深孔钻探金刚石钻头技术研究

介绍了能大幅提高深孔钻探效率、降低钻探成本的金刚石钻头——高效长寿命金刚石钻头的设计制造及工程应用效果。这种钻头包括两种结构形式——单水口高胎体金刚石钻头和双水口高胎体金刚石钻头。研究设计的新型高效长寿命金刚石钻头在钻速提高20%的前提下,寿命比常规钻头提高了200%,有效解决了深孔弱研磨性地层和强研磨性地层钻头寿命短的难题,取得了良好的效果。     

硬岩层人造金刚石钻头的研究

岩芯钻探是目前国内外用于直接查明地下矿藏资源的一种重要手段,钻头又是重要工具之一.因此,钻头的研制对提高钻探效率,降低成本,保证钻探质量,加快勘探速度具有一定的研究价值和现实意义. 1980年冶金部地质司下达科研课题,要求在浙江浬诸矿区进行人造金刚石钻头生产试验,平均钻头寿命要求达到30米,平均小时效率达到1.1～1.3米.     

长寿命金刚石扩孔器的研制

目前,普通扩孔器在资源勘查钻探施工中不耐磨现象较为突出,造成新钻头下不到孔底,增加扫空无用功耗。通过调整胎体配方和重新组合耐磨材料,研制出新型长寿命扩孔器,经实践验证,寿命达到千米以上,配合长寿命钻头在深孔钻探中为提高钻进效率发挥了重要作用。     

金矿复杂地层金刚石取心钻头选型试验研究

金矿复杂地层金刚石钻进存在岩石坚硬、地层打滑、漏失等问题,影响钻头寿命和钻进效率。在山东招远某金矿勘探中,通过对3个单位制造的金刚石钻头进行现场对比试验研究,证明JBD-75S仿生金刚石钻头在提高钻头寿命方面具有较大的优越性,适合该复杂地层钻进。     

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。     

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。     

特高多层胎体孕镶金刚石钻头设计与数值模拟

针对金刚石钻头寿命受限于钻头胎体高度的问题,提出了一种新型多层特高胎体孕镶金刚石钻头的设计方案。钻头设计中,引入了偏心交错切削齿、交替式水口以及挡水片结构,保证了多层特高胎体钻头的冷却及有效钻进。通过强度及水力流场模拟,校核了钻头强度,验证了水路结构的合理性,并进一步实现了钻头成品加工制造。该钻头打破钻头胎体高度的限制,为大幅提高钻头寿命提供了新的思路。移动阅读     

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。     

试验室研究——钻压对钻进参数的影响

简介许多人研究过钻头磨损和影响钻头寿命的因素。试验证明随着转速的增加，每转一转就会急剧地增加对新钻头齿的磨损。图1表明钝钻头的磨损比新钻头要少。图2给出了不同岩石强度，硬质合金钻头寿命和孔径之间关系的曲线图，它表明钻头寿命随孔径增加而增加，随岩石抗压强度增加而减少。图3给出了钢齿回转钻头寿命相同趋向的曲线图。图4表明当每25毫米钻头直径上的钻压从2720公斤增加到3920公斤，钻头寿命约减少50％。     

金刚石定位排布钻头设计

对孕镶金刚石钻头中的金刚石定位排布方式和参数进行了分析,设计、制造出40/45目和50/60目金刚石定位排布钻头。在广西横县孟村矿区的钻进试验中,40/45目金刚石钻头的寿命是普通钻头的1.84倍;50/60目金刚石钻头的寿命是普通钻头的2.74倍,时效提高19.7%。     

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。     

孕镶金刚石钻头磨损机理研究

孕镶金刚石钻头通过钻头胎体的持续磨损实现金刚石的自锐和高效破岩。因此,研究金刚石钻头磨损的影响因素及其影响程度和影响机理,对孕镶金刚石钻头的设计和使用非常重要。本次研究探讨了岩石物理力学性质、钻头胎体性能和钻进工艺参数等因素对孕镶金刚石钻头磨损过程和磨损机理的影响。分析表明,对钻头磨损最为显著的影响因素是岩石中的硬质颗粒导致的磨粒磨损,其次是钻头胎体与岩粉之间的粘着磨损,以及冲洗液中岩粉颗粒导致的冲蚀磨损。在此基础上,以不同硬度的钻头胎体摩擦磨损试验结果为例,探讨了钻头胎体性能及其内部硬质点对钻头磨损的影响机理。该研究成果可为科学设计与合理使用孕镶金刚石钻头提供依据。     

深部探测金川预导孔深孔钻探钻头的应用与分析

在深部探测和科学钻探的施工中,钻头的合理选择和使用是提高深孔硬、脆、碎岩层钻探生产效率的最重要因素之一。针对金川科学钻探深部钻进中的特殊地层岩石进行分析,利用扫描电镜研究钻头中金刚石的分布、包镶和出刃,找出合适的钻头胎体材料和金刚石工艺参数,延长钻头寿命,提高钻探效率。     

元坝地区珍珠冲地层新型三牙轮钻头的研制与应用

砂砾岩地层是钻井工程中的难钻地层,如何提高砂砾岩地层的钻进效率和钻头寿命一直是工程实践中的重要问题。针对在元坝地区珍珠冲石英砂砾岩地层钻进过程中,使用普通型牙轮钻头外排齿易早期断齿、综合使用指标低的问题,开展了地层岩性、钻头使用与失效分析。针对性地开展了钻头的切削结构、齿材优化以及加强保径等方面的研究,优化设计、研制出HJT547GKL型新型三牙轮钻头。现场试用结果表明,这种新型牙轮钻头在元坝地区珍珠冲组石英砂砾岩地层钻进中有较高的行程进尺。该钻头是一种结构简单、扶正保径好、可靠实用,适用于较硬、有硬夹地层的新型实用三牙轮钻头。     

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。     

我国地质钻探现状和发展前景分析

在能源勘探与开发过程中,除了取心钻进方式之外,全面(不取心)钻进也占有较大比例。不取心钻进可以减少提钻取心所消耗的大量提下钻时间,进而增加纯钻时间、提高钻进效率和降低钻进成本。传统不取心钻头在钻探过程中容易出现钻头唇面不均衡磨损的现象,为查明和改善这种不均衡磨损规律,提出采用组合式不取心钻头改善钻头偏磨现象。首先采用数值模拟方法对一二级组合不取心孕镶金刚石钻头进行了钻进花岗岩的数值模拟分析,模拟结果显示,由钻头外缘到中心,应力值由大逐渐变小,磨损量与之相对应。在靠近水口处的钻头外缘,胎体应力值和磨损量最大,最大应力为282.14 MPa,最大磨损深度为1.1×10⁻⁵ mm。而在靠近钻头中心处,钻头胎体应力和磨损量值最小,分别为0.002 MPa和1.3×10⁻⁶ mm。在钻头唇面半径为55 mm处,钻头磨损速度出现拐点。根据数值模拟结果,设计了二级组合式不取心钻头,由外环钻头、中心钻头和相应的水路系统组成,其中外环钻头规格为ø95/48 mm,中心钻头规格为ø46/16 mm,水路系统由中心孔、4条主水路、4条副水路和环状间隙水路组成。以常钻遇的可钻性为7~8级岩石为基础,对钻头胎体配方、金刚石参数和烧结工艺进行了设计,提高外环钻头胎体耐磨性、金刚石浓度、小粒径金刚石比例,同时增大烧结温度和提高烧结压力,以降低外钻头磨损量,保证钻头内外磨损一致。采用所设计的二级组合式不取心钻头结构,试制了ø75/16 mm不取心钻头,并在可钻等级为8级的花岗岩上进行了室内钻进试验,试验结果表明,钻头磨损均匀,钻进时效约1.84 m/h,胎体消耗高度约1 mm,能满足硬岩全面钻进的需要。本研究为不取心孕镶金刚石钻头设计、研制和施工提供了借鉴。

     

高时效长寿命弱包镶钻头研究

分析了钻头钻进极坚硬地层时的打滑原因,提出了利用弱包镶手段解决打滑的新思路,研究了弱包镶钻头的工作机理,从理论上解释了弱包镶钻头的高时效和长寿命特性,介绍了该类钻头的试验情况。