仿生高效切削齿试验研究

在仿生高效耐磨理论的指导下,以鼹鼠爪趾为仿生原型,引入了其经长期进化而具有的高效、耐磨的特性。选用CVD多晶金刚石为切削齿的切削单元,采用真空热压烧结工艺制备仿生高效切削齿,并将其与常规PDC齿、仿生PDC齿的耐磨性和切削效率进行对比试验,结果显示：仿生高效切削齿的耐磨性较常规PDC齿提高23%;切削效率较常规PDC齿提高1.49倍,较仿生PDC齿提高48%。初步证明了仿生高效切削齿工艺的可行性,为下一步高效切削钻头的研究奠定了坚实的基础。     

纳米氧化物颗粒对水基钻井液润滑性能影响的试验研究

通过在水基钻井液中添加纳米氧化物颗粒,来改善其润滑性能。选用了Al2O3、TiO2及SiO2三种纳米氧化物颗粒作为钻井液改性添加剂,利用极压润滑仪及销盘摩擦磨损实验仪研究了添加不同种类和浓度纳米颗粒氧化物对水基钻井液的润滑性能及减摩效果的影响。结果表明,所添加的3种球形纳米颗粒均有润滑减阻减摩的效果,其中SiO2颗粒的钻井液的润滑性能、滤失性能以及减摩效果都是最好的。当纳米SiO2颗粒加量为0.4%时,滤失量最小,润滑系数降低率达到15.6%,摩擦系数降低率为32.0%,磨痕轨迹平滑,减摩效果最为明显。当纳米颗粒浓度超过0.5%时,减摩效果降低,磨盘脱层磨损明显。     

钻井利器的故事之“铝合金钻杆”

地球科学的发展对地球深部数据的依赖程度越来越高,作为“入地”重要手段的科学超深井工程是研究深部地质学的重要方法,被誉为是“伸入地壳的望远镜”。与钢钻杆相比,铝合金钻杆以其独特的优越性(质量轻、比强度高、钻进深度深、所需能耗少),已成为难进入地区、大位移井、超深井等钻柱设计的优选方案。本文从科普的角度介绍了钻柱与钻杆的区别、钻柱的使用极限长度、铝合金钻杆的技术优势及其现存的不足之处,以此提高对铝合金钻杆的认识,促进铝合金钻杆的研究和发展。     

PDC破岩条件下的岩石研磨性评价

岩石的研磨性是钻井过程中钻头的磨损预测及优化的重要因素。为了预测钻遇地层岩石的研磨性,建立了钻井过程中PDC复合片的磨损计算模型,从而得到了岩石研磨性的预测方法。首先,通过复合片与地层之间的受力分析并结合岩石的破碎条件,建立了不同钻压条件下地层对复合片的作用力计算模型。根据石英含量的概率密度分布情况,获得了岩石中参与磨损的颗粒与复合片底部的真实作用力。然后,根据PDC复合片磨损的几何原理,建立了地层对钻头复合片的磨损计算模型。通过室内实验对模型进行修正,分析了岩石各种属性对复合片磨损的影响规律,揭示了各参数影响复合片磨损的主次顺序依次为：弹性模量>石英含量>内摩擦角>表面粗糙度>泊松比>内聚力。基于该磨损模型建立了岩石研磨性评价指标,对制定了岩石研磨性的分级标准具有一定的借鉴意义。     

泥石流排导结构耦合磨损随机过程建模及分析

泥石流排导结构对于减轻泥石流对周围建筑物的损毁起到了显著作用,但目前大多数排导结构难以抵御泥石流的强烈侵蚀磨损和周围环境恶劣时伴随产生的腐蚀磨损。首先,通过分析泥石流排导结构侵蚀和腐蚀磨损机理,应用相关磨损量计算公式,提出了考虑侵蚀和腐蚀的泥石流排导结构耦合磨损计算公式。然后,以此为基础,针对磨损过程的动态性和随机性,建立了泥石流排导结构耦合磨损随机过程模型,推导了任意时刻磨损量的分布函数,实现了评估泥石流排导结构的动态可靠性和概率失效时间。最后,通过具体算例分析验证了模型的实用性,可为今后泥石流排导结构的磨损定量评估提供理论参考。     

绳索取心复合钻柱的动力学行为研究

绳索取心复合钻柱在岩心钻探“满眼钻进”过程中,钻杆易出现不同程度的划痕、压痕及磨痕等情况。本文利用非线性有限元方法,采用三维管单元对绳索取心复合钻柱拉压两处截面的涡动轨迹、涡动速度、横向振动、纵向振动规律进行了分析。结果表明：转速的增加和钻压的增大会显著增加钻柱与井壁的碰撞次数;在相同钻压条件下,随着钻柱回转速度的增大,钻柱与井壁的碰撞机率增加、接触轨迹增长,致使钻柱与孔壁的滑动摩擦机会增多;钻柱的涡动速度均值将随钻压和转速的增加而增大,转速大于钻压的影响;转速的增加则会加大钻柱的横向振荡频率,钻压的增大会增加钻柱横截面的纵向振荡幅值。     

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。     

螺杆钻具转子表面磨损规律研究

转子是螺杆钻具的核心部件,与定子相配合,决定了螺杆钻具的工作效率和动力性能。主要研究不同泥浆固相含量和添加剂对螺杆钻具转子表面磨损的影响,并设计了专用试验装置以模拟近井下条件工作时螺杆钻具转子的表面磨损情况,对其磨损规律开展研究,探索了转子在不同泥浆条件下的磨损规律,并结合相关磨损机理进行了进一步分析。初步发现了对硬铬镀层损伤较大的因素是泥浆固相与盐类添加剂,进而确定了硬铬镀层磨损的主要形式是腐蚀磨损,从而形成了对转子的制造工艺及使用方法的有益建议。     

PDC钻头切削齿受力随布齿密度变化关系研究

采用不同布齿方式的３个ＰＤＣ切削齿同步连续切削转动的岩石为模拟井底钻头切削齿实际工作状态，用切削岩石时相同的布齿参数切削砂轮来磨损切削以模拟切削的以模拟切削齿磨状态，试验研究了不同磨损程度的切削齿受力与布齿密度的关系。     

复合地层土压平衡盾构滚刀磨损规律及切削距离寿命预测分析

软硬不均复合地层中地质条件频繁变化,盾构滚刀磨损加剧严重制约施工效率。为探索复合地层土压平衡盾构机滚刀耐磨蚀改进措施,准确预测复合地层土压平衡盾构滚刀的磨损量与切削距离寿命,本文采用统计回归法对广州地铁18号线工程ZDK30+433.76~ZDK31+150.61区间盾构滚刀更换情况及磨损量进行统计分析。通过利用滚刀磨损量以及盾构掘进参数得到了适用于软硬不均复合地层的滚刀磨耗系数K。根据磨耗系数K及相应的滚刀磨损计算模型,对复合地层中土压平衡盾构滚刀磨损量及切削距离寿命进行预测分析,从滚刀的设计制作、施工参数、现场监管和渣土改良4个方面提出了复合地层滚刀的耐磨蚀改进措施,并对土压平衡盾构掘进参数进行优化,提出了沙湾水道段的推荐刀盘转速值。该研究成果为广州地铁18号线工程及类似地层条件下盾构滚刀磨损预测及换刀时机选取提供了工程经验与理论依据。