关于孕镶金刚石钻头耐磨性的试验与研究

孕镶金刚石钻头的耐磨性是指钻头在钻进过程中抵抗岩石、岩粉磨损的能力而言。钻头耐磨性的强弱是影响孕镶金刚石钻头钻速和寿命的重要因素。由于孕镶金刚石钻头的工作层是由骨架材料、粘结金属和固结在里面的金刚石组成赋存关系十分复杂的，机械混合的假合金，所以无论哪个组份都会影响孕镶金刚石钻头的耐磨性。本文就孕镶金刚石钻头的耐磨性，谈些粗浅的认识。     

孕镶金刚石钻头胎体结构对钻头寿命的影响

孕镶金刚石钻头,是当前国内机械岩心钻探中使用数量较多的钻头。因此,造好钻头、用好钻头,是提高钻探经济效益的关键问题之一。本文从孕镶金刚石钻头胎体结构的一些内在特征入手,分析影响孕镶金刚石钻头寿命的原因采进行探讨。一、孕镶金刚石钻头的磨损当孕镶金刚石钻头使用得当,适应所钻岩层,机械钻速均匀的情况下,金刚石孕镶层会逐渐磨完。但实际上,由于钻进参数、钻进条件、钻头质量、胎体内部结构等方面原因,会使钻头早期磨损,拉槽而失去工作能力。我们对164个上砂,六○二厂、φ56普通双管孕镶钻头的磨损情况,作如下粗略的统计分析(表1)。     

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。     

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     

钻进参数对孕镶金刚石钻头磨损及钻速的影响

在低钻压下,钻头与岩石之间的低摩擦系数导致岩屑产生率较低,钻头胎体磨损也较小。在适中钻压下,较多暴露的金刚石切入岩石,岩屑增加,钻头质量损失也增加,岩石破碎以稳定的岩屑产出率和平衡的钻头磨损进行。在高钻压下,更多的岩屑引起钻头胎体的高速磨损。      

岩粉性质对提高坚硬致密地层钻进效率的影响

金刚石钻头孔底破岩机理至今尚有许多争论。但是,对于孕镶金刚石钻头工作原理持研磨作用观点还是比较普遍的。认为金刚石自磨出刃和胎体材料的磨损都取决于岩粉研磨能力和胎体耐磨性及其相互关系。岩粉研磨能力(A)是岩粉矿物成份(i)、硬度(m)、颗粒形状(b)以及岩粉对胎体材料作用力(P)的函数,即:A=f(m·b·i·p)实践和有关资料分析表明,不同性质的岩粉对金刚石钻速有不同的影响。软岩层,其结构往往松软。钻速高孔底粉多,影响金刚石自磨出刃和冷却,造成岩粉二次破碎降低钻速,甚至烧钻。因此,在软岩层钻进中应加足冲洗液,排除岩粉。硬岩层,其矿物成分中往往含有较多的结晶石英颗粒。钻进岩粉粗硬,有很强的磨蚀能     

孕镶金刚石-针状合金复合式取心钻头的应用研究

采用普通硬质合金钻头、PDC钻头或普通孕镶金刚石钻头钻进卵砾石层,钻头磨损特别快,使用寿命短,时效低,钻探成本高。本文介绍的孕镶金刚石-针状合金复合式取心钻头综合了普通孕镶金刚石钻头与自磨式硬质合金钻头的特点,胎体具有较高的耐磨性和抗冲击韧性。钻头胎体中孕镶的针状合金除了增韧外,还起硬支点的作用。该钻头与普通硬质合金钻头、PDC钻头、普通孕镶金刚石钻头相比,具有较好的钻进性能,使用寿命长,在卵砾石层钻进能保持较高的机械钻速和回次进尺长度。     

金刚石岩心钻探压力的探讨

从孕镶钻头金刚石出刃与分布、岩石抗压强度和压入硬度及碎岩机理等方面对孕镶金刚石钻头给进压力的确定方法进行了分析探讨，提出综合碎岩机理，确定钻进行压力的计算方法和公式。     

仿生自补偿一体式高胎体孕镶金刚石取心钻头研究

针对孕镶金刚石钻头齿间相互独立,在坚硬地层中钻进极易产生打滑和单齿受力太大导致钻头损坏的难题,引入仿生爪趾结构原理和自补偿理念,研制了仿生自补偿一体式高胎体孕镶金刚石取心钻头。钻头的一体式切削齿设计,主要在单齿的齿单元间采用加强筋方式强化单齿强度,单齿与单齿间设置齿间加强筋加强,使得钻头相邻齿单元、相邻单齿间相互连接形成一个整体,在钻进过程中,钻头齿的工作唇面会产生多个超过岩石极限破坏强度但远低于钻头胎体强度的应力集中区域,不容易出现少数几个接近或超过钻头胎体强度的应力集中区域的情况。如此,钻头的整体性更好,受力均匀,切削岩石的效率更高,寿命更长,尤其对于坚硬地层,防打滑效果更好。经现场试验表明：仿生自补偿一体式高胎体孕镶金刚石取心钻头较常规钻头具有更高的碎岩效率和更长的使用寿命。     

孕镶金刚石钻头胎体磨损因素

了解金刚石孕镶钻头磨损的因素,才能合理设计和使用金刚石钻头。认为岩屑是孕镶金刚石钻头磨损的主要因素。调整钻进参数和钻头设计参数,以控制岩屑对钻头的磨损强度,可收到好的钻进效果。     

关于金刚石钻头绝对磨损和相对磨损的试验研究

本文阐述了在苏联伊尔库茨克工学院金刚石钻进试验台上钻进花岗斑岩时取得的试验研究结果。本文作者根据此试验结果确定出了金刚石孕镶钻头的绝对磨损、相对磨损与钻头压力、钻头转速、冲洗液量、胎体硬度的关系式。利用这些钻头磨损的数学模型就可确定出与钻头最优绝对磨损、相对磨损相应的最优规程参数来。     

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。     

孕镶块式高胎体金刚石钻头的研制

为了提高金刚石钻头的时效和寿命,将钎焊法引入到高胎体金刚石钻头的设计和加工中。首先利用热压法加工耐磨性能好的金刚石孕镶块;然后加工自带两层水口和水槽的新型钻头钢体,且两水口之间预留焊接槽;最后采用钎焊法,将金刚石孕镶块焊接到钻头钢体上。野外试验表明,试制的2只Φ75/54.5 mm高胎体金刚石钻头,与现场使用的孕镶金刚石钻头相比,钻进效率分别提高41.7%和8.3%,使用寿命分别提高50.4%和32.9%。采用二次钎焊法加工的金刚石钻头,兼顾了热压法的优点,解决了工作层高度过高导致钻头胎体折断、掉块的难题,明显提高了金刚石钻头的使用寿命。     

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。     

仿生孕镶金刚石钻头在漠河冻土区天然气水合物勘探钻进中的应用

仿生孕镶金刚石钻头具有高效、耐磨的特点,符合漠河天然气水合物勘探的要求及漠河钻探施工现场的条件。介绍了符合漠河地层特点的仿生孕镶金刚石钻头的设计与制造。同时对效果不理想的钻头的钻进情况进行了分析,提出了评价钻头性能时需要综合分析,从而客观、真实地反映钻头的实际钻进能力。漠河天然气水合物MK-2科学钻探试验井的钻进结果表明,仿生孕镶金刚石钻头的寿命比普通孕镶金刚石钻头长73%,钻速比普通孕镶金刚石钻头高22%。     

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。     

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。     

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。      

The Principle of the Drilling by Impregnated Diamond Bits and the Classification of Rocks

Recently impregnated diamond bits have been widely applied in drilling hard and me-dium-hard formations in the world.It is quite necessary to study the fracturing mecha-nism of the impregnated diamond bit and the classification of rocks,which can realizeoptimum drilling.Using multi-parameter rotary test stand can monitor and print nineparameters.The diamond size and concentration for experiment are various and there arenearly200 types of samples,numbering over1000 pieces.The results of laboratory arethe same as those in the field.Besides,this paper expresses that the diamond concentra-tion of impregnated diamond bits effect the bonding strength of diamond imbedded in ma-trix.During drilling by impregnated diamond bits three ways are used to cool the bits.The contact area between impregnated diamond layer and flow,and the drilling flowthrough annulus carrying away heat with conduction form can be shown by equations.Itis impossible to classify the rock drillability only by using single factor.The best met     

硬岩PDC定向钻头优化设计及其表面增材技术研究

定向长钻孔是煤矿瓦斯、水害治理的主要技术手段,PDC定向钻头性能是影响坚硬地层钻进效率的重要因素。针对煤层顶底板岩层定向长钻孔施工中出现因PDC钻头体断翼、PDC崩齿等问题导致的频繁起下钻、施工效率低等现象,采用等切削布齿原则对刀翼布齿进行优化,有效降低切削齿冲击破坏;通过流体力学仿真分析,优化钻头水力参数,保证岩屑及时排出孔底,防止切削齿因重复破碎岩石导致过早损坏;通过仿真分析,优选大直径PDC异型齿,提高切削齿耐磨和抗冲击性能;引入表面增材制造技术,通过优化等离子(PTA)增材制造工艺参数,实现了兼具胎体耐磨耐冲蚀和钢体强韧性的WC基复合钻头体加工工艺。新研制的PDC定向钻头,在淮南顾桥煤矿北区底板探放水钻孔中进行了现场试验。结果表明:钻进致密、坚硬灰岩地层时,2只钻头寿命分别达到827、810 m,相对于以前的?120 mm胎体式定向钻头平均寿命300 m有较大幅度的提高,并降低了上下钻等辅助作业时间,提高了施工效率,达到了硬岩定向长钻孔提速增效的目标,为硬岩定向长钻孔用PDC钻头设计和制造工艺开发提供了新的解决方案。