表镶金刚石钻头的孔底碎岩过程

金刚石是世界上最坚硬的矿物，因此，金刚石钻头可以钻进具有不同研磨性的中硬和坚硬岩石。表镶金刚石钻头的岩石破碎过程取决于岩石的力学性质和金刚石的几何形状等因素。钻进坚硬的脆性岩石时，主要的破碎形式是岩石被压皱和压碎，在弹－塑性岩石中占优势的将是切削过程。

单粒金刚石切入时，岩石破碎的实际深度h_p超过了金刚石的侵入深度h_p1(图1－13):

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

式中:k_p取决于岩石的性质(如表1－2所述)。

图1－13 单粒金刚石岩石破碎示意图

表1－2 系数k_p的数值

当金刚石沿坚硬和弹脆性岩石表面移动时，岩石破碎过程中往往伴有压皱和碾压作用。由于应变超前于其出现的应力，所以往往伴有振动效应，在岩石被剪切的瞬间金刚石接触点上的压力下降，然后又升高到破碎必需的数值。也就是说，金刚石钻头钻进坚硬和弹脆性岩石时也具有与硬质合金钻头类似的“跳跃式”特征，只是因为金刚石颗粒小，其幅度要小得多。这时形成的破碎穴宽度是金刚石吃入宽度的1.2～1.8倍，而破碎穴的深度是吃入深度的1.3～5倍。钻渣分布在破碎穴的两侧，且破碎穴底部钻渣被压实(图1－14)。

而在弹－塑性地层中钻进伴有微切削作用。在这种情况下，金刚石前面的棱面不断地与岩石接触，岩石破碎穴的大小接近于金刚石吃入岩石部分的大小。实际情况是，金刚石与岩石仅有很小的点接触，一般只有几微米到30～40μm。

图1－14 单粒金刚石破碎岩石的示意图

如图1－14所示，吃入岩石的单粒金刚石前棱面将出现压应力，而在后面为拉应力。岩石在轴向载荷P和切向力R_T作用下发生破碎。金刚石上作用的扭矩消耗在克服岩石破碎的阻力R_b和摩擦力上。

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

式中:R_T为消耗于岩石破碎和摩擦的力，N;R_b为岩石破碎的阻力，N;f为金刚石与岩石的摩擦系数;T为摩擦力，N。

钻进过程中有70%～75%的扭矩用于克服孔底摩擦力，所以建议采用椭圆化和表面抛光的金刚石，它们与岩石的摩擦系数低。采用这样的金刚石可提高机械钻速并降低金刚石的磨损强度。

金刚石的抗弯和抗剪强度不高，因此在钻进裂隙性岩石和金刚石出刃过大的情况下，金刚石会碎裂，导致钻头过早报废。在实践中出刃的大小应控制在金刚石粒径5%～25%范围内。在非常破碎的岩石中应采用出刃较小的钻头，即细颗粒金刚石孕镶钻头。