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广大钻工和技术人员在金刚石钻探生产实践中经常遇到的难题之一是如何防止“烧钻”。因此，必须从理论和实践两方面对金刚石钻头的合理温度规程加以研究。
借助基础学科的成果，可以通过建立的解析关系式来计算，不同物理力学性质和热物理性质的岩石在不同的工艺(钻探工艺参数和泵量)、结构(金刚石粒度和形态、钻头的金刚石浓度、循环系统的几何尺寸、胎体和钢体的尺寸)和热物理因素(金刚石、胎体材料和钢体的导热和导温性能、冲洗液的比热和导热性)组合下，钻探金刚石切削棱面和沿胎体截面的发热温度。
在保证钻头有效冷却情况下，可按式(7－15)确定金刚石钻头孔底部分的冲洗液温度:
人造金刚石超硬材料在钻探中的应用
式中:G为冲洗液耗量，kg/s;c为冲洗液的比热，J/kg·℃;r为温度恢复系数，r=0.89;A为功的热当量，A=0.427J/N·m;v为冲洗液在钻头水口中的运动速度，m/s;g为自由落体加速度，g=9.8m/s2;t0为液流核心部分冲洗液的温度，℃。
人们常用单位时间进入钻头的热量Q来衡量钻探规程工艺参数的影响。这个值与孔底功率成比例:
人造金刚石超硬材料在钻探中的应用
孔底功率又与技术参数有下述关系:
人造金刚石超硬材料在钻探中的应用
式中:P为钻头上的轴向载荷，N;nB为钻具的转速，r/min;Dcp为钻头胎体圆周的平均直径，m。
钻头几何尺寸将通过胎体的横截面面积fm和钢体的横截面面积fk、胎体高度h、它们的周长Lm和Lk，以及给定的金刚石出刃ha来影响钻头的发热状况。这些参数增大，将明显强化金刚石钻头表面的热交换。
根据金刚石与孔底的总接触面积fa、比值fa/fm，以及缩简因子m的值(其中考虑了fa和La的大小)可确定钻头的金刚石浓度及其对金刚石工具发热状况的影响。显然，随着这些值的增长，特别是决定钻头中金刚石体积浓度的比值fa/fm的增长，金刚石切削棱面的发热温度会下降，金刚石的体积浓度(饱和度)越高，下降越明显。
可用下式来计算钻进过程中钻头获得的热量:
人造金刚石超硬材料在钻探中的应用
式中:K0为金刚石钻头与周围环境热交换的强度指标，W/℃;ta为金刚石切削棱面的温度，℃;tp为冲洗液的温度，℃。
在钻头的金刚石浓度恒定的情况下，当fa=const，热交换强度指标K0是孔底散热系数α的函数。α值的大小取决于冲洗液的热物理特性，因此对于不同的冲洗液K0可能在相当宽的范围内变化:例如，在用水作为冲洗液的情况下，K0比用压缩空气作为冲洗介质要高4～14倍(图7－6)。
由表7－7可以看出，在ta－tp=const的情况下，热流的Q值(即孔底功率)与热交换强度指标K0成正比。这样一来，我们便可以定量地评价不同类型的金刚石钻头(不同的金刚石浓度、粒度和不同的钻头几何参数)，在冲洗介质耗量一定的条件下，可能达到的极限孔底功率值。用于代入式(7－15)计算的原始数据见表7－7。
图7－6 热交换强度指标K0值与冲洗介质耗量的关系
改变K0值的大小，即通过调节冲洗液耗量及其物理化学性质来改变钻头的结构参数和α值，可以调整可能达到的孔底功率极值，对于某种类型的金刚石工具和一定的冲洗液泵量而言，该极值是可事先确定的。在确定所需孔底功率值的时候，可以认定钻探工艺参数处在允许的范围内。
这样一来，调整热交换强度指标的大小不仅可以使工具的温度规程正常化，而且可以在不同的钻探条件下对它进行控制，包括出现反常高温的条件下:用压缩空气钻进，用泡沫钻进，破碎极坚硬岩石，钻进含铁质矿床，以高转速钻进，等等。
表7－7 温度差ta－tp的计算(单位:℃)
钻头的金刚石浓度及其粒度对K0指标具有非常明显的影响，金刚石浓度及其粒度又单值地确定了金刚石与孔底的总接触面积fa。次之，胎体的几何特性(fm，Lm和h)，以及金刚石在胎体上的出刃ha也都具有重要影响;实际上钢体的几何特征不起多大作用。
关于冲洗介质类型和耗量对金刚石发热程度的影响可以通过式(7－15)算得的tp以及差值ta－tp(这里初始温度ta=600℃)来验证。在孔底区域循环的压缩空气温度由于热交换过程和高速射流与钻头表面的摩擦而升高。在同样的条件下，水的升温情况则很有限，其初始温度变化不大。可据式(7－16)来计算Q值，其中，孔底功率N值用已知工艺参数代入公式(7－17)来算出。水和空气的热容量c值可根据冲洗介质热物理性能表确定:压缩空气c=1.0×103J/(kg·℃);水c=4.2×103J/(kg·℃)。
钻进过程中金刚石切削棱面的温度计算，同样也证明了冲洗介质的性质对钻头的温度规程和孔底的临界功率有影响(图7－6)。可以看出，对01A4－59钻头(金刚石粒度30～40粒/克拉)而言，用压缩空气钻进时孔底的临界功率不应超出1.5kW，而用水作为冲洗液时，根据泵量的不同孔底临界功率应在2～6kW之间。在设计金刚石钻进工艺参数时必须考虑到这些情况。
胎体截面fm减少，例如通过减少胎体厚度和增大水口数量和大小，将使K0增大。与孔底接触的金刚石总量fa可能由0增至粉末冶金工艺允许的最大值，但永远是fam。
指标K0的物理实质表明了工作金刚石的导热强度:通过胎体的传导和冲洗介质的对流来散热。这种情况下，被抛光和未吃入孔底的金刚石变成了胎体的填充剂。
随着fa增大，热交换强度指标K0也增大，也就是说，在提高钻头中金刚石质量浓度的同时减少它的粒度有助于增大K0，与此同时允许的孔底临界功率值也将增大。
另一种调整金刚石钻头温度规程的常用办法是降低冲洗介质的温度tp，即通过人为冷却冲洗介质来降低金刚石切削棱面的发热温度。
通过分析热交换强度的关系式可得出以下结论，金刚石钻进时必须遵守合理的工艺，即保持规程参数和泵量在这样的水平，保证孔底功率不超过允许的临界值，使金刚石钻头的热交换强度指标K0值与周围环境相适应。
对于预计可能出现临界高温的金刚石钻头，应从以下方向去改变钻头结构:增大散热面;增大金刚石与孔底接触面积和胎体横截面之比;通过提高散热系数、改善水口和钻头切削部分的几何形状，为增大钻头与冲洗介质的对流热交换创造条件。所有这些问题都是可以解决的，其基础是要搞清楚金刚石钻探过程中工艺因素、结构因素和热物理因素如何影响热交换强度指标，并在此基础上通过改进钻探工艺来解决。
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