为提高钻进效率，合理利用钻进过程中产生的热量，本文采用摩擦热能辅助机械能碎岩（简称：热?机碎岩）的方法，将氮化硅作为摩擦元件引入孕镶金刚石钻头中，以提高钻头工作层的钻进性能。本文通过对钻头水口、摩擦元件的尺寸计算，钻头胎体、结构的设计，制造了一种新型热-机碎岩孕镶金刚石钻头（简称：热-机碎岩钻头），并与常规六水口钻头和三水口钻头开展了室内钻进试验对比。结果表明，与六水口钻头和三水口钻头相比，热-机碎岩钻头加入摩擦元件后能够因摩擦生热而使岩石产生弱化作用，钻头钻速提高，在相同钻井液流量下最高可比六水口钻头的机械钻速高33.3%。热-机碎岩钻头胎体的磨损程度比三水口钻头小，热?机碎岩钻头可用于强研磨性地层的钻进。
关键词热-机碎岩;摩擦元件;孕镶金刚石钻头;钻头设计;钻进试验0引言近年来，随着钻探深度的增加，钻进条件越来越复杂，采用传统的机械碎岩方法已经很难满足深部硬岩钻进的要求［1-］，因此世界各国都在完善机械碎岩的同时，积极探索新的碎岩方法，发展了很多新型的碎岩技术［3-4］。当前一些主要的破岩方法包括：水力辅助碎岩、粒子冲击碎岩、激光钻井碎岩、等离子体碎岩、微波碎岩、火焰辅助碎岩、热熔钻进碎岩等［5-9］。这些方法虽然相对传统的机械碎岩方法的钻进效率有提升，但是由于需要特殊设备而使得成本较高，而且很多关键技术还不成熟，限制了其进一步推广应用。
摩擦热-机械碎岩技术是借助钻头钻进岩石过程中产生的摩擦热来辅助机械碎岩的一种方法。钻头与岩石产生摩擦导致温度升高，使得大多数岩石的强度明显降低，经过钻井液与岩石表面的热交换作用后，岩石表面会迅速冷却，内部产生极大的热冲击应力，使与钻头接触的岩石强度削弱，钻进速度大幅度提高［10］。俄罗斯的钻探专家在此领域开展了诸多研究，比较有代表性的是全俄勘探技术研究所的Г.С.勃拉托夫教授，他研制了取心式及全面钻进式热?机碎岩硬质合金钻头，在碎岩机理、摩擦元件材料选择、钻头结构设计等方面开展了研究。与常规硬质合金钻头相比，热-机碎岩硬质合金钻头的钻进性能有较大幅度的提升［11-1］。0世纪90年代，长春地质学院的张祖培教授、孙友宏教授引进了这项技术，开展了一系列研究工作，在摩擦元件［13］、胎体配方［14］、钻进工艺［15-16］等方面取得了进展，研制了摩擦热能?机械能硬质合金取心钻头［17］。
上述研究的利用摩擦热碎岩的钻头主要是以切削软-中硬地层为主的硬质合金钻头。随着硬质合金钻头在地质钻探中的应用逐渐减少，对热-机碎岩钻头的研究也相应减少。孕镶金刚石钻头是硬岩钻进中最常用的钻头［18-0］，并且孕镶金刚石钻头靠金刚石刻划磨削岩石时也会产生摩擦热［1-3］，有助于碎岩。因此，本研究向孕镶金刚石钻头中引入摩擦元件，设计制备了一种新型热-机碎岩钻头，并开展了室内钻进试验研究。
1热-机碎岩钻头的设计及制备1.1钻头参数计算热-机碎岩金刚石钻头在钻进过程中，摩擦元件周期性地对孔底岩石进行摩擦加热，同时钻井液对岩石又有冷却作用。摩擦元件的尺寸、钻井液流经钻头的水口尺寸和数量是决定孔底接触温度的重要参数。为保证摩擦热和冷热交替作用更为显著，有必要对钻头水口和摩擦元件的结构参数进行设计计算。
1.1.1钻头水口参数计算热-机碎岩钻头钻进孔底岩石过程中会出现周期性的胎体摩擦加热（加热的最高温度为Thot）和钻井液冷却（冷却的最低温度为Tcool），使得岩石表层在热冲击作用下产生裂纹［4］，此外岩石表面分布有不同发育水平的微裂纹网络，当冲洗液流经后，微裂纹内产生向外的拉应力而出现扩展现象［5］，如图1所示。
图1岩石裂纹受到热冲击产生向外扩展的拉应力
Fig.1Rockcracksproduceoutwardexpandingtensilestresscausedbythermalshock
裂纹的最大拉应力可由公式（1）确定［6］：
表1钻头水口最小宽度计算
Table1Calculationoftheminimumwaterportwidthofthedrillbit
编号转速n/
（r·min-1）
加热冷却温度差T/℃钻头水口最小宽度l0/mm......由表1可知，当加热冷却温度差为℃时，钻头水口最小宽度数值较小，研究意义不大，所以在设计时不以其作为设计参考依据。而且花岗岩在加热冷却温度差为℃时，抗拉强度随温度的升高有明显的降低，微裂纹处于快速发育阶段［8-9］，故选择加热冷却温度差为℃时的钻头水口最小宽度作为设计参考依据。随着钻头转速的增加，钻头水口最小宽度值增大，故需要将高转速时的钻头水口宽度作为参考依据。?59mm钻头在转速为r/min时，钻头水口最小宽度为5.mm，本文取5.5mm。
1.1.摩擦元件尺寸计算将常规六水口钻头胎体块的其中3块作为摩擦元件胎块，其余3块与它们之间的一个水口形成新的金刚石胎块，与摩擦元件胎块相连，形成三水口钻头（参见图）。
图热-机碎岩钻头胎体结构
Fig.Matrixstructureofthethermo?mechanicalimpregnateddiamondbit
钻头胎体面积可由公式（4）计算：
计算可得每个摩擦元件胎块中摩擦元件材料所占面积至少为4.7mm。考虑到实际钻头胎体厚度较小，对较大的摩擦元件包镶能力低，故采用两个小尺寸来构成摩擦元件所占面积。本文选择的摩擦元件的尺寸为6.4mm×3.5mm×3mm，则摩擦元件胎块中包含的摩擦元件面积为44.8mm。
1.钻头胎体设计热?机碎岩钻头胎体的设计主要包括胎体材料耐磨性、包镶能力，金刚石粒径、浓度，以及摩擦元件材料、尺寸、排布方式的选择［30-31］。
通常情况下胎体的硬度越小，胎体与岩石的接触面积越大，摩擦所获得的热量也就越高，并且软胎体也有利于摩擦元件的有效露出。因此，综合考虑坚硬岩石的可钻性和研磨性，同时兼顾胎体与热?机碎岩相适应的性质，选用的胎体材料为吉林省勘探技术研究所提供的软胎体64号配方，胎体配方成分如表所示，胎体配方密度为9.96g/cm3，硬度为HRC15~18。
表钻头胎体配方成分
TableFormula