带保护层新型金刚石复合片的研究

新型复合片由保护层、多晶金刚石层和硬质合金层组成，保护层厚度为0.2—0.3mm。该复合片的抗冲击和耐磨性能比普通复合片分别提高80％和20％。新型复合片制造的钻头在7级破碎地层中钻进平均进尺达116.73m，比普通复合片钻头提高一倍以上。     

孕镶金刚石钻头的局部体积破碎研究

针对孕镶金刚石钻头在坚硬岩石中的低钻速、高能耗问题,提出以体积破碎的碎岩方式来提高钻进效率的方法。为了进一步探究孕镶金刚石钻头的体积破碎形式,首先设计了单颗金刚石压入岩石全过程的室内实验。通过分析试验数据发现,金刚石压入岩石发生首次局部体积破碎即为金刚石钻头的体积破碎类型。然后,建立了金刚石压入岩石发生首次体积破碎时钻头的钻压和钻速计算模型,并通过对比理论值和实际值,进一步验证了单颗金刚石压入岩石试验结果以及计算模型的正确性。最后,通过分析计算结果,提出了在小粒径金刚石钻头中添加大颗粒金刚石来实现部分体积破碎的方法,并推导出钻头中应添加大颗粒金刚石的制品浓度,确定了大小粒径金刚石的添加量,并对大颗粒金刚石在钻头中的分布情况以及碎岩方式进行了探讨,可为实际中钻头参数设计提供参考依据。      

关于利用系统论方法设计金刚石钻头的分析研究

地质钻探工程是个复杂的系统工程,金刚石钻头设计是个复杂的系统。俄罗斯技术科学博士Скоромных В. В.教授等使用系统论方法设计表镶金刚石钻头,以机械钻速为目标函数,以钻头切入岩石深度为切入点,建立了相关的数学模型,编制了程序,进行了计算机模拟,可以比较直观地看到金刚石在孔底的工作情况和钻头破碎岩石的过程,对于深入研究孔底岩石破碎过程机理和判断金刚石钻头设计的合理性及其对钻探技术经济指标的作用,具有一定的实际意义。     

基于破碎单位体积岩石能耗量设计坚硬研磨性岩石用钻头方法的研究

深孔钻进时常常遇到坚硬岩石和研磨性岩石,在这种岩石中钻进时钻探技术指标不甚理想。建议以破碎单位体积岩石能耗低的标准来设计和研制孕镶金刚石钻头。按此标准设计的胎体扇形块上带有凸出和低洼切削齿的梳状金刚石钻头,在实验台上进行的试验,试验结果表明,与常规平底胎体金刚石钻头比较,破碎单位体积岩石能耗量降低了,机械钻速提高了,胎体单位进尺磨损量降低了。建议对这种新型钻头给以充分注意并进行进一步研究。     

探索拾零（五）论坚硬致密脆性非均质岩（矿）层的破碎机理

当今,在机械旋转破碎的钻探工程中,常见的钻进方法有硬质合金钻进、复合片钻进、金刚石钻进等。而钻进坚硬致密的岩（矿）层,孕镶人造金刚石钻头钻进具有特殊的优势。     

仿生孕镶金刚石钻头高效碎岩机理

将仿生学的非光滑原理应用到孕镶金刚石钻头的设计中,研制出新型的仿生孕镶金刚石钻头,比普通金刚石钻头钻进时效提高了30%~80%。仿生钻头破碎岩石后岩粉的颗粒比普通钻头破碎的岩粉颗粒大,可节省能量消耗,提高破碎效率;仿生非光滑表面使得钻头唇面的比压增加,有利于钻头的锐化,从而提高了时效;另外非光滑表面改善了钻头和岩石的冷却条件,因此提高了金刚石钻头的钻进效率。     

影响夹层式钻头性能因素的研究

过对夹层结构金刚石钻头的应用研究发现，与同类普通金刚石钻头相比，该钻头的胎体配方硬度可以高HRC3～5；可以适当采用部分细粒度的金刚石替代粗粒度，甚至可以细一个粒度级，在降低成本的同时也能取得较好的效果，特别是在中硬地层(8～10级)钻进时效果尤其明显；易磨损层宽度的设计影响因素很多，总宽度一般是钻头的径向厚度的1/5～1/4比较好；在内缘耐磨层中添加5%～8%的RVD2型70/80目的金刚石进行弥散强化，或者将内缘耐磨层宽度设计成钻头宽度的1/3左右，可解决内缘耐磨层过早磨损而使钻头提前失效的问题。这些经验完善了夹层结构金刚石钻头的制造技术。     

适用于破碎地层的新型单动双管钻具

针对极度破碎地层取心率不高问题,设计并制造了一种新型单动双管钻具。该套金刚石单动双管钻具由钻杆接头、单动装置、内管、外管、卡心装置和超前侧喷钻头等组成。通过在云南羊拉矿区试验,能有效地提高破碎地层岩心采取率。      

电镀镍锰胎体金刚石钻头的应用

对电镀镍锰胎体金刚石钻头和镍钴胎体钻头的使用情况进行了对比。实践证明,镍锰胎体钻头特别适用于钻进坚硬破碎、强研磨性地层和软硬交替的地层。     

栅格胎体孕镶金刚石钻头的破岩机理分析

从岩石宏观裂纹变化出发,研究孕镶金刚石钻头在钻进过程中由于岩体裂纹的影响而造成的断裂问题。运用岩石断裂力学理论,结合钻头实际工作条件,简化应力、水力及裂纹条件,建立了简化的岩石断裂等效模型,从理论上分析了一种新型栅格胎体孕镶金刚石钻头的破岩机理。研究结果表明:与常规的钻头相比,新型钻头的特殊栅格结构能有效提高钻压,比压由原来的68.03 kgf/cm2增加到了113.33 kgf/cm2,提高了将近67 %,使钻头能更有效地压入岩体,产生破碎穴及裂纹;特殊的栅格结构有利于冲洗液的储存,改善了金刚石颗粒的冷却效果,从而以更加有利的拉裂破坏方式破碎岩石。      

桂北硅质岩结构面抗剪强度研究

在广西壮族自治区桂林市天门村进行了硅质岩结构面强度的原位试验,结合现场调查,基于Barton模型,估算了硅质岩结构面抗剪强度。结果表明,硅质岩结构面的剪应力-位移曲线呈现出塑性变形的特征,剪切过程具有爬坡、空化、剪胀的特点。剪切曲线分为剪胀、剪断凸台和完全接触三个过程。结构面受剪力初期,剪应力上升较快,剪切位移随剪应力的增大而几乎呈线性增大,处于弹性状态;随着剪应力的不断增大,在剪切面处发生爬坡作用和啃断作用这两种力学效果;当将结构面上的凸台被啃断后,剪应力上升的梯度变小,直至峰值强度,处于完全接触状态。原位试验得到的抗剪强度参数与Barton模型计算的结果具有较好的一致性,但Barton模型参数的确定带有很强的主观性而造成的误差较大,导致其计算结果偏小,因此在没有经验值和相关工程参考的地区进行现场大剪试验是十分必要的,既保证了工程的可靠性,又避免过于保守,本次实验的结果为类似工程的取值提供了参考。     

高频微幅冲击振动作用下岩石破碎行为计算方法

针对现有岩石破碎研究的现状以及不足,进行高频微幅冲击振动作用下的岩石破碎行为计算方法研究。首先建立高频微幅冲击振动模型,在此基础上建立求解破岩体积、破岩比功、岩石裂纹长度的计算方法,并分析冲击频率、幅值对岩石破岩效率的影响。通过对比试验与算例结果,验证了计算方法的可靠性。结果表明:当冲击频率增加到2 000 Hz时,冲击时间的周期将减小到0.001 s,冲击力将会增加到12 900 N,钻头吃入岩石的深度以及冲击末速度也对应增加;并且高冲击频率、低幅值能够增加破岩体积、减小破岩比功、增加岩石裂纹长度。研究结论对于提高破岩效率,进行高频微幅冲击振动破岩的技术研究与工具研制具有参考价值。     

人造金刚石孕镶钻头唇面状态与钻进的关系

本文以金刚石在孕镶钻头中均匀分布为基础,从理论上推导出唇面径向不同位置的金刚石切深、受力。结果表明,在正常钻进情况下,金刚石切深约为其出刃的1/10,且距钻头中心越近,金刚石切深、受力越大;并由此解释了实钻较微钻钻进能力更强以及随着钻压（p）、每转进尺（h）的增大,碎岩效果,即单位钻压每转进尺（h/p）下降的现象。     

锥形聚晶金刚石复合片齿破岩特征与机制研究

锥形聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)齿是一种具有较强抗冲击性和耐磨性的新型PDC齿,在坚硬、强研磨性和软硬交错地层中取得了非常好的钻井提速效果。为了揭示锥形齿破碎硬岩机制,开展锥形齿破碎花岗岩试验与数值模拟研究,分析了切削深度和前倾角对锥形齿切削力和破岩比能的影响规律,采用高速摄像机和透明K9玻璃观测了锥形齿作用下岩屑形成过程及微裂纹萌生与扩展过程,通过数值模拟分析了破岩过程中岩石应力响应与损伤演化特性,结合对切削槽和大尺寸块体岩屑表面形貌及断口微观特征分析,建立了锥形齿破碎花岗岩机制模型。结果表明,锥形齿破碎花岗岩的过程可以分为挤压成核和块体崩裂两个阶段,前倾角对岩石破碎过程影响较小,切削深度的影响显著;锥形齿周围的裂纹主要由压实核、纵向裂纹和横向裂纹组成,纵向裂纹和横向裂纹扩展的最大深度分别为切削深度的6.69倍和4.53倍;齿尖周围压应力集中,岩石发生压剪破坏,压应力区外围形成弧形条带状拉应力区,并在齿尖及压应力区边界处诱导出拉伸微裂纹;微裂纹向齿前扩展形成弧形拉伸主裂纹,发生块体岩屑崩裂,提高破岩效率,向岩石内部扩展劣化...     

Discrete element modelling of rock cutting: from ductile to brittle transition

It is well accepted that there is a transition of failure mode from ductile to brittle with increasing depth of cut during rock cutting process. Rock failure modes affect cutting efficiency, and knowledge of the failure transition is essential to the determination of optimum cutting parameters. The critical transition depth can be linked with rock properties. In this study, an attempt was made to model rock cutting process and to check the dependence of the critical failure mode transition depth on the brittleness of rock. For this purpose, dimensional analysis was first performed to establish the correlations between rock macro‐properties and micro‐parameters for discrete element simulations. Following the specimen calibration procedure, two types of synthetic rocks having approximately the same uniaxial compressive strength were generated as the synthetic specimens for simulating the rock cutting process. The first specimen was created using conventional model construction method with identical bond strengths between particles, giving rise to undesirably high indirect tensile strength. The second specimen was created using a proposed clustering algorithm such that the ratio between the tensile and compressive strength matches reasonably well with that of real rocks. The results of rock cutting simulations demonstrate that failure mode transition took place in both models, but for the clustered model the transition emerged at a shallower cutting depth. A further exploration was made to derive the critical depth for this transition based on the simulations performed on the clustered models. The derived relationship indicates that the critical transition depth decreases as strength ratio or brittleness of the rock increases. This provides a very useful tool for predicting the critical depth which can be used to help cutting tool design and cutting parameter optimisations. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

冲击回转碎岩机理探讨

地下岩体中,天然地存在有许多微观裂纹与节理。在冲击回转的联合作用下,冲击使近钻头的岩石发生裂纹断裂、破碎,形成破碎小坑;使远离钻头的岩石中的微观裂纹扩展、连通、甚至断裂。在离钻头更远区域,使岩石产生新的微观裂纹。回转使冲击产生的破碎小坑沿圆周方向扩大,并使钻头上的金刚石颗粒换位。在回转冲击的联合作用下,岩石中的裂纹不断产生、扩展、断裂,从而达到高速碎岩的目的。     

盾构切刀顺次破岩机制的数值模拟研究

在对盾构切刀顺次破岩实际工况提出合理简化的基础上,从岩土细观角度出发,采用颗粒离散元法建立了切刀破岩的二维数值模型,研究了两把盾构切刀顺次作用下的破岩机制和影响因素,并通过试验对切刀破岩过程中切屑堆积现象及破岩力学特性进行了验证。研究表明,刀具尖端的破坏作用最为明显;切削岩石时切削力随着切削行程不断波动,水平切削力大于垂直切削力;不同于单刀切削,切刀顺次作用时前刀刮过的岩面留下了大量残余裂纹,使得后刀所受的切削力减小;从切削性能来看,随着切削深度的增加,岩石破碎块度不断增大,切削力和裂纹数迅速增加,说明切深与切削力密切相关;切削试验观测到了切屑在前刀面堆积和切削力的波动现象,与数值模拟具有较好的一致性。     

旋挖钻机碎岩计算方式的分析探讨

结合外载碎岩基本现象,对旋挖碎岩基本过程进行分析,得出其在回转钻进情况下的螺旋破碎的碎岩形式。然后根据岩石破碎时的压入条件,以单个截齿为研究模型,得出轴向压力的理论计算公式,继而参考库伦纳维的内摩擦理论,得出了切削力的理论计算公式。根据不同钻具形式,将单个截齿的计算公式扩展,得到了旋挖钻机压力和扭矩参数的计算公式。将轴向力与切削力计算公式中在特定工况下的影响因子简化,得出了旋挖钻机钻进过程中进尺速度与切削力的理论关系。最后利用LS-DYNA动态分析软件模拟了单个截齿在不同侵深条件下的切削力变化曲线,并将曲线与同等工况下理论计算的曲线进行对比,得出单个截齿的入岩参数理论计算公式。可为入岩旋挖钻机设计提供参考。     

苏州马环连接线强风化安山玢岩地质勘察钻探技术

强风化岩体裂隙节理发育,风化程度不均,岩石强度软弱不均,为提高钻进效率,改常规的复合片钻头为孕镶金刚石钻头,使钻进时以研磨岩石方式改为切削岩石方式;为提高岩心采取率,保护取心钻具内强风化岩心及防止钻具内岩心段间相互研磨,改单管钻具为单动双管钻具,采用相对优质泥浆进行护壁,预防钻进及提下钻时的卡钻。     

从力矩效应和地下水分析缓倾角结构面成因

在岩石剪切破坏中引入力矩模型并就剪切破坏过程进行了分析。在发生剪切破坏时岩石的破坏带有一定宽度,剪切带上的剪应力和支持力不是均匀分布的,在剪切过程中存在一个调整过程,并在局部集中,导致了剪切力矩的存在。当轴向压力 较小时,支持力和剪切力都很小,可视为均匀分布;随着 的增大,支持力和剪切力都增大,出现非均匀分布,局部表现为应力集中,出现局部破坏,而在整体上表现为力矩平衡。当剪切力矩大于支持力矩时,宏观上剪切破坏出现;分析研究了地下水引起的接触面积的变化,由此并推导了静水压力情况下结构面的稳定性。随着水压力p的增大,除了对岩体材料力学性质的弱化外,结构面上有效压力 和结构面上、下岩体的接触面积率 变小,使得发生失稳破坏的临界角 降低,也就是发生滑动的条件更容易满足。