坚硬致密弱研磨性地层孕镶金刚石钻头性能优化

基于金刚石钻头在坚硬致密弱研磨性地层钻进时易出现进尺效率低的现象,将SiC磨粒作为胎体耐磨损性弱化颗粒添加至胎体中,采用室内钻进及正交试验设计法从金刚石粒度、金刚石浓度、胎体耐磨损性弱化颗粒浓度、胎体硬度4方面对钻头性能进行优化,并探讨了钻进工艺参数对钻进效率的影响。结果表明:将适当材质的胎体耐磨损性弱化颗粒添加至钻头胎体中,能够有效提高钻头的钻进效率,避免钻头打滑的现象;胎体硬度HRC 25,金刚石粒度40/50目、金刚石体积分数55%,胎体弱化颗粒体积分数30%是本次试验最优的设计方案;在相同主轴转速条件下,轴向压力不宜超过3.5 MPa,在相同轴向压力的条件下,其主轴转速以750~850 r/min为宜。      

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。     

提高孕镶钻头钻进效果试验

孕镶人造金刚石钻头在弱研磨性的中硬以软的岩层中(如结晶灰岩、灰岩、白云岩及泥质页岩等)钻进,其小时效率比较低,一般在1.0～1.4米/时左右.当使用软胎体钻头钻进时,钻头寿命又较短;胎体稍硬一点(如HRC35以上),钻进效率又不高;胎体太硬(如HRC45以上)金刚石又不易被磨出刃来,以致出现所谓的“打滑”.根据上述情况,现场工人采用“硬磨软打”的方法,即在研磨性岩层中钻进一段,使钻头上的金刚石磨出刃来,然后在软岩中打进尺,这样既提高了钻进速度,又延长了钻头寿命.     

防止金刚石钻头打滑

在坑内钻进硬岩层时,人造金刚石钻头常打滑,此时金刚石不出刃,钻头和岩石互不磨损,钻头唇面光滑,金刚石有镜面反光现象.钻头打滑的原因是岩石致密坚硬,研磨性小,胎体不能在钻进过程中自磨而使金刚石出刃,因而钻头不能刻划岩石,岩石也不磨损钻头.     

硬脆性辅料对孕镶金刚石钻头钻进性能的影响机制

以改善金刚石钻头的使用性能为目的,向钻头胎体中添加不同量的碳化硅颗粒,并采用室内钻进试验的方法,研究碳化硅及其添加量对钻头性能的影响机制。结果表明:与常规钻头相比,添加质量分数为5.5%的碳化硅颗粒,其钻进效率提高了55.14%;胎体中的碳化硅颗粒有利于改善钻头胎体的微观磨损形貌;残留于孔底的碳化硅颗粒有利于改善冲洗液对胎体的冲蚀效果,以及提高对胎体中单颗粒金刚石的修锐效果。      

关于孕镶钻头金刚石浓度、粒度优化设计的探讨

孕镶金刚石钻头结构参数主要包括胎体性能,金刚石品级、粒度、形状、浓度,钻头水路等方面,这些参数对于钻头钻进岩石的适应性均起着一定的作用.对于不同的地质条件,这些参数应有所选择.本文就孕镶钻头金刚石浓度、粒度的优化设计提出一些看法. 金刚石浓度的设计孕镶金刚石钻头在孔底工作时,在轴向压力作用下,钻头与岩石表面相接触,岩石研磨钻头胎体,金刚石逐渐出露.由于金刚石硬度远远超过岩石的硬度,出露的金刚石在轴向压力下,使     

如何提高金刚石在打滑地层中的钻进效率

所谓打滑地层，一般系造岩矿物的硬度高，岩石的颗粒细，颗粒与颗粒之间的空隙度小，结胶物与岩石颗粒的硬度差小，研磨性弱的岩矿层。当钻头在这种地层钻进一段时间后，钻头底出刃的金刚石逐渐磨纯，克取岩石能力随之削弱。由于这种岩层硬度高，颗粒细，尽管钻头在孔底作回转运动，但金刚石和岩石的接触表面形成了一层光滑的“保护层”，使金刚石继续出露困难，减少了岩石与金刚石之间的摩擦系数，而导致钻头在孔底打滑。根据打滑地层的特点和钻头在孔底打滑原因，我们在钻进中主要是从以下几个方面来提高钻进效率的。     

热压高磷铁基胎体性能及其金刚石钻头研究

针对在硬而致密岩石中钻进时效低和钻头使用寿命短以及传统金刚石钻头胎体材料价格高等众多难题,采用混料回归试验设计方法,进行了替代碳化钨基金刚石钻头胎体材料的新型铁基胎体配方的试验研究;分析了热压钻头的金刚石出刃与岩石研磨性等岩性之间的内在联系,认为钻头的胎体成分及其性能是关键。因此,从热压金刚石钻头的胎体成分与性能研究入手,经过反复的试验研究与优化组合,研究出热压高磷铁基孕镶金刚石钻头的胎体材料,并试制出金刚石钻头。在室内对可钻性Ⅸ级岩石进行钻进的试验表明：钻进时效平均达到1．91m,钻头平均工作寿命达到60．26m。试验结果表明,高磷铁基眙体是一种性能良好的金刚石钻头胎体材料,且该类型胎体的热压金刚石钻头是一种成本明显降低、具有广谱性能的金刚石钻头。     

铵盐镍基电镀金刚石钻头

探讨了在普通镀镍溶液中加入铵离子后,电镀液成分和电镀工艺条件对镀层性能的影响,得到了一种用于钻进坚硬致密弱研磨性岩层的优化配方及工艺条件,讨论了铵离子引起的络合作用.实验表明,当氯化铵的质量浓度为18 g/L时可细化镀层晶粒,提高胎体的硬度和脆性,改变胎体与金刚石的包镶程度,从而改变电镀金刚石钻头的性能,得到一种能有效钻进坚硬致密弱研磨性岩石的新性能电镀金刚石钻头.     

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。     

工程勘察用非均质热压金刚石钻头试验研究

工程勘察在同一个钻孔中需要面对不同风化程度的岩石层,并可能遇到不同粒径与胶结性的卵砾石层。因地质条件较为复杂,工程勘察钻进过程中容易产生憋钻、糊钻等现象,岩心采取率低。针对工程勘察钻进特点,为提高金刚石钻头对地层的适应性和钻进效果,并提高岩心采取率,设计了2种新型非均质热压金刚石钻头。该结构将每个工作齿分成主、辅工作层两部分,可以使钻头既具有PDC钻头破岩的特征,又能体现孕镶金刚石钻进的特色,并提高钻头对地层的适应性。现场试验表明,该结构的钻头在风化岩层和基岩中的平均钻进时效达2.68 m,钻头使用寿命平均达48.70 m;对比电镀金刚石钻头,钻进速度提高约21%,使用寿命相当。     

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。      

热压铁基孕镶金刚石钻头的试验研究

针对在坚硬致密岩石中钻进时效低和钻头使用寿命短的技术难题,分析了热压钻头的金刚石出刃与岩石研磨性等岩性之间的内在联系,认为钻头的胎体成分及其性能是关键,硬而带脆性的胎体性能有利于金刚石出刃,从而能提高钻进速度。因此,从热压金刚石钻头的胎体成分与性能研究入手,经过反复的试验研究,试制出了热压铁基孕镶金刚石钻头,取得了突破性的进展。在坚硬致密岩层中钻进,钻进时效由0.5 m左右提高到1.17 m,钻头寿命由10 m左右提高到21.31 m,解决了在坚硬致密岩层中钻进难的问题。试验研究结果说明,铁基合金是一种新型的金刚石钻头胎体材料,热压铁基孕镶人造金刚石钻头是一种新类型的金刚石钻头。     

孕镶金刚石钻头磨损机理研究

孕镶金刚石钻头通过钻头胎体的持续磨损实现金刚石的自锐和高效破岩。因此,研究金刚石钻头磨损的影响因素及其影响程度和影响机理,对孕镶金刚石钻头的设计和使用非常重要。本次研究探讨了岩石物理力学性质、钻头胎体性能和钻进工艺参数等因素对孕镶金刚石钻头磨损过程和磨损机理的影响。分析表明,对钻头磨损最为显著的影响因素是岩石中的硬质颗粒导致的磨粒磨损,其次是钻头胎体与岩粉之间的粘着磨损,以及冲洗液中岩粉颗粒导致的冲蚀磨损。在此基础上,以不同硬度的钻头胎体摩擦磨损试验结果为例,探讨了钻头胎体性能及其内部硬质点对钻头磨损的影响机理。该研究成果可为科学设计与合理使用孕镶金刚石钻头提供依据。     

深部探测金川预导孔深孔钻探钻头的应用与分析

在深部探测和科学钻探的施工中,钻头的合理选择和使用是提高深孔硬、脆、碎岩层钻探生产效率的最重要因素之一。针对金川科学钻探深部钻进中的特殊地层岩石进行分析,利用扫描电镜研究钻头中金刚石的分布、包镶和出刃,找出合适的钻头胎体材料和金刚石工艺参数,延长钻头寿命,提高钻探效率。     

适用于栅格状孕镶金刚石钻头的胎体配方研究

为了提高钻进坚硬岩层的工作效率,将孕镶金刚石钻头胎体结构设计为栅格状,分析了栅格状孕镶金刚石钻头钻进岩层时的碎岩方式,并采用粉末冶金法制备Inconel 718和CoCrMo试样,通过分析不同烧结温度对两种胎体试样的硬度、耐磨性及抗弯强度的影响,确定了两种材料的最优烧结参数,并对其在该烧结温度下的力学性能进行对比分析。研究结果表明:Inconel 718和CoCrMo均具有较好的抗弯强度,满足钻进坚硬岩层对胎体抗弯强度的要求。Inconel 718的硬度比传统WC基胎体材料小,试样磨损量较大,适合用于地质灾害应急勘查等要求钻进速度快的极端情况;CoCrMo的硬度及耐磨性与传统WC基胎体接近,适合作为孕镶金刚石钻头的胎体材料。      

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。