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。      

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。     

南黄海盆地盆山耦合作用与地质演化

对南黄海千里岩隆起区榴辉岩、仰口榴辉岩和海阳所榴辉岩的地球化学特征进行对比研究得出,千里岩榴辉岩原岩可能为古秦岭洋洋壳,海阳所榴辉岩原岩可能为扬子板块北缘的基性下地壳;而仰口榴辉岩原岩可能为受俯冲流体作用而发生分异的岩石类型。依据现有地球物理资料研究,对南黄海盆地的构造特征和构造样式进行了探究,进而阐述了南黄海盆山耦合作用的地质演化。     

岩层联络孔冲剪复合碎岩原理可行性研究

“以孔代巷”是煤矿井下钻探技术研究的重要方向,具有效率高、成本低等优点,但在岩层中施工大直径联络孔时,采用多级扩孔方式,存在提下钻等辅助时间长,成孔效率低的问题。在不改变钻探装备配置基础上,通过结构和工艺创新,提出冲击和剪切复合碎岩原理,即将高压水-冲击器-内钎头冲击碎岩和钻机-钻杆柱-外切PDC钻头剪切碎岩创造性地结合在一起,以冲击功预裂地层,破坏岩层的整体构造应力,同时钻机驱动外切PDC钻头对预裂后的外侧岩石进行剪切破碎,由此实现“小马拉大车”的应用效果。研制了?153 mm冲剪复合钻头,采用ZDY3200S分体式小型钻机在硬质砂岩地层中进行试验,平均机械钻速8.3 m/h,最大机械钻速可达10 m/h,且转速和钻压对机械钻速影响较小,结果证明冲剪复合碎岩原理具有可行性,为煤矿井下岩层联络孔优快成孔提供了新的研究思路。      

仿生耦合孕镶金刚石钻头底唇面非光滑形态的优化

基于仿生耦合理论研制的仿生耦合孕镶金刚石钻头,在工作过程中,仿生单元的提前磨损,会在其底唇面上形成一定的非光滑表面形态,因此其具有钻进效率高和使用寿命长的优点。探讨了仿生单元的同心圆排列方式,即通过改变仿生单元之间的径向和周向距离,来形成一系列非光滑表面形态,然后加工相应的仿生耦合钻头,并进行室内钻进实验,结果表明,径向距离为1．5d（d为仿生单元直径）、周向距离为3．0d和径向距离为2．0d、周向距离为3．5d两种排列方式更能体现仿生耦合钻头高效率、长寿命的优点,相对普通钻头,其效率和寿命分别提高16％、100％和15％、125％。为以后仿生钻头的设计提供了重要依据。     

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。      

弧角型PDC钻头切削齿布齿模式仿真分析

钻头在钻进复杂非均质地层时,由于其冠部形状的限制,钻头各部位切削齿受力不均匀,局部切削齿受到较大的冲击载荷,导致钻头发生“涡动”现象。为了解决上述问题,提出“多级力平衡”的切削齿周向布齿方案,通过建立全尺寸钻头破岩有限元仿真模型,分析顺时针、逆时针以及“多级力平衡”3种周向布齿模式下切削齿及钻头的受力特性。模拟结果表明:相对于顺时针和逆时针周向布齿,“多级力平衡”布齿模式下各刀翼载荷分布比较均匀,钻头的稳定性和攻击性均得到较大改善,钻头的破岩效率提高28%以上;顺时针布齿模式下钻头的侧向力最大,其稳定性相对最差;逆时针布齿模式下钻头的钻压最大,其攻击性相对较差,并且钻头的破岩效率最低。上述研究成果能够为指导PDC钻头切削齿的周向布齿设计提供理论依据。建议今后加强“多级力平衡”周向布齿模式下切削齿载荷沿钻头径向分布规律方面的研究,以指导防涡稳定PDC钻头的优化设计。      

金刚石钻头可再生水口的试验

从仿生学的角度,依据脱皮动物的脱皮特性,设计一种可再生水口,用于增加金刚石钻头工作层的高度,进而延长钻头寿命。在可再生水口的加工方法上,首先利用冷压法把含有金刚石的胎体粉料冷压成型,然后组装在模具中,在特定的温度和压力下进行热压烧结,成功获得了具有可再生水口的小口径金刚石钻头;并在此基础上加工了Φ59  mm钻头,模拟野外条件进行室内试验。结果表明：选用特定的水口材料,可以成功实现水口的可再生,为长寿命金刚石取心钻头的研制提供了一种新的思路。     

仿生孕镶金刚石钻头在山东玲珑金矿的试验

文章介绍了仿生孕镶金刚石钻头的设计及加工工艺,并且在山东玲珑金矿对仿生钻头进行了野外试验.试验证明,将仿生学的非光滑原理应用到金刚石钻头的设计中能使钻头的耐磨性增加,有利于提高钻头的寿命.