研制含圆柱状АКТМ破岩单元的钻头时，首先必须注意的是钻头岩石破碎部分的宏观结构问题，即必须明确破岩单元的切削角、尺寸与钻头胎体面积、破岩单元布置与固定方式等要素之间的关系。由于钻头胎体唇面上将布置多个圆柱状АКТМ破岩单元，所以必须考虑孔底的破碎方式，是全封闭式，还是半封闭式或部分封闭式(参阅第三章第四节)。
下面首先介绍用组合切削具破碎岩石时预破碎区对钻进效果的影响。
(一)组合切削具产生的预破碎区对钻进效果的影响
前人在研究孔底岩石破碎机理时，在该领域已做过大量工作，但多是以一个切削具或一粒金刚石为观察对象来研究在外载作用下岩石内部的应力、应变规律和岩石破碎的机理。而在钻探生产中，每个钻头上必然有若干个(组)切削具。因此，研究组合切削具在岩石中产生的预破碎区对钻进效果的影响，更具有重要理论意义和实用价值。
乌克兰学者曾在实验室用一组切削具同时作用于岩块进行钻进试验，当切削具之间的间距Ty达最优值时，由于多个切削具产生的预破碎区裂纹相互贯通，使两个相邻切削具之间的岩脊不用消耗附加能量就能破碎(图4－4)。因此，在多个切削具相互作用下岩石破碎的能耗明显下降。
图4－4 两个切削具共同作用下岩脊中生成贯通式裂纹的示意图
为了研究切入深度与预破碎区深度的关系，曾安排在光学玻璃和砂岩上的切削破碎试验。其中，用光学玻璃来模拟花岗岩或石英岩类的弹脆性岩石，它的预破碎区用肉眼就可以直接观察到;而砂岩中的预破碎区则用乌克兰超硬材料研究所研制的裂纹荧光分析法作为观察手段。
砂岩和光学玻璃中预破碎区深度hy与切削具切入深度hp之间的关系如图4－5所示。可见，砂岩预破碎区深度hy是切入深度hp的2～3倍;而光学玻璃的增长幅度更大，达5～8倍，这与其具有明显的弹脆性有关。图4－6显示，在各向同性的光学玻璃中，切入深度hp达2mm时预破碎区深度hy已近14mm。
图4－5 预破碎区深度hy与切入深度hp的关系
图4－6 玻璃试样切口深2mm时出现的预破碎区达14mm深
为了研究预破碎区对岩石强度及破岩功耗的影响，采用7B36卧式刨床改装的试验台来模拟切削破碎过程，并自动记录每次切削破碎后岩石的强度及破岩功耗。试验技术参数如下:
人造金刚石超硬材料在钻探中的应用
试验中把5×5×15mm的棱柱状YG6硬质合金固定在试验台刀架上，与切削面呈15°角。切削对象为150×100×50mm的砂岩块。
开始试验前，先用金刚石工具磨平岩块表面，然后，在试验台上用硬质合金平头压模做10个点的压入试验，测出相应的弹性极限Py(kN)，弹性变形εy(mm)及其最大值εm(mm)，弹性变形功AE和岩石破碎总功AF。分析压头压入岩石的曲线，可确定岩石的弹性极限σy(MPa)及其接触强度Pk(MPa)。用AF/AE之比求出其塑性系数。把这些参数作为原始数据。然后，在半封闭的条件下进行岩石切削试验，共切10～11层岩石，切削深度分别为1mm和2mm。切掉每层岩石后，都在试验台上取10个点测定上述参数。试验数据列于表4－6，表4－7，试验结果示于图4－7。
表4－6 在切削深度hp=1、2mm条件下破碎砂岩时测得的岩石物理－力学参数
表4－7 切削砂岩的综合破碎指标
图4－7 切削深度hp=2mm条件下破碎砂岩时岩石物理－力学参数与被切岩层厚度的关系
由上述表格和曲线显示的结果可以看出，在多次切削砂岩的过程中，由于前一个切削具产生的预破碎区裂纹相互贯通，使岩石强度和破碎能耗明显下降。因此，设计钻头时必须根据所钻岩石的实际情况选择最优的切削具间距，使后一个切削具的切削作用能与前面切削具形成的预破碎区产生相互作用，使岩石破碎的能耗最小。
(二)含АКТМ切削具的钻头结构及其试验研究
为了发挥预破碎区对岩石破碎效果的影响，研制了在人造金刚石孕镶钻头胎体上镶嵌АКТМ掏槽刃的76mm试验钻头。
钻头在孔底工作时，如果超前于胎体的镶嵌体切削角越小，岩石破碎过程将越有效，切入深度增大，从而形成更大的岩屑，结果使机械钻速增大。但是，当切削角减小时，АКТМ镶嵌体将对钻进过程中产生的动载更加敏感。增大切削角将提高АКТМ镶嵌体在硬岩石中的工作可靠性，并延长工具的寿命，但机械钻速将下降。也就是说，镶嵌体的端面形状及其在钻头上的凸出高度，决定了切削角的大小，也就影响了岩石破碎速度。
钻头结构的辅助要素还有:镶嵌体的数量、扭转角及排列方式。为АКТМ镶嵌体设计扭转角有利于及时排除岩屑。镶嵌体在钻头上的数量增多，使分配在每个镶嵌体上的载荷减少，同样对机械钻速和孔底清洁都会产生负面影响。但是增加镶嵌体的数量通常有利于提高钻头的耐磨性。
为了确定钻头上АКТМ镶嵌体的最优尺寸，曾制造了含有不同直径镶嵌体的钻头(АКТМ的直径取3mm、3.5mm、4mm、4.5mm和5mm)并进行钻进辉长岩的台架试验。试验结果见图4－8和图4－9。
图4－8 机械钻速和工具磨损程度与АКТМ镶嵌体直径的关系
图4－9 每转钻深与АКТМ镶嵌体直径的关系
可以看出，工具的耐磨性和机械钻速随镶嵌体的直径变化而变化。当镶嵌体的直径由3mm增至5mm时，在钻进规程恒定的条件下，工具的磨损程度(每进尺1m自身的磨损高度)减少为原来的1/7，而机械钻速下降为原来的1/3，每转钻深也减少为原来的1/3。
在钻进规程恒定的条件下，钻头钻进能力随镶嵌体直径增大而下降的现象与镶嵌体上的比载荷重新分配有关。镶嵌体的尺寸越大，其上分配的比载荷减少，从而使钻进指标下降。当镶嵌体的尺寸由3mm增至4mm时，钻进指标下降幅度比由4mm增至5mm更强烈。因此，从镶嵌体制造工艺和尽量提高比载荷的观点出发，决定采用直径4mm的镶嵌体制造钻头。
含圆柱形АКТМ的76mmБТ19型试验钻头的结构如图4－10所示。其特点是，钻头有4个用浸渍法制造的扇形胎块(用粒度355/300μm、牌号AC160T金刚石)，在每个胎块上布置了3个直径4mm的圆柱形切削单元，它们与胎体表面成20°负斜镶角，并依次均衡分布在胎块由内侧到外侧的同心圆上，其位置分别在离冲洗液水口轴线20°、40°和60°处。从而可保证完全覆盖孔底的破碎面积。钻头的内外侧面用TVESAL单元来保径。
图4－10 镶有АКТМ的76mmБТ19型试验钻头
作者认为，金刚石破碎Ⅶ～Ⅷ级岩石时，起决定性作用的是孔底的切削和微剪切过程。尤其是当钻头破岩单元(例如АКТМ)凸出在钻头胎体唇面上，并可以切入岩石时，这是比较符合实际情况的。当然，也不否认可能存在着微切削与微磨削组合的过程。
这种钻头的工作机理如下。在钻进过程中，凸出于金刚石孕镶层上方的АКТМ镶嵌体首先接触岩石并在岩体上创建超前破碎区(为后续破碎提供自由面)，其宽度是镶嵌体切入部分的1.2～1.8倍。在这个区域里形成的许多宏观与微观裂纹使岩石的强度明显降低，从而胎体层中的人造金刚石晶体在超前破碎区很容易完成破岩过程。
胎体层中人造金刚石单晶的粒度应与镶嵌体的尺寸有一个合理的比例。实验研究表明，在胎体和切削具中的金刚石用量之比应在8～13范围内。如果这个比例小于8，那么镶嵌体中的金刚石太多，超前破碎岩石作用强烈，在岩石超前破碎过程中形成的岩屑尺寸与孕镶层的金刚石单晶相比将很大。这些钻渣填满了胎体上金刚石出刃之间的空隙。由于它们大于孕镶层金刚石的出刃，使得钻头悬浮在这些岩粉颗粒上直至它们被重复破碎至不大于金刚石出刃时为止，才能通过孕镶层金刚石出刃之间的通道，被排走。在岩屑被重复破碎的过程中将消耗额外的能量，使钻速下降，钻进效率降低。
当孕镶层金刚石颗粒的用量与镶嵌体中的用量之比大于13时，镶嵌体中的金刚石数量太少，不足以使岩石产生合理的超前破碎。于是，在岩石表面形成的起掏槽作用的裂纹和微裂纹数量不足，因此不能减轻胎体上金刚石破碎岩石的负担。而且岩屑颗粒将明显小于孕镶层金刚石的出刃，并很快从钻头唇面冲走，使得不能正常研磨胎体来帮助孕镶层金刚石及时出刃。这样一来，将导致金刚石层逐渐被抛光，结果使岩石破碎过程终止。在这种情况下，钻头的工作效率将很差，因为必须花费附加时间来帮助金刚石单晶出刃。
根据经验，在Ⅶ～Ⅷ级岩石中镶嵌体破碎槽的宽度将超过其切入宽度约1倍。实验室研究结果表明，切削具表面积和胎体面积之比应在1.8～2.4范围内，这样可以特别有效地破碎岩石。如果比值小于1.8，那么在孔底会留下完整(未破碎)的岩脊，从而迫使胎体上的金刚石要承担预破碎岩石的任务，直至完全破碎孔底岩石。这样将消耗附加能耗并降低岩石破碎的效率。
如果比值大于2.4，那么后续的切削具将重复破碎，即能量不是花在岩石破碎上，而是把已预破碎区磨得更细。在这种情况下，很细的钻屑将积聚在胎体金刚石之间，从而可能诱发烧钻。
为了明确镶有АКТМ的76mmБТ19型钻头是否有效，以批量生产的БС01型钻头(其胎体中使用粒度355/300μm、牌号AC160T金刚石)作为比较对象，在超硬材料研究所实验室进行了一系列对比试验。
首先研究钻进辉长岩时钻头磨损强度与轴向载荷的关系。采用千分尺来测量工具每钻进0.4m的磨损量大小。试验结果示于图4－11。
可以看出，含АКТМ的试验钻头与批量生产钻头的磨损强度并不一致。随着轴向载荷由5kN增至12.5kN(达2.5倍)，试验型钻头的磨损强度增加了2.5倍，而批量生产的钻头只增加了1.5倍。当载荷由12.5kN增至15kN时，批量生产的钻头的磨损强度反而比АКТМ试验钻头增长得更强烈。这可解释为，批量钻头属于小颗粒金刚石钻头，在这种载荷下胎体与孔底之间的间隙非常小，所以岩屑开始积累在工具端面下并附加作用于胎体材料，从而增加其磨损。
机械钻速随载荷变化的特性与磨损强度特性相似，只是АКТМ试验钻头的机械钻速高于批量钻头。载荷为5kN时高出80%，15kN时高出40%，而载荷为10kN时，钻头的机械钻速最大值几乎高了1倍(图4－12)。
图4－11 工具磨损强度与轴向载荷的关系
图4－12 工具机械钻速与轴向载荷的关系
因此，可以得出结论，对含АКТМ的钻头而言选择10kN载荷是最合适的。
转速对机械钻速的影响示于图4－13。
随着钻头转速增大其机械钻速也增大。而且当转速为630r/min时，АКТМ试验钻头的机械钻速是批量钻头的1.7倍以上，然后这种关系开始下降，并在1000r/min时仅为1.3倍。
必须注意，我们的试验是在轴向载荷恒定条件下进行的，可以推测，在转速大于630r/min时АКТМ试验钻头机械钻速的增长速率相对批量钻头变缓，是由于АКТМ镶嵌体被磨钝。这一点在图4－14所示的曲线中可得到证实。
图4－13 钻头机械钻速与工具转速的关系
图4－14 在恒定钻探规程(P=6kN，n=400r/min)下钻头机械钻速与进尺量的关系
可以看出，在钻进规程恒定的条件下，АКТМ试验钻头的机械钻速在进尺1～4m的范围内减少的速度比批量钻头要快得多。于是，在1m进尺中试验钻头的钻速与批量钻头之比达2.4，而在4m进尺中这个比值已为1.3。如前所述，这就说明试验钻头磨损得更快。为了维持试验钻头较高的机械钻速，在整个使用周期内应随着АКТМ单元的磨钝逐渐增大钻压。
钻头的生产试验在乌克兰中央地质联合体进行，钻孔中遇到软硬互层的地质条件，主要有砂岩、辉长岩和风化花岗岩。孔深600m。所用钻机为СКТО－65型设备。钻机立轴的转速范围87～800r/min，可以根据具体的地质技术条件来调整。试验结果见表4－8。
表4－8 АКТМ试验钻头与批量钻头的对比生产试验结果
由表中数据可以看出，АКТМ试验钻头进尺超过批量钻头60%，机械钻速超过90%。
总之，通过分析上述研究结果可以得出结论，乌克兰超硬材料研究所研制的含АКТМ钻头是一种高效的岩石破碎工具，能在硬岩石中钻进，与批量钻头相比，能使耐磨性提高60%，机械钻速提高90%。
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