MoS2对热压Fe基金刚石钻头胎体性能的影响研究

金刚石钻头是勘探工作中的常见破岩工具,但金刚石热稳定性较差,在钻进过程中会不断产生热量,干旱缺水条件下钻头自冷却对钻进效率的提高具有非常重要的意义。为降低干钻条件下钻头胎体与岩石界面间的摩擦因数从而减少钻进过程中金刚石的热损伤,在热压Fe基金刚石钻头胎体中添加二硫化钼(MoS₂),研究MoS₂含量对Fe基钻头胎体相对密度、洛氏硬度、抗弯强度以及与白刚玉砂轮干磨时的磨损量和摩擦因数的影响,并用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)等测试仪器分析了抗弯强度和摩擦磨损试验后的试样断口和表面的形貌及物相成分。试验结果表明,在试验范围内,Fe基胎体相对密度与MoS₂含量关系不大,但是与未添加MoS₂的Fe基胎体相比,其相对密度提高了约2.5%,达98%以上。Fe基胎体洛氏硬度随着MoS₂含量的增加先增大后减小,在MoS₂体积分数为8%时胎体硬度最大,洛氏硬度HRB值达101.3。Fe基胎体抗弯强度随着MoS₂含量的增加先增大后减小,在MoS...     

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。     

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。      

CaF2/hBN自润滑Fe基孕镶金刚石钻头性能研究

针对地矿、油气行业面临的钻探新挑战,将材料科学领域的自润滑技术引入热压烧结孕镶金刚石钻头领域,以期实现钻头在高温井底工作环境中的自润滑功能,从而降低摩擦放热,防止金刚石热损伤,提高钻头使用寿命。本文作为自润滑孕镶金刚石钻头设计的初步尝试,通过对固体润滑添加剂的优选与试验,首先确定了氟化钙（CaF2）、六方氮化硼（hBN）两种固体润滑添加剂,以Fe基胎体为基体,通过热压烧结制备了具有不同浓度的固体润滑添加剂的自润滑孕镶金刚石钻头胎体试样,利用一系列仪器测定了其物理力学性能和摩擦学特性;制备了微型自润滑孕镶金刚石钻头,在微钻实验台上进行了钻进试验。试验结果表明：随着固体润滑剂含量的增加,两组自润滑钻头胎体试样的物理力学性能均有所降低,但幅度不同,CaF2组明显小于hBN组;两组胎体试样摩擦系数均显著降低;CaF2组胎体试样的磨损率先增后减,hBN组试样磨损率大幅增加;钻头进尺CaF2组有所提高,hBN组逐渐减小。     

超细FeCoCu粉末在金刚石钻头中的试验研究

文章介绍了超细FeCoCu预合金粉末应用于金刚石钻头胎体中的试验研究。通过基础性试验测试表明：在663Cu含量为30%的前提下,在金刚石钻头胎体组成成分中添加FeCoCu预合金粉末,通过调节其与WC粉末的配比关系,能够有效地调节钻头胎体硬度,适应不同的地层。通过回归分析得到了胎体硬度与FeCoCu粉末加量的数学关系式,由此关系式可预测胎体硬度或计算FeCoCu粉末加量。经过野外实际钻进试验证明：添加了FeCoCu粉末的金刚石钻头胎体综合性能具有较大的提高,为后续钻头耐磨性研究提供了经验积累。     

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。     

新型热压WC-Fe基金刚石钻头钻进试验

为满足硬岩钻探的需要,将传统的热压碳化钨(WC)基金刚石钻头胎体中一部分WC用Fe代替,用Excel中的回归分析和非线性规划求解计算出的最优胎体配方,试制了新型热压WC-Fe基金刚石钻头,在可钻性为8级以上的岩石上进行了室内、外钻进试验,取得了较好的效果。      

新型热压WC-Fe基金刚石钻头胎体性能研究

为了提高钻头在坚硬致密岩层中的钻进效果并降低钻头成本,将传统的热压碳化钨（WC）基金刚石钻头胎体中一部分WC用Fe代替。用粉末冶金的方法烧制胎体试块并测试其性能。通过对比性能测试,分析了碳化钨和铁的含量变化对胎体性能的影响规律。应用回归分析和规划求解,分别建立了硬度和耐磨性的回归方程,确定了最优的胎体硬度和耐磨性以及对应的胎体配方。      

石墨粒度对自润滑孕镶金刚石钻头性能的影响

为了降低干钻过程中金刚石钻头的热损伤,提出了"自润滑孕镶金刚石钻头"的概念,即在钻头胎体中添加固体润滑剂——石墨。研究了石墨粒度对钻头胎体的抗弯强度、洛氏硬度以及在无冷却液的条件下与花岗岩对磨时的摩擦系数和磨损量的影响,以及对钻头工作层的干摩擦性能的影响。结果表明,胎体中添加的石墨粒度越细,胎体的抗弯强度越低,硬度越大,与花岗岩干摩擦的摩擦系数越低,但磨损量越大;工作层中添加的石墨粒度越细,金刚石的寿命越长。     

陶瓷空心微球对孕镶金刚石钻头胎体性能的影响研究

针对深井钻进中，钻头受高温环境影响，钻头胎体性能显著下降的技术难题，研究了空心球种类、空心球目数、空心球添加量等对热压烧结金刚石钻头胎体常温及高温力学性能的影响。结果表明：在胎体基体内添加空心球，宜添加3540目数的钇稳定的氧化锆空心球；当钇稳定的氧化锆空心球的添加量为10%时，胎体的综合性能达到最佳，冲击韧性和抗弯强度也达到最大值，分别为3 J/cm2和903.75 MPa。添加适量空心球的胎体复合材料，由于球形孔隙结构的存在，使得胎体表面粗糙度得到增强，提高了金刚石钻头的胎体出刃性能、高温下的力学性能。     

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。     

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。      

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。     

关于提高金刚石钻头胎体工作能力的试验研究

在地质勘探中,金刚石钻进是一种主要的方法。在金刚石钻探生产中,钻探设备、钻头、钻探工艺、钻探生产操作技术和生产管理都是非常重要的。钻探技术经济指标与钻头胎体的工作能力关系更为密切,因此成了人们关心的问题。俄罗斯Кубасов В.В.博士等在提高钻头胎体工作能力方面做了大量的工作,取得了很好的技术经济效果。本文介绍了他们在低品级金刚石的选择性破碎处理、金刚石的热处理、金刚石钻头的低温处理和胎体性能的控制技术等方面的研究内容及取得的成果。     

纳米镍粉对孕镶金刚石切削工具胎体性能的影响

为减小孕镶金刚石切削工具的烧结温度对单晶金刚石性能的影响和改善切削工具胎体性能,降低烧结温度和优选胎体配方材料是很好的解决方法。在切削工具的胎体中加入适量纳米镍粉,通过对制备试样的硬度、强度和耐磨性测试及微观特征分析,综合评价该方法的可行性。结果表明：对于WC基胎体,含有纳米镍粉的胎体较不含纳米镍粉的胎体HRC提高11.9%,抗弯强度提高18.4%,耐磨性提高44.5%;对于Fe基胎体,含有纳米镍粉的胎体较不含纳米镍粉的胎体HRC提高19.5%,抗弯强度提高0.2%,耐磨性提高33.3%。既减小了温度对金刚石的影响,又提高了切削工具整体性能。     

自润滑孕镶金刚石钻头胎体材料初步研究

为了研究具有自润滑性能的孕镶金刚石钻头胎体材料,进行了在胎体配方中添加石墨的研究。对胎体材料的抗弯强度、硬度、耐磨性和材料与白刚玉砂轮组成摩擦副时的摩擦系数进行了测定,并用扫描电子显微镜观察了磨损表面形貌。实验结果表明,添加石墨后,胎体材料的硬度和抗弯强度下降,与60目白刚玉砂轮组成摩擦副时的摩擦系数下降,耐磨性则随着石墨含量的增多先增强,后下降（超过6％后）。形貌分析表明,不含石墨的胎体材料在磨损中发生明显的塑性变形;添加石墨后,胎体材料的塑性降低,出现犁沟和剥落现象。     

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。     

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。      

配方预合金化对提高热压富铁基含金刚石钻头胎体性能的影响机理

胎体配方预合金化近年来已成为有关孕镶金刚石钻头研究的一个新热点。根据相同的热压富铁基含金刚石钻头胎体配方,通过改变CSB-2预合金的加量和烧结温度,制作试样进行摩擦磨损测试,并对抗弯强度测试后的试样进行SEM分析和EDS能谱测试。摩擦磨损试验结果表明,4种烧结温度条件下,胎体磨损量均随着CSB-2加量的增大而减小,且相同CSB-2加量条件下,胎体磨损量随烧结温度的升高先增大后减小。SEM分析表明,添加CSB-2预合金可使胎体组织细化,孔隙数减少;高温烧结(980℃以上)时,铁基胎体对金刚石具有热腐蚀作用,随着胎体配方中CSB-2预合金含量的增加,金刚石的热腐蚀程度逐渐减缓。EDS能谱测试表明,胎体配方的预合金化可增大胎体金属对金刚石的润湿性,提高胎体对金刚石的包镶强度。