我们是怎样突破硬岩层关的?

我队过去在某铜矿施工，在推广应用小口径金刚石钻进时遇到几十米、颗粒细而致密、研磨性很弱的坚硬岩石硅质岩，采用孕镶金刚石钻头钻进时钻头打滑，钻进效率低，成本高，成了我队推广小口径金刚石钻进的一只拦路虎。针对我队硬岩层钻进中存在的这一难关，设计试制了金刚石钻头喷砂机，经过反复试验改进，孕镶金刚石钻头，经过喷砂处理后钻进效率有明显提高。如某铜矿6319孔孔深674米，遇到一段坚硬的硅质岩，有七十多米，使用孕镶金刚石钻头喷砂前后钻进效果对比如下表。     

阶梯形孕镶金刚石绳索取心钻头试验及生产效果

阶梯形孕镶金刚石绳索取心钻头是绳索取心金刚石钻头系列中用于中硬—硬岩钻进效果较好的钻头类型之一，其唇面结构又分单、双多阶梯形等多种。唇面结构的共同特点有较多的切削自由面，钻进过程中利于破碎岩石。通过几个矿区不同地层的试验及生产     

金刚石-硬质合金复合齿钻头在卵砾石地层中的应用

研制的人造金刚石单晶与WC-Co硬质合金复合球齿钻头,具有高耐磨性、高硬度、高冲击韧性,其超硬复合部分在钻进大硬度的卵砾石地层时,能象孕镶金刚石钻头那样切削岩石。野外钻进试验表明,复合齿钻头和普通合金钻头相比,回次进尺提高 1倍以上,小时效率提高 1.5倍以上,平均寿命增加 2.5倍以上,而每m进尺钻头成本降低了35%。      

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。     

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。     

表镶式金刚石钻头轴心压力与寿命关系的探讨

表镶式金刚石钻头钻进中硬岩层是借钻具的轴心压力，以其胎体唇面镶焊的金刚石之棱角切进岩石一定深度，并随钻具的迴转连续对岩石进行切削和剪切的作用来破碎岩石的。所以，钻头的质量，金刚石的品级，钻进工艺规程等，都直接影响钻头的使用寿命。在钻进工艺规程中，正确选择轴心压力对延长钻头的使用寿命，提高钻进效率，减少金刚石的磨损都是极为重要的。因此，必须分析轴心压力与寿命的关系。     

低浓度软胎体金刚石钻头钻进弱研磨性岩层的几点体会

目前,金刚石钻进普遍地采用63#钻头胎体配方的孕镶金刚石钻头。该钻头在中硬——硬地层钻进取得较好的效果。但由于配方单一,钻头品种数量不多,给普遍地开展金刚石钻探工作,带来了局限性。如我队在秦岭杨砦峪矿区,就遇到中、弱研磨性岩层,郑州探矿厂、上砂、贵阳、六○一等厂的天然孕     

多级金刚石表孕镶钻头在坚硬岩屑砂泥岩互层的应用研究

本文针对山西晋城及霍西煤层气预查孔钻探施工中的坚硬岩屑砂泥岩互层钻进效率低的难题,研制了一种多级金刚石表孕镶钻头,对比之前研制的尖齿切削齿复合片钻头以及其他厂家钻头,机械钻速得到明显提高,在该类型地层取得了良好的钻进效果。     

单管薄壁孕镶金刚石钻头的钻进效果

通过对混合岩、凝灰熔岩、花岗岩等不同物理力学性质岩层钻进，表明单管薄壁孕镶金刚石钻头（以下简称薄壁钻头）既适合于完整地层中钻进，也适合于致密坚硬地层和双管钻进易堵岩心岩层中钻进，薄壁钻头的钻进效果与同类型普通双管孕镶金刚石钻头（以下简称普双钻头）相比，在钻头使用寿命大体相同情况下，钻进效率提高22—42％，钻头费用降低12—14％。薄壁钻头对于提高坚硬岩层钻进效率和降低钻探成本具有一定的实际意义。     

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)。     

水射流辅助PDC刀具切割岩石的力学分析

通过对水射流辅助PDC刀具切割破碎岩石的力学分析,定量地确定出水射流对机械刀具受力的作用。试验研究表明,水射流辅助刀具切割岩石时刀具受力随切割深度的增加而线性增加;水射流布置在刀具底部后方,并偏离刀具铅垂中性面适当位置辅助刀具破岩时,刀具受力可减少30 %～50 %,并且刀具力的减少率几乎不受切割深度变化的影响。     

煤矿井巷用PDC锚杆钻头的研究

通过对ＰＤＣ锚杆钻头的一系列室内试验研究及多次改进设计,获得了钻头的优化结构参数、优化切削齿形状,合理的钻头体材质以及热处理工艺,现场试验结果表明,ＰＤＣ锚杆钻头是钻进中硬岩层的理想钻头。     

煤矿井下硬岩定向钻进PDC钻头选型及试验分析

为了提高煤矿井下硬岩定向钻进的效率,在分析硬岩定向钻进PDC钻头的结构要求的基础上,选择了3种不同类型的PDC钻头进行煤矿井下硬岩定向钻进试验。试验结果表明,平底型PDC钻头不适用于定向钻进硬岩,而三翼抛物线型钻头和四翼平角型钻头在定向钻进硬岩时,表现出长寿命、高效率等特点,适合于定向钻进硬岩地层,大大提高了煤矿井下定向钻进硬岩地层的效率。     

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。      

复合片切削刃的工作机理

硬质合金-金刚石复合片在弹-塑性岩石(大理岩、石灰岩、砂岩)中的工作机理与孕镶金刚石钻头的工作机理有着本质性的区别。根据硬质合金-金刚石复合片在切削过程中的受力作用,研究了复合片切削刃的工作机理,并将理论计算与实验数据进行了对比。结果表明,在一定范围内,机械速度随着复合片切入岩石深度的增大而增大,而切入岩石的深度主要取决于复合片受到的轴向载荷及切削角等参数,且随着转速或轴向载荷增加,动荷系数B应取较小的值。分析结果有助于设计金刚石切削具和钻进参数。      

新型锥形PDC齿犁削破岩理论研究

目前关于锥形PDC齿的研究主要集中于数值模拟、现场及室内试验,而关于其切削力学特性的理论分析未见相关报道。通过数值模拟阐述了锥形PDC齿拉伸剪切破岩机理,以及切削载荷分布特性;根据能量平衡原理,推导了锥形PDC齿切削载荷理论公式。结果表明,相比于常规PDC齿,锥形PDC齿破岩过程更加稳定,其切削载荷受岩石性质、齿的形状参数、切削深度以及切削角度的影响,且切削载荷随着锥顶半径、切削角度以及吃入岩石深度的增加而增加。研究成果可为锥形PDC齿及钻头的设计提供理论支撑。      

软岩钻进用新型复合片钻头的研制与应用

为提高复合片在软岩钻进中的效率及寿命,提出了改变复合片切削齿形状,运用新的布齿方式和新的保径设计,设计制造的Φ76 mmPDC钻头在软岩钻进中取得了良好的效果。详细介绍了该软岩钻头的结构设计及现场应用效果。     

模拟深井条件下的PDC钻头破岩试验研究

利用深井破岩试验装置模拟不同井深压力条件下对泥岩进行了ＰＤＣ钻头破岩试验，试验结果表明，随着井深的增加，岩石强度增加，破碎岩石的切削力增加，同时，ＰＤＣ钻头齿形和结构对破岩效率影响较大，因此必须按深井条件和岩石特点进行ＰＤＣ钻头齿形和结构设计，以达到提高机械钻速的目的。     

PDC钻头综合受力模型的试验研究

模拟钻头上的切削齿的不同的切削断面形状、重叠切削状态及磨损状态,利用PDC切削齿对多种岩样进行了切削试验,研究了切削面积、接触弧长、切削齿后倾角、岩石抗钻强度、切削齿磨损高度等因素对PDC切削齿受力的影响规律。结果表明,切削面积相同情况下切削齿受力随接触弧长、岩石可钻性极值、切削齿磨损高度分别呈线性,幂函数和指数函数趋势变化;切削齿受力最小的后倾角在5～10°区间内。引入弧长系数、磨损高度系数,建立了PDC切削齿综合受力模型。根据力的平衡原理,推导得出完整的PDC钻头受力计算模型,为PDC钻头优化设计和合理使用提供了理论依据。     

室内岩石破岩机制试验及应用研究

聚晶金刚石复合片切削齿钻头的合理选取与使用,关系到它技术优势的发挥。在简要介绍国内研发的聚晶金刚石复合片切削齿钻头岩石可钻性测定方法与分级标准的基础上,详细叙述了室内试验的情况、数据处理分析过程及其获取的定性定量结论;从利于实际应用出发,提出了基于有效吃入岩石、岩石种类与切削齿相融、钻进技术参数互补三原则的聚晶金刚石复合片切削齿钻头的选取和使用原则与基本方法。