0 引言

随着传统化石能源问题及环境污染问题的加剧，开发利用新型能源的任务日益紧迫。干热岩作为一种新型能源，因其清洁性、可再生性和广泛分布性越来越受到人们的重视，开发利用干热岩己成当今社会的一项重要研究课题。就现阶段而言，由于技术和手段等限制，干热岩资源专指埋深较浅(3~10 km)、温度较高(>150 ℃)、有开发经济价值的热岩体。岩体类型主要为变质岩或结晶岩，岩石组成为黑云母片麻岩、花岗岩及花岗闪长岩等。目前最具有开发潜力的干热岩区域是新火山活动区，或地壳已经变薄的地区，这些地区主要位于全球板块或构造地体的边缘^[1-5]。

青海共和盆地地处“秦昆岔口”的新生代断陷盆地，盆缘构造发育，岩浆活动强烈，形成的干热岩资源具有埋藏浅、温度高、分布范围广、资源储量巨大的特点，因此具有很好的开发前景。但干热岩地层情况特殊，岩石硬度大，主要为粗粒—中粒青灰色片麻状似斑状二长花岗岩，所处环境温度高，钻井难度较大^[6-7]。

在对干热岩资源进行勘探开发的过程中离不开坚硬地层的钻进技术，因此针对地层设计特定的钻头具有重要意义。在对仿生钻头的研究基础上^[8-9]，本文根据青海共和盆地干热岩地层的岩性特点，选取穿山甲爪趾作为仿生原型，设计并制备出高胎体可再生仿生异型齿钻头，并在该地区进行钻进试验。

1 青海共和县岩石特性 1.1 地层岩性描述

青海共和县干热岩某地区的地层如下：第四纪主要为砂卵砾石、亚黏土、中粗砂、亚砂土等；新近纪为泥岩、砂质泥岩、粉细砂岩、中砂岩及含砾中粗砂岩等；基底侵入岩为花岗岩。高胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头的试验孔段地层以粗粒—中粒青灰色片麻状似斑状二长花岗岩为主，如图 1所示。

1.2 岩石性能测试

为了更好地根据地层岩石特性设计钻头结构及配方^[10], 对预钻进地层的岩石进行了可钻性测试和计算。

1.2.1 岩石硬度测试

使用压入硬度法和摆球硬度法分别测出上述岩石的硬度。

采用压头为硬质合金的压入硬度计，取5个点测试岩样，油压表读数分别为：56、51、58、58、57 kgf^①/cm²，平均为56 kgf/cm²。压入硬度计算公式为

① kgf(千克力)为非法定计量单位，1 kgf=9.80 N，下同。

式中：H_y为岩石压入硬度，MPa；F为岩样被压入破碎时的轴向载荷，N；S为压头底面积，mm²。通过计算可知压入硬度为5 040 MPa；岩石硬度等级为X。

采用摆球硬度法测得岩样最大回弹角度为76°。岩样5次回弹次数分别为49、53、50、52、49，平均回弹次数为51，即岩石的摆球硬度H_n为51 MPa。岩石硬度等级为Ⅴ。

单一岩石力学性质指标难以反映岩石的可钻性质，因此采用如下可回归方程确定岩石可钻性值K：

经计算可得，花岗岩的可钻性值为8.8。

1.2.2 岩石研磨性测试

使用钻磨法对上述花岗岩研磨性进行测试，结果为：钢杆初始质量和磨损后质量分别为25.866 3和25.860 1 g；研磨性指标为0.94 mg/min；研磨性特征等级为2级；岩石研磨性弱。

2 仿生异型齿钻头设计 2.1 钻头结构

与钻头工作环境最相近的莫过于掘土动物的前爪，其前爪每个爪趾长度不一，整体为弧形或阶梯形^[11-12]。以穿山甲爪趾为仿生原型(图 2)，根据孕镶金刚石钻头设计原则及碎岩特征^[13]，针对干热岩岩石特性，设计了仿生内外阶梯异型齿结构(图 3)。双侧台阶组成了钻头切削单齿；为了增加岩石破碎自由面将钻头设计成多阶梯结构，不但可以增大钻头唇面单位比压和减小破碎岩石的比功，而且符合异型唇面、高胎体结构及自再生结构钻头碎岩能力的要求。

结合实际钻进硬岩地层中孕镶金刚石钻头的使用性能需求，设计了仿生异型钻头的单齿结构。根据干热岩钻探中钻孔的孔身结构和取心要求，设计了全尺寸的仿生异型齿孕镶金刚石钻头(图 4)。具体钻头参数：钻头外径Φ_o为152.4 mm，内径Φ_i为96.0 mm，水口数量12个，钻头唇面为内外4个阶梯结构，底唇面过水面积比47%，钻头工作层高度13.5 mm，内外径聚晶保径，内外保径高度分别为35.0和40.0 mm。

2.2 钻头配方

结合仿生异型齿结构特点和干热岩岩性特点，为改善切削工具胎体性能，优选胎体配方材料^[14]。现以胎体基础配方为基础(质量分数为：纯铁粉24.0%~31.0%、纯镍粉8.0%~15.0%、铜合金46.5%~66.4%、B元素0.2%~1.5%)，配制了针对性较强的胎体材料配方，其质量分数为：纯铁粉26.0%、纯镍粉9.0%、铜合金64.0%、B元素0.5%、P元素0.5%。其中P元素的加入利于减弱Fe对金刚石的侵蚀，形成的硼化物在胎体中均匀分布起到硬化作用，增强胎体材料与金刚石颗粒的把持力。

2.3 钻头制备

采用无压浸渍工艺制备仿生异型齿孕镶金刚石钻头，其齿型结构复杂，工作层高度较高。无压浸渍烧结原理为浸渍金属在高温下熔化后，由于毛细管力的作用，浸渍胎体材料间的间隙，并黏结胎体成分，冷却后使金刚石制品达到设定的尺寸和性能^[15]。仿生异型齿孕镶金刚石钻头的制备工艺过程包括：模具的设计；混料和装料；无压浸渍烧结成型；机加工；水口处理和喷砂等工作。

采用陶土来制备152.4 mm/96.0 mm(Φ_o/Φ_i)仿生异型齿孕镶金刚石钻头的模具，该钻头的模具制作分为3步：1)采用3D打印机打印钻头塑胶阴模(图 5)；2)使用3D打印好的塑胶阴模浇注塑胶材料，以制作橡胶阳模；3)使用橡胶阳模在石墨底模中浇注可用于高温烧结的陶土模具。

通过3D打印技术打印的模具较常规的石墨模具成本能下降1/2以上。陶土浇注钻头阴模时，橡胶倒入塑胶阴模要抽真空以便除去气泡，压上盖板后静置24 h，等固化成型后脱模即为橡胶阳模。陶土与10%(质量分数)石墨粉(80目以下)混合，加水20%充分搅拌后倒入按设计图纸加工完成的石墨底模，把橡胶模具放入，上压重物30 min后即可拆除橡胶模具。陶土模具在常温下静置24 h之后在150 ℃下烘干12 h。内外保径用聚晶金刚石，装料到预定位置后，将模具放到振动台上进行振实。使用中频烧结装置进行无压浸渍工艺烧结。烧结过程：先用低功率10 kW烘干30 min；再使用40 kW进行加热，升温速率为100~120 ℃ /min；当温度到达930 ℃时保温10 min，然后继续升温至970 ℃，保温30 min，停止加热，空冷至常温。钻头冷却后，进行机加工、水口处理和喷砂等工作，加工好的仿生异型齿钻头如图 6所示。

3 仿生异型齿钻头在干热岩中钻探的应用 3.1 钻具组合及钻进主要参数

钻具组合：钻杆长12.5 m，钻具长度173.09 m，机高3.0 m。

钻进主要参数：钻压为80 kN，转速150 r/min，泥浆泵量360 L/min，所用钻机ZJ-30。

3.2 试验应用

表 1记录了该地层孕镶金刚石钻头的详细使用情况。根据表 1可知：仿生异型齿孕镶金刚石钻头3#总进尺为2.1 m，纯钻时间为2.67 h；平均机械钻速0.79 m/h；普通孕镶金刚石钻头1#总进尺2.5 m，纯钻时间为1.00 h，平均机械钻速0.40 m/h；普通孕镶金刚石钻头2#无进尺，不适合在此类地层中钻进。

根据表 1钻进数据可知，相比于普通孕镶金刚石钻头1#而言，仿生异型齿钻头3#的钻进速度提高97.5%，寿命(仿生钻头寿命为推算寿命)提高1.268倍。

图 7是孕镶金刚石钻头磨损情况。图 7a显示该地层用的普通孕镶金刚石钻头工作面基本被磨平；图 7b显示该地层用仿生异型齿钻头，依然保持其仿生台阶结构，钻头最高出刃处磨损5 mm，属于正常磨损，仍可继续下井使用。

3.3 试验结果分析

仿生异型齿钻头钻进岩石时，异型齿结构使钻头唇面与岩石的接触方式和受力状态改变。最大底出刃切削齿先压入岩石，其与岩石的作用面积小，使钻头唇面金刚石单位比压增大，金刚石更容易刻入岩石。仿生异型齿完全钻入岩石后，岩石表面会形成更多的破碎自由面，大大减少了岩石破碎比功，减少了岩石对钻头的磨损。而且在钻头的工作寿命内自再生特征能够使异型齿结构一直存在。钻进过程中，胎体中的软材料会提前磨损，实现了钻头的自锐。选用石墨作为自再生结构材料，是因为石墨作为固体润滑剂，其磨屑提高了钻头的耐磨性能。实际钻进中，内外径线速度不同，内侧承重载荷往往大于外侧，使钻头内侧边缘磨损会大于外侧边缘的磨损，仿生异型齿钻头的结构内径强于外径，利于内径匹配外径磨损，避免了钻头偏磨。异型齿之间的间隙可以作为钻井液流动通道，钻井液可充分冷却切削结构并利于排除岩屑，使钻头工作环境改善，减少钻头所受的阻力，节省了动力，并提高了效率。

4 结论与建议

1) 根据干热岩样品的岩性特点研制的仿生异型齿钻头及其胎体配方更适合干热岩地层钻进，具有更高的性价比。

2) 通过在青海共和县干热岩钻探中的应用，相比于普通孕镶金刚石钻头而言，仿生异型齿孕镶金刚石钻头很好地克服了“打滑”问题，钻进速度和钻头寿命得到了大幅度提高。

3) 经对磨损后的仿生钻头切削齿观察，发现其外径的磨损仍较为严重，建议进一步开展仿生异型齿外径强化研究。