孕镶金刚石钻头是深层矿产资源和油气资源勘探项目中最为重要的破岩工具之一,但在钻进特殊的硬岩地层时具有一定的局限性。如在钻进强研磨性地层时钻头会出现过度磨损现象,在钻进弱研磨性地层时会因胎体磨损较慢金刚石不能及时露出而钻头打滑现象。为了预防这些现象的产生,除了提高钻头自身材料性能和优化结构外,还可通过利用物理或化学手段弱化岩石从而达到快速钻进的效果,目前研究热点主要集中在利用热能如火焰喷射、激光等手段直接钻进或间接辅助机械能钻进,但这种方式能源消耗大,成本极高,尚处于实验室研究阶段。本文通过在孕镶金刚石钻头胎体嵌入摩擦元件,使钻头破碎岩石时在孔底产生更高的摩擦热作为热源弱化岩石性能,不仅可以降低能源消耗、充分提高孔底能量利用率,还能实现在坚硬岩层中更为高效的钻进。本文首先对孕镶金刚石钻头在孔底破岩的过程及生热过程进行了介绍与分析,研究钻头唇面与岩石作用时摩擦热能的产生机理,即来自于钻头唇面与接触岩石表面的弹性和塑性形变。分析相关数据表明,岩石受热表面在受到温度波动变化时,温度波动仅出现在极为接近岩石受热表面的深度范围内,定义处于这段深度的岩石层为岩石温度敏感层。在温度敏感层中会发生剧烈的冷热交替弱化岩石现象,加速岩石裂纹扩展。通过对岩石受到冷热循环交替弱化性能进行研究,对含有摩擦元件的热-机孕镶金刚石钻头关键尺寸进行设计计算。以裂纹扩展最小延迟时间理论为计算依据,推算出直径Φ59mm、Φ76mm钻头在不同钻进参数下实现热-机碎岩效果所需的最小水口宽度,并以Φ59mm钻头为例,通过钻头中每颗金刚石所能承担的最大钻压,计算出摩擦元件在每个摩擦元件层(包镶摩擦元件的钻头胎块部分称为摩擦元件层)中所占的最小面积。根据花岗岩的研磨性、可钻性以及与热-机碎岩工况的相适应程度,选择软胎体64#配方为胎体材料,氮化硅作为摩擦元件材料,设计并制备出Φ59mm热-机孕镶金刚石钻头进行室内钻进实验。实验测试六水口钻头、无摩擦元件的对照组钻头以及热-机钻头三种钻头,对其在钻压10kN,转速388r/min,钻井液流量10~30L/min的参数下的钻速及孔底温度进行测量,并对钻头磨损状况进行分析。结果表明,孔底温度和钻头钻速随钻井液流量的减少而增加。在流量为20L/min时,热-机钻头孔底测量温度已经超过了α-石英相变温度。对照组及热-机钻头的磨损情况对比表明,对照组钻头唇面磨损较严重,存在较深的沟槽,金刚石脱落、氧化程度较大,且热源集中于胎块中心位置;热-机钻头磨损相对较小,且胎体高温区靠近摩擦元件层。即加入摩擦元件不仅可以提高摩擦生热效率,改善胎体整体受热情况,还可提高原胎体的耐磨性,使相对较软的64#配方能够适应于在硬岩中钻进。