钻头泥包的土壤动物仿生学分析研究_张毅

　2003年第2期　　　　　　　　　　　　探　矿　工　程41

钻头泥包的土壤动物仿生学分析研究

张　毅,孙友宏,任露泉

(吉林大学,吉林长春130026)

摘　要:从土壤动物适应生存环境而进化出在潮湿土壤中不粘土的特性出发,介绍了土壤动物非光滑体表结构有利于减粘脱土的原因和穿山甲特殊爪趾形状不粘土的特性。在此基础上,提出了仿生钻头的想法,希望能够解决钻探工作中遇到的钻头泥包问题。关键词:钻头;泥包;仿生;土镶动物

中图分类号:P634.4+1;Q811　　文献标识码:A　　文章编号:1000-3746(2003)02-0041-03

ResearchonSoilAnimalsfortheBionicAnalysistoAbortBitBalling/ZHANGYi,SUNYou2hong2quan(JilinU2niversity,ChangchunJilin130026,China)

Abstract:Asforthecharacteristicswhichsoilanimalspossessbyevforins,articleintro2ducesthereasonwhythesoilanimals’unsmoothingcuticalisfavourableclay,andtheanaly2sisofthepeculiarclawshapeofpangolin.Basedontheforward,whichmightsolvetheproblemofbitballingindrilling.

Keywords:bit;bitballing;bionics;s　　,、蝼蛄、蚂蚁粘附外物。这无疑与土壤动物有利于减粘脱土特性体表结构有关。吉林工业大学研究者从研究地面机械的减粘降阻目的出发,自20世纪80年代就开始进行土壤粘附仿生研究,取得了许多重大进展和成果。这些成果对于分析研究钻探中钻头泥包现象有许多借鉴之处。

1　钻头泥包现象

图1　钻头泥包示意图

探,还是石油钻探,经常会遇到泥质岩石,无论是采

用金刚石钻头、硬质合金钻头、牙轮钻头,还是潜孔锤钻头,钻头泥包都会产生,其后果是轻者大幅度降低机械钻速,重者钻进停止,更有甚者产生卡钻等孔内事故。所以在钻进泥质占较大比例的地层时,预防及消除钻头泥包是一个不容忽视的技术问题。

目前,对于钻头泥包问题的研究大都是从改变钻进规程参数角度来解决,如加大泵量、降低钻压等,取得一些效果,但不够明显,很少有人从钻头本身的结构来分析。

2　穿山甲鳞片非光滑减粘效应分析

钻头是破碎岩石的主要工具,它的结构是否合

理,与所钻的岩石性质是否相适应,直接影响着钻进的速度、质量及成本。因此,选择结构合理的钻头和对它正确的使用,在钻井实践中有着重要的意义。

在钻进过程中,希望钻头可以最大限度地发挥作用,从而达到钻进速度快、钻进效率高等目的。但往往钻头在井底作业时会出现这样那样的问题,钻头泥包现象就是问题之一。简单地讲,钻进过程中切削出的泥质岩屑遇水后不能及时排离孔底而粘附于钻头上,便形成钻头泥包,如图1所示。

无论是地质岩心钻探、水文水井钻探、

地热钻

穿山甲属哺乳动物鳞甲目鲤鲤类,它头小尾长,

　收稿日期:2002-07-29　基金项目:教育部地面机械与仿生重点实验室博士后研究课题　作者简介:张毅(1977-),女,天津人,吉林大学硕士在读,地质工程专业,从事钻探和岩土工程方面的科研工作,吉林省长春市西民主大街6号吉林大学朝阳校区研003班,(0431)8504325,[email protected]。

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的研究表明,它们体表普遍存在着几何非光滑特性,

其特点是,一定几何形状的结构单元随机地或规律地分布于体表其些部位,结构单元的形状有鳞片形、凸包形、凹坑形、棱纹形和刚毛形等。而沿土壤动物躯体纵向(即运动方向)的体表轮廓呈波纹形曲线。同一土壤动物体表各部位呈现的几何非光滑形态各异,这与土壤动物对环境适应的生物进化过程,特别是不同部位的触土方式有关。几何非光滑结构单元在力学特性上可表现为刚性的、弹性的或柔性的。土壤动物体表几何非光滑结构存在于多种尺度上,可分为宏观非光滑和微观非光滑。

3　图2　穿山甲鳞片体表

全身披鳞,穴居于树林潮湿地带,栖于土坡洞穴内,

洞穴弯曲长度可达10m以上。

穿山甲体型基本上呈长扁圆形,其横断面体表为较规则的波浪线形,整体纵向亦呈较规则的微波曲线,体表凸凹较明显,如图2所示

。

,,成为有利的,,这样,使它们在土3。其前爪是5趾,并且爪先接触土壤的面有凸棱,而另一面有凹面及凸筋

。

　　挖洞时,穿山甲用爪迅速掘土,当土掘松后便钻入土中,把身上的鳞片竖起,抵住松土倒退,量泥土。为了增加拉土力,,。穿山甲鳞片具有一定的曲率变化,,它们是比较典型的双向等强度的板壳结构,既坚固耐磨,有一定回弹能力,又利于减粘脱土。

穿山甲的鳞片波形体表,使体表与土壤表面间存在一些间隙,可有效地减轻大气对土壤的作用,减小动物体表对土壤的吸引力。由于粘性土壤的片状结构和结持性较大,鳞片体表的宏观凸凹不平及微观棱纹波形,极易使凹处形成无土区,即使对于含水量较多的粘性土,也会使水膜不易连续,动物体表的实际触土面积减小,从而降低土壤的粘附力;对于含水量较少的粘性土,动物体表凹处不仅无土、少水,使水膜不连续,并且易储满空气使动物体表与土壤表面间存在空气膜,既降低摩擦系数,亦减少粘附。同时,由于鳞状波形,使相对动物体表移动的土壤接触界面产生与前进方向垂直的微振,使界面土壤不断受到垂直界面的正反两向的反复作用。这样,一方面将减轻土壤对动物体表的压实,另一方面由于微振产生的加速度,使土壤中的水分和空气易于逸出,从而增加润滑和减粘的效果。

根据上述初步分析,可见穿山甲鳞片的鳞状波纹具有减粘降阻的作用,这是穿山甲为减粘脱土以适应粘湿土壤环境而进行长期优化的结果之一。

对其它几种典型土壤动物,如蜣螂、蝼蛄、蚂蚁

图3　穿山甲右爪

　　图4为穿山甲爪趾的扫描电镜照片,可以发现

其爪尖是一面为斜面的圆锥楔形,爪尖顶端圆钝

。

图4　穿山甲趾正面

3.1　爪趾前部呈楔形

穿山甲的爪呈圆锥楔,这种楔形结构有利于减

粘降阻。楔面能分散土壤压力,减小触土面积,从而

　2003年第2期　　　　　　　　　　　　探　矿　工　程降低土壤阻力,使爪趾具有较强的入土能力和较优的脱土效果。

根据一些学者的研究,当楔入速度很低时,楔入浅土层楔角50°所产生的阻力最小,楔入深土层楔角30°阻力最小;当楔角>50°时,楔前就会出现被压实的土核,而被压实的土壤易于聚集楔端部并粘附于其上,并作为楔的粘结部分随其运动。穿山甲的爪趾楔角为20°,未超过50°,这是长期进化优化的结果。穿山甲在潮湿的林地或较硬的土坡掘洞,选择20°楔角最为有利。

3.2　爪趾顶端圆钝

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(2)钻头表面具有水化层是形成泥包的主要因

素,要阻止钻头表面形成泥包,最好的方法是消除钻

头表面的吸附水层。通过对穿山甲体表非光滑特性研究,其鳞片体表的宏观凸凹不平及微观棱纹波形,使土壤中水膜不易连续,弱化水化层,减小实际触土面积,从而降低了土壤对其体表的粘附,故钻头体表面应是非光滑的为好。

(3)分析穿山甲的爪趾,其爪趾呈有利于减粘降阻的圆锥楔形,20°的楔角使穿山甲可以在潮湿的林地或较硬的土坡上掘洞。爪趾圆钝的顶端改善了接触部分土壤的应力分布,从而减小了土壤粘附。爪面上的凸棱、接触面积,,起到了脱附。,具有很强的憎水性,使水在土壤动物体表上的接触角>90°,也是土壤动物减粘脱土的重要原因之一。如果钻头表面也有一层憎水物质,也可以达到不粘土或少粘土的目的。还有,有些土壤动物(如蚯蚓)体表分泌体表液,渗入土中形成一层

由力学知识,楔顶端的几何形状对其前部附近的土壤应力分布有着明显的影响,决定压实土体的形状及其脱附程度,如图5所示,(a)为平板状,(b)为圆钝状,(c)～(e)为楔角状,其楔角越小,越易产生应力集中,楔体越不耐磨,也越易粘土

。

图5　不同形状楔端压实土体形状

　　当楔端部形状为接近土体形状的圆钝状时,易于脱土。

显然,穿山甲的爪趾楔尖圆钝是遵循上述原理的。一方面是减少应力集中,增强生物材料与环境条件相适应的机械强度,提高对土壤磨料磨损的耐磨性;另一方面是在保证楔入力尽量大的条件下,使顶端过渡圆角增大,改善端部土壤应力分布,改变压实土壤的形状,减少土壤粘附。

3.3　爪面上的凸棱、凸筋和凹沟

保护层,从而使体表与土壤接触变为一种滑动,防止

了土壤对其体表的粘附。在钻探领域,可以利用泥浆在孔壁与钻头之间产生一层保护层,达到防粘降阻的作用。

目前,我校正在设计一种仿生钻头,钻头体表面仿造穿山甲鳞片在其体表的分布形式,切削齿仿造穿山甲的爪趾,从而达到减粘降阻脱附的目的。希望可以在泥质岩中钻进时有效地防止钻头泥包现象及提高机械钻速。参考文献:

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叉新技术领域[J].中国机械工程,1999,10(9).[4]　陈秉聪,任露泉,徐晓波,等.典型土壤动物体表形态减粘脱土

穿山甲爪面棱筋凸凹,表现出明显的非光滑,这样不仅使爪面与土壤接触面间存在一定的间隙,减小二者实际接触面积,降低空气对界面的压力,而且使爪面与土壤界面间产生粘附力的水膜不能连续,从而减少土壤对爪面的附着力。

4　结论

(1)钻头泥包可以直接归因于孔底净化不良。

但实钻资料表明,孔底净化不良只是在很小程度上

由泵量偏小及操作不当(如钻压过大)所致,在更多的时候是由泥质岩独特的碎岩特性造成的,应从钻头的结构加以改进。

的初步研究[J].农业工程学报,1990,6(2).[5]　丛茜,王连成,任露泉,等.鳞片形非光滑表面的仿生设计[J].

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土分析[J].农业工程学报,1990,6(3).[7]　陈秉聪,任露泉,徐晓波,等.典型土壤动物爪趾形态的初步分

析[J].农业工程学报,1990,6(2).[8]　任露泉,陈德兴,胡建国.土壤动物减粘脱土规律初步分析[J].

农业工程学报,1990,6(1).