热压烧结金刚石钻头工程勘探钻进时效的试验研究

采用热压烧结方法制备5种不同胎体硬度和唇面形状的金刚石钻头,试验于工程勘探中,与常用的电镀金刚石钻头比较,分析其钻进时效情况。结果表明：通过优化设计,热压烧结钻头同样适用于工程勘探领域,其钻进时效与现行电镀钻头的钻进时效相当,甚至更高;对于微风化灰岩地层,热压烧结钻头的胎体硬度越低,其钻进时效越高,胎体硬度越高,其钻进时效越低;异形齿设计比平齿设计的热压烧结钻头的唇面更易出刃,其钻进时效较高。     

硬岩钻进用石油钻头研究现状及发展趋势

能源与矿产的持续安全供给是经济快速增长的保证,而中硬岩层钻进一直限制着油气钻井向深部发展。针对硬岩地层钻进,地质行业主要采用金刚石钻头钻进,而油气钻井行业除按传统方法采用牙轮钻头和金刚石钻头钻进之外,也逐渐开展了PDC钻头钻进硬岩的研究。本文分别介绍了牙轮钻头、金刚石钻头和PDC钻头在油气勘探硬岩钻进中的应用研究现状。其中,牙轮钻头研究主要集中在增强轴承密封性能、改进布齿结构和提高切削齿强度三个方面,而金刚石钻头研究则集中在碎岩机理、金刚石参数和胎体性能,以及钻头结构三个方面。提出了三类钻头的研究方向和发展趋势,为硬岩钻探技术发展提供参考。     

关于提高金刚石钻头胎体耐磨性的试验研究

胎体耐磨性（胎体硬度）是金刚石钻头的一个重要技术指标,它直接影响钻头、钻进规程参数的选择和钻探工程技术指标的提高。目前,现场所用钻头实际胎体硬度低于出厂钻头的标称硬度,而钻探施工一般按胎体标称硬度进行安排生产,所以会对钻探效率和进尺的提高带来误导和负面影响。为了提高钻头胎体硬度,进行了如下研究工作：改进钻头烧结工艺,提高胎体材料中碳化钨的比例和增加混料时间。在改进钻头烧结工艺中,建议讨论研究俄罗斯冷压烧结技术,其烧结压力可以达到70～100 MPa,远远高于我国热压烧结的压力,这将有利于胎体耐磨性的提高和钻探技术经济指标的改善。     

难钻进地层金刚石钻头的现状和发展趋势

近年来,针对坚硬致密地层、坚硬强研磨性地层以及坚硬致密泥岩地层这3类地质勘探的难钻进地层,开展了金刚石钻头相关的研究与攻关,取得了重大进步。针对坚硬致密地层,通过在胎体中添加稀土和自锐材料、低压钻头结构设计,在可钻性小于11级的坚硬致密“打滑”地层中,钻进速度可达1.5～2.0 m/h,钻头寿命达30～300 m;针对坚硬研磨性地层,通过超高金刚石工作层和优化的水力结构设计,超细预合金化粉末以及超耐磨胎体性能,使机械钻速同比提高20%～70%,钻头寿命同比提高1.4～10倍;针对坚硬致密泥岩地层,对尖齿复合片和巴拉斯钻头进行了深入的研究,钻进效率提高了50%左右。在油气田深井硬岩钻探领域,NR826系列金刚石孕镶钻头配合螺杆钻具同比牙轮钻头,机械钻速提高18%～85%,钻头寿命提高5～8倍。此外,我国在海洋深水钻探复合片钻头方面的研究也取得了长足的进步。     

基于打滑地层的孕镶金刚石钻头设计

为了提高金刚石钻头在坚硬致密、弱研磨性地层的钻进效率, 将弱化胎体耐磨损性能理论与切削齿非光滑设计相结合, 制作钻头进行现场试验并对胎体进行扫描电镜分析.研究结果表明:在胎体中添加适当浓度的胎体弱化颗粒, 有利于提高钻头的钻速; 经胎体耐磨性弱化处理的钻头在钻进过程中, 弱化颗粒易于从胎体表面脱落, 使其表面形成微观非光滑形态, 提高了钻头唇面与岩石的单位面积压力, 增加了孔底岩粉的研磨能力, 促进了胎体中新颗粒金刚石的出刃; 弱化颗粒浓度存在一个较优的设计范围, 过高或过低都不利于提高钻头的钻进效率和使用寿命.      

新型针状硬质合金-金刚石复合型钻头

介绍了针状硬质合金-金刚石复合型钻头的设计与制造工艺以及在孕镶针状硬质合金钻头基础上复合金刚石的研究方法。对针状硬质合金规格、性能以及排列方式提出了有实用价值的设计,并对金刚石的品级、浓度、粒度及钻头的烧结工艺进行了较深入的试验研究。生产性试验表明,该类型钻头对于钻进硬而破碎地层、软硬夹层以及卵砾石地层均具有很好的使用效果。     

特高多层胎体孕镶金刚石钻头设计与数值模拟

针对金刚石钻头寿命受限于钻头胎体高度的问题，提出了一种新型多层特高胎体孕镶金刚石钻头的设计方案。钻头设计中，引入了偏心交错切削齿、交替式水口以及挡水片结构，保证了多层特高胎体钻头的冷却及有效钻进。通过强度及水力流场模拟，校核了钻头强度，验证了水路结构的合理性，并进一步实现了钻头成品加工制造。该钻头打破钻头胎体高度的限制，为大幅提高钻头寿命提供了新的思路。移动阅读      

仿生异型齿钻头在干热岩钻探中的应用

干热岩具有硬度大、研磨性弱、可钻性差和钻进难度大等特点,常规孕镶金刚石钻头钻进时打滑严重、寿命短。针对此技术难题,根据干热岩岩性和设计的井身结构特点,引入仿生高效耐磨技术,以穿山甲爪趾为仿生原型,结合孕镶金刚石钻头的结构和制备工艺方法,研制了与该类地层相对应的仿生异型齿钻头。在青海共和县干热岩现场的钻进试验结果表明：仿生异型齿钻头未出现打滑现象,相比于打滑不严重的常规软胎体孕镶金刚石钻头,仿生异型齿钻头的钻进速度提高97.5%,寿命（仿生钻头寿命为推算寿命）提高1.268倍。进一步证明了仿生异型齿钻头在坚硬打滑的干热岩地层中钻进能够提高效率、缩短钻井周期、节约钻井成本。     

关于金刚石钻头胎体硬度分布的试验研究

钻头胎体硬度是一项重要技术指标,应与所钻岩石的硬度（可钻性）和研磨性相适应。胎体硬度直接影响钻探技术经济指标的提高和钻进工艺参数的选择。试验研究表明,钻头胎体硬度分布很不均匀,差别很大。首先应从胎体烧结工艺上找原因,烧结压力偏小（5 MPa）可能是首要原因。钻头、工艺参数、操作技术等都很重要,缺一不可。钻进技术经济指标低,不一定都是钻头质量问题,要从多方面进行研究。提倡把经验打钻提高到科学打钻上来。     

深孔钻进金刚石钻头的研制

根据深孔钻进对金刚石钻头性能提出的新要求,从结构改进、金刚石选择与匹配、原材料优选、配方创新、制造工艺优化及针对地层优化性能参数等几个方面入手,研制了新型高胎体低温烧结钻头,通过野外现场试验验证,取得了较好的效果。     

基于压力烧结法的小尺寸人工冰样制备工艺研究

小尺寸人工冰样主要用于冰的力学特性研究,具有制备程序简单、周期短、成本低、不受季节和地域限制等优点。本文在-3.5~-17.3 ℃温度和10~100 MPa压力条件下开展了雪压力烧结实验研究,采用压力烧结法制备了小尺寸人工冰样,其结果揭示了烧结应力和烧结时间对雪压力烧结过程中的密度演化和冰样最终烧结密度的影响,得出使用压力烧结法来制备冰样时可以选择长时间、低应力、近融点温度或短时间、高应力、低温度的条件,来制备密度为0.917 g/cm³的人工冰样。实验结果验证了压力烧结法制备人工冰样的的可靠性和可重复性,为冰力学特性实验提供了一套切实可行的小尺寸人工冰样制备工艺。     

假白榴正长岩烧结反应过程的热力学分析与评价

在综合分析假白榴正长岩物相组成的基础上,以碳酸钠为助剂,分解假白榴正长岩中主要矿物相,对其进行热力学分析,并与石灰石烧结法进行比较。烧结反应实验结果表明,采用碳酸钠为助剂,假白榴正长岩粉体在760～880 ℃条件下反应10～15 h,矿石中主要矿物的分解率可达971％。热力学计算结果表明,纯碱烧结法处理1 t假白榴正长岩矿石,消耗Na2CO3 065 t,且约95％的Na2CO3可以回收循环利用,消耗标准煤19097～20682 kg,排放CO2 077～081 t,一次性资源消耗量、标准煤耗、温室气体CO2排放量分别比石灰石烧结法分别减少了65％、63％、65％。纯碱烧结法具有一次性资源消耗低、能耗低和温室气体CO2排放量少等优点,工业化应用前景十分广阔。     

孕镶金刚石复合材料用纳米级胎体粉末的脉冲电流烧结试验

为降低孕镶金刚石复合材料的烧结温度,采用脉冲电流烧结法,对纳米Cu粉末、纳米WC-12％Co粉末及常规的63^#配方胎体进行了烧结实验。结果表明,纳米Cu粉在700℃可实现致密化,纳米WC-12％Co粉末、63^#配方胎体可分别在1100℃、850℃实现致密化,均大大低于常规烧结方法的烧结温度,还起到保护金刚石、降低能耗、增加石墨模具寿命的作用。     

安徽宁国钾长石共烧结工艺研究

以宁国钾长石矿为主要原料，采用共烧结工艺，研究了用CaCl2做添加剂与钾长石共烧结温度、温度、CaCl2用量对溶出率的影响，确定了共烧结最佳参数，同时，通过XRD表征方法，对原矿物相及水浸潭物相进行了研究，探讨了共烧结反应机理，实验结果表明，钾长石中K2O溶出率可达95％。     

嵌入式电脑自动控制钻头烧结炉

针对通用箱式电阻烧结炉不能烧结直径大于250 mm钻头及烧结回、升温难以控制等问题,研制了可手动、自动、远程操作一体化的智能型钻头烧结炉。该烧结炉采用嵌入式电脑自动控制烧结升温曲线、回温速度、炉门和料车自动升降、高温热态端平烧结工件,并可预置多种功能参数,实现了烧结炉的智能控制,解决了大直径(<400 mm)钻头的烧结问题。      

硫铝酸盐“S”型瞬凝水泥的研究与机理探讨

简介了低温烧结的硫铝酸盐“Ｓ”型瞬凝水泥的基本情况;详细阐述了该水泥的水化机理、早强机理、速凝机理等。     

金刚石钻头设计、制造的微机系统的研究

介绍了金刚石钻 专家系统和钻头制造的微机自动控制系统,以及在生产中使用的情况。     

热压温度确定原则及低温活化烧结

评述了金刚石制品热压烧结温度判定的理论依据,介绍了添加微量元素降低ＹＧ合金烧结温度的机理;同时提及粉末细化、粉末预合金化、稀土合金等活化烧结工艺     

热压碳化钨基复合胎体材料性能试验

为了提高碳化钨（WC）基复合胎体材料的性能,在烧结压力为13 MPa、升温时间为6 min、保温时间为5 min的情况下,采用真空热压烧结的方法制备了金刚石钻头所用的10种不同比例WC基胎体材料试样30块,并对试样进行了洛氏硬度(HRC)、抗弯强度(σ)等性能测试。通过试验数据分析研究了WC、663青铜(ZQSn663)、锰(Mn)、钴(Co)、镍(Ni)与胎体材料HRC和σ的关系。结果表明：WC质量分数对胎体的HRC和σ的影响是主要因素,胎体的HRC和σ具有内在联系,HRC高的胎体σ往往也高;在胎体配方中各个成分的含量都应得到控制才能保证胎体的性能优良,各成分的质量分数控制为：w(WC)<59.1%, w(ZQSn663)>25%, 3%<w(Ni)<6.5%, 0.9%<w(Co)<3.5%, w(WC-ZQSn663)<20%。     

铁尾矿粉热压成型类石板试验

探寻废弃铁尾矿粉再生利用的有效途径,将其制备成为消耗量大、附加值高的建筑型材是铁尾矿粉热压成型类石板材的根本目的。根据微晶玻璃的形成原理,使用鞍山式铁尾矿粉配制4种不同类型的混合粉料,4种配方中共同含有的主要化学成分为Al2O3、MgCO3、CaCO3、BaCO3、Na2CO3,分别在温度900～1 000℃、压力10～20MPa、升温时间5～8min、保温时间10～30min条件下在液压加压中频加热炉上进行热压成型试验,分别在室温和炉温自然冷却条件下冷却至室温。热压成型试验结果表明:合适的添加剂掺量和温度以及压力控制能够实现铁尾矿粉类石板的热压成型,最佳的热压成型温度范围为950～1 000℃,试样硬度与压力呈非线性关系,但当压力超过15MPa后试样的硬度明显提高。热压成型试样的最大硬度为HRC37。