岩钻进中，钻进规程参数的合理性就显得十分重要。

有相关研究资料表明，钻进规程参数中的钻压P、转速N、泵量Q任意一个参数的单独变化都会对钻头唇面与岩石接触处的温度造成影响。在热机碎岩钻进工作状态最佳时，最需要注意控制的钻进参数是泵量Q。但是在具体的工程实践中，由于岩石种类的多样性，因而相对应的最优钻进规程参数也存在差异。赵建康、孙友宏等以热力学及能量守恒的有关理论为研究基础，研究了钻进规程参数与机械转速之间的关系，并开展相关试验进行了验证，得出了量化表征的关系式，见式（1）、式（2）所示。式中μ为摩擦元件与岩石之间的摩擦系数；P为钻压；N为转速；R′为摩擦元件的当量直径；Q为泵量；c冲为所用冲洗液的比热容；ρ冲为所用冲洗液的密度；E为单位质量岩石因构成晶体相变或分解吸收的热量；ΔT1为冲洗液的温差；J为热功当量系数；V钻为机械钻速；R为热机碎岩钻头外径；r为热机碎岩钻头内径；c岩为岩石的比热容；ρ岩为岩石的密度；ΔT2为岩石的温差；ΔT3为高温岩石与热平衡后的冲洗液的温差。

如前所述，在热机碎岩钻进工作状态最佳时，最需要注意控制好的钻进参数是泵量Q。以前的研究认为热机碎岩钻进与金刚石钻进或者普通的硬质合金钻进差别很小，但在试验过程中，各位学者发现，热机碎岩钻进对泵量的选择非常严格，泵量过大，钻具被冲洗液充分冲洗、冷却，岩石几乎不产生“受热软化”现象，从而导致钻进速度极为缓慢；但如果泵量过小，又容易引发烧钻，从而造成一系列不利的后果。所以，热机碎岩钻进规程参数可变化的范围很小，对钻进技术、实际操作水平要求很高。2.3 热机碎岩钻头胎体与岩层中的温度场分布

如前所述，在热机碎岩钻进中，温度是一个十分重要的因素。事实上，温度的确定对于钻具的设计和选用、钻进规程参数的选择等都十分重要。但是温度在岩层中的分布是一个十分复杂的问题，目前，学术界对这方面的研究、讨论也并不多。其中一大难点就是高温环境会导致岩石的热传导系数发生明显变化。

吴金刚、谭忠盛等开展了在硬岩地层中进行热机碎岩的研究，建立了温度在岩层中传导的数学模型：假设岩石厚度为H，热机碎岩钻头摩擦元件与其上表面接触、摩擦，温度为t1，热量扩散传递到下表面，下表面温度为t2，从而可将热机碎岩钻进过程中任意深度处的温度t表示为：

式中t0为接触面温度，K；q为单位时间内单位面积岩石层面所传导的热量，W／m2；k为岩石的导热率，m·k。

在热机碎岩钻进过程中，岩石上表面与碎岩钻头摩擦元件相互接触、摩擦，温度很高，k值较小，很大，t随着H增大而急剧减小。当t减小到一定程度后，k值逐渐增大，此时又会逐渐较小直至某一程度，则t随着H增大而减小的趋势有所缓和，t值变化不大。这为研究温度场在其他岩层中的分布提供了参考。

3 热机碎岩工艺的应用前景

如前所述，热机碎岩钻进具有能量综合利用率高、经济性好、钻进能力强等优点。在俄罗斯摩尔曼斯克州的科拉半岛，曾经成功地钻进花岗岩325m，最高机械钻速达3m／h。热机碎岩作为一种新型碎岩工艺，可应用于地质勘探、工程勘查、石油天然气开发以及科学钻探等领域，对于提高钻进效率、降低施工成本具有重要意义。总之，热机碎岩技术具有十分广阔的应用前景。

参考文献：

［1］ 鄢泰宁，孙友宏，彭振斌，等.岩土钻掘工程学［M］.北京：中国地质大学出版社，2001.

［2］ 赵秉成，陈 晨，房治强，等.非常规碎岩技术的研究进展［J］.中国矿业，2010（4）：87－88.

［3］ 肖西卫，张祖培，高 科.热机碎岩新技术［J］.西部探矿工程，2003（3）：121－122.

［4］ 张祖培，张书刚.热能⁃机械碎岩机理及其应用［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），1997（3）：22－24.

［5］ 赵建康，孙友宏，张祖培.摩擦热⁃机械碎岩钻进技术试验研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2004（12）：36－39.

［6］ 刘克林.浅析烧钻事故的发生及处理［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2011（5）：32－33.

［7］ 吴景华，孙友宏，李 军.热机碎岩钻进工艺的试验研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2008（1）：9－11.

［8］ 赵建康，孙友宏，张祖培，等.陶瓷材料在热机钻头上的应用研究［J］.吉林大学学报（地球科学版），2003（4）：568－570.

［9］ 赵建康，孙友宏，张祖培.热机碎岩钻进工艺中钻进规程参数的理论分析［J］.地质与勘探，2001（2）：94－96.

中图分类号：TD231

文献标识码：A

文章编号：2096－2339（2017）05－0108－03

作者简介：徐金鉴（1994－），男，安徽蚌埠人，本科，研究方向：地基处理，非开挖技术研究。