热-机碎岩孕镶金刚石钻头的设计及试验研究

为提高钻进效率,合理利用钻进过程中产生的热量,本文采用摩擦热能辅助机械能碎岩（简称：热-机碎岩）的方法,将氮化硅作为摩擦元件引入孕镶金刚石钻头中,以提高钻头工作层的钻进性能。本文通过对钻头水口、摩擦元件的尺寸计算,钻头胎体、结构的设计,制造了一种新型热-机碎岩孕镶金刚石钻头（简称：热-机碎岩钻头）,并与常规六水口钻头和三水口钻头开展了室内钻进试验对比。结果表明,与六水口钻头和三水口钻头相比,热-机碎岩钻头加入摩擦元件后能够因摩擦生热而使岩石产生弱化作用,钻头钻速提高,在相同钻井液流量下最高可比六水口钻头的机械钻速高33.3%。热-机碎岩钻头胎体的磨损程度比三水口钻头小,热-机碎岩钻头可用于强研磨性地层的钻进。     

楔形麻花钻头

用手搖或机动旋转钻机钻进松散的,特别是粘性（粘土、亚粘土、亚砂土等）岩层多采用麻花钻头。由于麻花钻头末端具有切刃,所以转动钻具时钻头即行切入（旋入）岩层。钻头切刃切入时岩层（土层）时,岩石变沿麻花钻体的螺旋表面捲至上部。     

金刚石钻头的碎岩问题

阐述了金刚石钻头碎岩机理。提出岩石受钻头线载荷作用观点，并从碎岩机理出发，依钻头所受的外力、钻头结构及特点、岩石性质，推导出了钻头钻速公式。     

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     

PDC碎岩功耗的理论分析与计算

PDC钻头破碎岩石的理论研究,对于合理设计与应用PDC钻头有着非常重要的意义。虽然国内外学者对PDC钻头的碎岩问题进行了诸多的试验和数值模拟研究,但是理论分析研究相对缺乏。PDC碎岩功耗可以定量地从能量角度反映工具破碎岩石的效率,也是评价钻进效率有效指标之一。本文基于单齿PDC的受力模型和接触力学理论,推导了PDC单齿碎岩功耗和PDC钻头碎岩功耗的理论计算公式。结合实例对比分析表明,该公式对于整形PDC片是适用的。研究结果有助于PDC钻头的设计和PDC片的布齿措施,为深化认识PDC切削碎岩机理提供重要的理论依据。     

46毫米小口径金刚石钻进概况

1977年，我队在1976年开动一台56毫米口径钻机的基础上，增开了两台46毫米小口径金刚石钻机。为了取得经验，我们把两台钻机分别安排在一个硬、脆、碎、磨擦性大的岩层和另一个比较致密完整，磨擦性小的地层进行钻进，从三月中旬开钻到十月中旬停钻，共计完成了钻探工作量5082米，为年计划的110.5％。共使用了240个钻头，平均钻头进尺20.28米（其中有首钢产的处理品80个，占1/3）。我们对硬、脆、碎岩层钻进，初步摸索了一些经验。现介绍如下。     

对合金鑽進中几个技術問題的体会

一、关于在六级带状灰岩中合金鑽头镶焊型式的选择问题根据不同的岩层情况,选择不同镶焊型式的合金钻头,是保证钻进效率的一个基本关键。我们在六级较碎的带状灰岩中,曾经对三种不同镶焊型式的合金钻头(普通合金金钻头,单、双粒直镶合金钻头,单、双粒斜镶合金钻头)进行了对比试验,现将试验情况和试验结果分述于后: (一)回次钻进效率 1.普通合金钻头:钻头直径为75公厘,共镶合金粒六块,内、外出刃各三个,合金出刃镶焊规格     

对冲击回转钻进金刚石钻头适应性的探讨

目前，冲击回转钻进的钻头仍由回转钻进的孕镶金刚石钻头代替，取得了较好的效果。为了进一步发挥金刚石冲击回转钻进的优势，使金刚石钻头适应冲击回转钻进碎岩的特点，取得更好的技术经济效益。加强对钻头的研究试验，是十分必要的。我们在试验、推广金刚石冲击回转钻进中的体会和认识如下：     

碎软煤层气动双管定向钻进排粉特性分析及应用

为研究双管定向钻进技术中套管、套管钻头尺寸及套管转速对煤粉排出的影响,以碎软煤层气动双管定向钻进成孔为背景,分别设计了3种不同尺寸的套管及套管钻头,分析了其不同组合下煤粉排出率及煤粉出口速度的变化,得到了不同转速对煤粉悬浮率及煤粉输送轨迹的影响规律。数值模拟结果表明,?120/96 mm套管与不同套管钻头配合均有较高的煤粉排出率;煤粉输送速度随环空通道总截面积的增大而减小,随内通道截面积的增大而增大;煤粉悬浮程度随套管转速的增加先增大后减小。基于数值分析结果开展了现场试验,对不同套管组合携粉能力及套管转速变化对煤粉排出的影响进行了对比分析,试验表明:?140 mm套管钻头与?120/96 mm套管组合在套管40 r/min转速时取得最大钻进深度。研究结果为碎软煤层双管定向钻进参数的选择以及钻进设备的选配和研发提供技术借鉴。      

复合片钻头钻进时机械钻速和碎岩功耗的研究

关于复合片钻头钻进大理岩和花岗岩时机械钻速和碎岩功率消耗同规程参数的关系,用实验设计方法进行了试验研究,得出了机械钻速和碎岩功耗与钻压、钻头转速及冲洗液量关系的数学模型;提出了碎岩绝对功耗和相对功耗的概念,而相对碎岩功耗是个更为重要的概念,求出了大理岩相对碎岩功耗最小时的最优钻进规程参数值。     

国际油气井钻头进展概述（二）——FuseTek融合钻头与Pexus组合钻头

NOV公司2013年向市场推出FuseTek融合钻头。它将PDC钻头的高钻速与孕镶金刚石钻头的耐磨性结合于一体,适宜于钻进中硬—坚硬、高研磨性地层。FuseTek钻头已广泛应用于刚果、厄瓜多尔、中国、哥伦比亚等国家。应用表明,该新型组合钻头比PDC钻头或牙轮钻头钻进效率提高许多,工作寿命增加1～3倍或更多。Shear Bits公司于2014年推出Pexus组合钻头。该钻头广泛应用于加拿大冰川冰碛物钻进。地层上部硬卵砾石层利用可转动硬质合金齿钻进,下部软砂岩与页岩则运用PDC碎岩。整个冰碛物地层用一个Pexus钻头一钻到底。所述3类组合式钻头（含Kymera钻头）对于未来实现“一个钻头,一口井”的目标有重要意义。     

孕镶型钻头内外径过盈尺寸的矫正方法

地质勘探用人造金刚石钻头的生产,一般都是以粉末冶金的热压法制造的。由于钻探工艺的各种要求,所制作的各种类型规格的钻头,其尺寸要求都是比较严格的。因为生产该产品的工艺过程比较长,影响因素多,所以要完全无误地控制住产品的尺寸是一件不太容易的事,尺寸过盈所造成的次、废品的钻头,将影响钻探工作效率和经济效益。根据勘探生产工作的要求,我们研究出一套钻头尺寸过盈的矫正方法。     

组合式牙轮钻头的特性、设计和使用

对组合式牙轮钻头作了简要介绍，分析了其碎岩原理，并与刮刀钻头及滚刀钻头进行了特性对比，阐述了设计，使用要点。     

摩擦热-机械碎岩钻进技术试验研究

摩擦热－机械碎岩钻进技术是利用钻头与岩石产生的摩擦热能加入弱化岩石，然后利用钻头上的切削元件切削碎岩。由于大部分岩石在高温和交变热应力作用下其强度、硬度以及磨蚀性都大幅度降低，因此提高了钻进效率。钻头摩擦元件采用了新型的耐摩擦耐高温的赛隆陶瓷材料，耐磨性是YG6硬质合金的3~5倍，而价格仅为硬质合金的1/10；对钻具和钻头的结构也进行了详细的论述；钻进试验表明：热机碎岩钻具摩擦元件能产生足够高的温度场(大于600 ℃)；热机碎岩钻进技术是切实可行的，能提高钻进效率，降低钻进成本。     

金刚石岩心钻探压力的探讨

从孕镶钻头金刚石出刃与分布、岩石抗压强度和压入硬度及碎岩机理等方面对孕镶金刚石钻头给进压力的确定方法进行了分析探讨，提出综合碎岩机理，确定钻进行压力的计算方法和公式。     

同轴双向回转钻进破岩效率研究

国内外相关研究均显示同轴双向回转可有效降低钻具振动和提高破岩效率,但双向回转相对传统单向回转的钻进效率的提升水平研究较少。据此,本文建立双向回转钻头以及单向回转钻头与岩石相互作用的有限元模型,以破岩比功作为评价指标量化比较分析了2种钻头的破岩效率。通过定义双向钻头内外壁尺寸差、内外钻头的间隙、内钻头壁厚与双向钻头内外壁尺寸差之比、内外钻头转速比和内外钻头底部高度差5种核心参数,并设计正交试验完成了仿真分析。结果显示,内外钻头高度差与内外钻头间隙对于破岩比功影响比较小,内外钻头尺寸差、内外钻头转速比和内钻头壁厚与双向钻头内外尺寸差之比对破岩比功影响显著。     

钻进工艺(之一)——怎样用好钻头

人造金刚石钻头作为一种新的碎岩工具,它与钢粒和硬质合金钻进,在钻进工艺(即使用方法)上有很大的不同,甚至也有别于一般天然金刚石钻进.这就是说,有了人造金刚石钻头,有了相应的设备和专用钻具外,我们还要懂得正确使用它.不然,尽管有很好的钻头,如果采用的钻进工艺不当,也不可能达到预期的效果.因此,钻进工艺是使人造金刚石钻头的效能得到充分发挥的重要保证.     

基于LS-DYNA的大容腔潜孔锤钻头结构研究

提出通过大容腔结构改善潜孔锤钻头与冲锤质量比来提高液动潜孔锤钻进效率的方法,并应用LS-DYNA显示动力学分析手段,对常规潜孔锤钻头和新型大容腔结构潜孔锤钻头的碎岩效果及应力状态进行仿真分析,结果表明：采用大容腔结构减小潜孔锤钻头的质量,调整钻头与冲锤质量比,可明显提升碎岩效果;冲锤与钻头质量比由0.79变化到0.91,岩石碰撞过程中吸收的最大冲击能变化率以及碰撞结束后的最终吸能变化率分别为41.13%和67.17%;两种大容腔潜孔锤钻头的受力均满足长期作业的疲劳强度要求,数值模拟计算结果表明,该钻头结构在施工中具备可行性。     

钎焊金刚石钻头模具尺寸设计

勘探用金刚石钻头在钎焊烧结过程中,钻头芯模、外模和钢体的尺寸直接决定金刚石钻头的尺寸,对金刚石钻头的使用性能影响很大,而现有的文献中对于模具尺寸设计的研究稍显不全面。对钻头钎焊烧结过程的热涨与冷缩过程进行深入分析研究,提出了更直观的模具计算公式和防止涨模的措施。     

复合片钻头钻进规程参数的试验研究

操作规程是决定一种钻进方法成功与否的三大因素之一。本文通过对两种具有代表性的中硬岩石（细砂岩和石灰岩）进行实尺寸钻进试验,探讨和揭示了新型钻岩工具复合片钻头（Polycrystalline-diamond-compact bits）钻进工艺规程与各项参数的相互关系和变化规律,从碎岩比功的角度为合理选择工艺规程提供了依据。