孕镶金刚石钻头优化设计及其在甘青隧道应用

孕镶金刚石钻头是通过胎体超前磨损,促使金刚石出露形成微切削刃,在钻压和扭矩的作用下对岩石进行磨削碎岩,可广泛应用于硬地层和复杂地层钻进。然而,常规金刚石钻头存在坚硬地层钻速低、进尺慢、费用高等问题。本研究首先采取甘青隧道S2Z-45钻孔相邻孔不同深度的岩石样品,对其硬度、矿物组成及可钻性进行测试分析,确定了岩层大部分以闪长岩为主,岩石可钻性等级为8级;然后针对甘青隧道的地质特点对孕镶金刚石的胎体硬度和底唇面形状进行了优化设计,并进行了现场试验,通过分析钻头的实际使用情况研究了孕镶金刚石钻头性能的影响因素。试验结果表明：胎体硬度为HRC 15～20、金刚石粒度40～50目、金刚石体积分数为20%、底唇面为环槽尖齿型的孕镶金刚石钻头性能最佳,寿命达到321 m,钻速为1.17 m/h;在相同金刚石参数下,胎体硬度为HRC 10～15的滚齿型孕镶金刚石钻头在钻速方面具有优势,最大钻速能够达到1.44 m/h。环槽尖齿型底唇面和高胎体硬度有助于提高钻头寿命,滚齿型底唇面和低胎体硬度有利于提高钻进效率,但钻头寿命偏低。     

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。     

金刚石钻头胎体特征与岩石性质

在选用金刚石钻头时,人们往往以钻头胎体硬度作为胎体性能的标准。而对金刚石钻头胎体硬度的选择,国内外有两种不同看法。多数人认为,坚硬岩石用软胎体,软岩石用硬胎体;而另一种看法则正好相反。      

孕镶钻头金刚石恒自锐速率钻进问题的探讨

尽管金刚石钻头的碎岩过程及原理，至今观点尚未统一，但必须保证钻头唇面有一定出刃量的金刚石，才能达到碎岩的目的，这是大家一致公认的。而对孕镶钻头来说，不是像表镶钻头那样把金刚石嵌在钻头唇部表面，而是均匀地分布在钻头唇部胎体内。在钻进开始时，首先由表层金刚石起碎岩作用，随着钻进过程中表层金刚石和胎体的逐渐磨损，胎体内部的金刚石不断出露（出刃）而达到不断碎岩（进尺）的目的。因而孕镶钻头的金刚石能否正常出刃，是关系到孕镶钻头能不能达到正常工作（碎岩），取得最佳经济效益的关键问题。笔者认为，通常人们所讲的孕镶钻头与     

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。      

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。      

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     

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。     

金刚石钻头加工制造与应用

我队开展金刚石钻进已有十二年之久（见表1）。在这十二年的实践中，我们对钻头的品种、唇部形状、钻头类型、金刚石浓度、粒度及胎体对地层的适应性进行了一系列的探讨和改进，并取得了显著的效果。我们的体会主要有两点：     

磁处理参数对热压铁基金刚石钻头胎体力学性能影响

钴基胎体金刚石钻头具有性能好、价格高的特点,以Fe代Co作为胎体材料是提高金刚石钻头性价比的主要方法之一。但是Fe替代Co后存在金刚石热损伤严重、被包镶强度不足、胎体抗冲击和耐磨性差等问题,因此改善热压铁基金刚石钻头胎体力学性能对降低钻探成本、提高钻探效率具有重要研究意义。利用自行设计的磁处理设备对铁基热压金刚石钻头胎体进行磁化处理,通过正交试验等方法研究了磁感应强度、磁场频率和磁处理时间对胎体硬度、抗弯强度和耐磨性的影响及其规律。试验结果表明:试验胎体硬度最优磁处理参数为0.8 T/8 Hz/3 min,磁处理后胎体抗弯强度最高提升了13.8%,耐磨性增加,特别是含金刚石的胎体磁处理后其磨损量可降低38.1%。     

浅谈金刚石钻头“打滑”的原因

文章提出,硬岩层仅是钻头“打滑”的客观条件,而钻头的金刚石品级低,孔底岩粉量少,钻头保径材料不当,以及钻头唇部形状不合理,才是“打滑”的主要原因。分析了采用软胎体钻头,并不能解决“打滑”的原因。     

“两次保温”镶制的金刚石钻头寿命延长的理论分析

1975年我们学习上海砂轮厂中频热压人造金刚石钻头的经验,于1976年在湖北探矿厂试制第一批人造金刚石钻头,由于胎体不耐磨,钻头寿命短.在试制第二批钻头时,我认为980℃烧结温度过高,会降低人造金刚石强度,提出降低烧结温度的试验.5、7、9号钻头烧结温度仍用980℃,6号钻头用950℃,烧结后测定胎体硬度,5号钻头HRC40,7号钻头HRC3,9号     

绳索取心金刚石钻头的改进

铁南勘探区部分岩石可钻性为8级，研磨性中等，煤层以粉煤为主，胶结性差。针对该区煤心采取率低的情况，对绳索取心金刚石钻头进了了改进：一改钻头形状为三环尖齿底唇形状；二是根据不同地层及岩性选用不同胎体硬度金刚石钻头、不同的金刚石粒度与浓度；三是在底喷钻头水口处加设隔水墙，并改变倒角方向。     

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     

组分对铁基金刚石钻头的力学性能影响研究

为提高金刚石钻头钻进钢筋混凝土、强磨性岩层的钻进效率,选择了一种耐磨性高、冷压成型好的铁预合金粉。本文设计了铁基胎体配方,研究了铁基预合金粉、Cu、Ni、Co各成分对铁基金刚石钻头胎体及钻进性能的影响。测试了不同配方下烧结试样的抗拉强度、三点抗弯强度和硬度,使用扫描电镜对断口进行微观分析,通过现场钻进实验测试钻头的钻进效率与寿命。同时分析了保温时间对铁基胎体力学性能的影响。结果表明：Cu、Ni、Co对铁基胎体的抗弯强度和硬度影响较大,且保温时间为5 min时,铁基胎体可以获得较好的力学性能。     

金刚石小口径钻进问答(续一)——(三)金刚石钻头、扩孔器、卡簧

十六、金刚石钻头是由哪几部分组成的?答:金刚石钻头由金刚石、胎体和钻头体三部分组成(见图6)。金刚石分布在胎体的底部和内外侧。胎体是包镶金刚石并与钻头体牢固粘结成一体的假合金,钻头下部开有水口和内外水槽。钻头体是钢质的,上部有丝扣,与扩孔器相接,内腔用来安放卡簧座。     

苏联金刚石钻头的现状及其主要发展趋势

一、新型天然金刚石钻头近年来苏联研制成功了许多不同地质条件下使用的新型金刚石钻头,其主要类型有:1．钻进中硬地层用金刚石钻头为了钻进煤田Ⅵ—Ⅶ级沉积岩类地层,全苏勘探技术研究院研制成功了齿状15A3和16A3金刚石钻头,用以代替06A3(MBC—2P)钻头。钻头由含有会刚石的齿状胎体和钢体组成。胎体齿顶孕镶有小颗粒金刚石A—80(150—200粒/克拉),这可防止大颗粒金刚石严重磨损、碎裂和脱落。牙齿表面呈圆锥形,在平面图上呈梯肜,外周镶有大颗粒金刚石     

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。     

镍钴锰三元合金镀层应用于电镀金刚石钻头的初步研究

提出了一种能很好适应电镀金刚石钻头要求的新型胎体材料即镍钴锰三元合金镀层，给出了新镀层的电镀液配方，对比测量了镍钴锰镀层与目前广为采用的镍钴和镍锰镀层的硬度与韧性，结果指出，镍钴锰三元合金镀层具有比镍钴或镍锰镀层更高的综合机械性能和低得多的钴含量，更适合于制造电镀金刚石钻头，在适当条件下，镍钴锰胎体钻头可以分别更好地适应于镍钴和镍锰胎体钻头的应用领域。     

薄壁金刚石钻头的唇面设计

从粉末冶金的压型理论入手 ,分析热压法制造薄壁金刚石钻头的胎体压制过程中的受力情况 ,指出了平底唇面设计存在的不足 ,在分析薄壁金刚石钻头胎体密度和硬度分布及钻进过程的前提下 ,提出了薄壁金刚石钻头的唇面应采用类似半圆形。