孕镶金刚石钻头磨损研究现状与发展趋势

孕镶金刚石钻头广泛应用于各种硬岩钻进,尤其是深部硬岩钻探钻井的工程实践活动中,其碎岩机制表现为金属胎体包裹的金刚石出刃后压入、刻划和破碎岩石。金刚石钻头的磨损形式反映了孔底钻头-岩石的相互作用过程,以及磨粒(包括岩屑、胎体碎屑和金刚石碎屑等)在孔底的存在状态,它决定了金刚石钻头的钻进效率和使用寿命。目前关于孕镶金刚石钻头磨损理论、方法的研究大部分属于定性判断,且常局限于区域特殊情况,无法形成统一或可借鉴的实用指导体系。以地质钻探领域的孕镶金刚石钻头磨损相关研究文献为主,讨论了孕镶金刚石钻头磨损的研究现状。首先结合地质钻探工业实践和行业规程归纳了钻头的非正常磨损类型,然后从磨损图像、钻进信号2个方面介绍了钻头磨损评价方法,从钻头整体、金刚石和金属胎体3个方面梳理了钻头钻进过程磨损机理与影响因素,另外列举了主流的钻头磨损性能调控方法,介绍了磨损分析方程的研究进展,并探讨了机器学习方法如何辅助钻头磨损研究。孕镶金刚石钻头在深部硬岩钻探中有极大的潜力,而其磨损性能是决定其最终使用效果的关键。为此,对人工智能方法辅助数据分析、微观尺度计算模拟、增材制造和材料处理改性等研究方向进行了分析展望,探索先进的金刚石钻头的磨损监测分析和调控方法,以期满足地质深部钻探和地外星系钻探等远程监控钻进的需求。

水文水井钻探泥浆特征参数在线监测技术

水文水井钻探是开发地下水资源的一项重要技术手段,钻探过程中产生的泥浆排放会对生态环境造成一定程度的破坏。为对泥浆进行有效净化并循环利用,开展了泥浆在线监测方案的研究,首先利用管道黏度计对泥浆密度、表观黏度、塑性黏度、动切力进行实时监测,然后通过预先训练基于泥浆密度、流变性参数和含砂量的神经网络模型,预测经过固相控制之后的泥浆中的含砂量。结果表明:通过管道黏度计监测的泥浆密度、表观黏度、塑性黏度、动切力的平均误差分别为0.2%、1.7%、3.4%、3.7%;通过神经网络模型预测的含砂量的平均误差为15.9%,预测模型不依赖模型训练中使用的泥浆配方,能够适用于相同体系的其他泥浆配方,表明预测模型具有一定的泛化性。该泥浆在线监测系统能够满足绿色勘查的要求,适合水文地质及水井钻探的现场应用。

新型耐磨损ONYX切削具制作的PDC钻头

PDC钻头在石油天然气钻井和地质勘探钻进中得到了广泛的应用,取得了很好的技术经济效果。但是,钻进中产生的PDC切削具非正常磨损,影响了这种先进方法的机械钻速和钻头进尺的提高。俄罗斯史密斯钻头(Smith Bits)公司研发了一种钻进过程中可以沿着自身轴线回转的ONYX切削具,抑制了PDC切削具的非正常磨损,具有创新性和实用价值。НecкopoMныx B.B.教授等对镶有ONYX切削具的钻头的结构和性能参数进行了分析研究。试验表明,这种ONYX切削具的耐磨性比常规固定式PDC切削具的耐磨性好,钻头钻进效果也比较好,俄罗斯正在积极推广使用,建议中国有关专家和部门对此进行研究和试验。

PDC钻头钻进岩石破碎过程及其与钻进规程参数关系的分析研究

PDC复合片钻头在地质勘探和石油天然气钻井等领域得到了广泛的应用,取得了很好的技术经济效果。但是,对于其碎岩过程及其与钻进规程参数间的关系研究不够深入,影响了技术经济指标的进一步提高。俄罗斯钻探工作者在这方面做了很多工作,取得了一定效果,值得引起我们的注意。例如,他们建议,由于岩石破碎方式是变化的,所以,尽量使岩石破碎处于体积破碎状态;如果把钻头每转进尺能耗量指标作为一个评价指标考虑进去,则评价系统会更加科学和更加全面;钻头每转进尺,不是越高越好,有一个最优值,这个最优值与钻进规程参数密切相关;提出了临界钻进规程的概念,即当轴载和转速的乘积高达一定数值时,切削具温度急剧上升、钻头磨损明显加剧,冲洗液量再大也无济于事,因此,此时应该采取措施,及时调整规程参数,避免钻进过程处于临界规程状态,以便使钻进处于正常状态,继续钻进下去。

关于PDC钻头设计的分析研究

钻探工程中使用钻头的类型很多。近年来,金刚石复合片(PDC)钻头得到了广泛的利用,取得了很好的技术经济效果。但是,对于PDC钻头设计的研究工作不够充分,需要进一步加强,以便取得更好的技术经济效果和更好地推广使用。俄罗斯钻探工作者在这方面做了很多研发工作,获得多项发明专利,取得了较好的成果。以其中3个专利为切入点进行分析研究,包括切削型双节翼片式钻头、稳定型钻头、PDC螺旋状排列钻头。这些成果有较好的使用价值和推广前景,建议我国对此进行研究和试验。

偏心冲击回转钻进工艺试验研究及其所用钻头的开发

冲击回转钻进是一种重要的钻进方法,在地质钻探中得到了广泛应用。传统上,冲击回转钻进中冲击脉冲是垂直的,不是偏心的。俄罗斯专家提出利用偏心冲击产生的冲击脉冲来破碎岩石,以提高其破碎效果,这是一个新的理念,是一种创新。试验研究证明了偏心冲击回转钻进中,在岩石中不仅产生垂直正应力,还产生切向剪应力,有利于岩石破碎效果和钻进效率的提高。在偏心距E=1~2 mm冲击脉冲钻进粗粒玄武岩和大理岩条件下,机械钻速和钻头每转进尺比E=0 mm时都有大幅度的提高。此外,还研发了与之配套的偏心冲击回转钻进用钻头,并取得了发明专利,使偏心冲击回转钻进在地质勘探中的效果和作用得到了进一步的加强。建议中国对偏心冲击回转钻进进一步研究。

煤矿采空区覆岩“三带”智能识别方法

为了探明煤矿采空区覆岩破坏类型与裂隙发育情况,快速准确划分采空区覆岩弯曲带、断裂带、垮落带(简称“三带”),提出智能识别方法,为制定采空区治理方案提供依据。以山东某矿区采空区为例,采用贝叶斯在线变化点检测(Bayesian Online Changepoint Detection,BOCD)算法对钻进过程中的冲洗液漏失量和钻速数据在煤矿采空区“三带”界限处的变化及响应特征进行分析。以勘察规范中有关“三带”高度计算经验公式作为约束条件,对冲洗液漏失量和钻速数据中的候选变化点进行检测、优选,进而确定煤矿采空区“三带”界限深度。智能识别的结果与实际值吻合,其中,弯曲带下限、断裂带下限、垮落带下限的深度误差分别为+0.67、+0.31和+0.52m,弯曲带、断裂带和垮落带的高度误差分别为+0.14%、-0.63%和+2.49%。基于钻进数据的采空区覆岩“三带”智能识别方法精度满足设计需要,切实可行。该方法将钻进数据与经验公式相结合,在钻进过程中即可完成“三带”界限的划分,充分发挥数据的时效性,避免了技术人员主观判断对识别结果产生影响。相较于依靠多种方式综合确定“三带”界限的传统方法,该智能识别方法显著提高了“三带”划分的时效性和准确性。

金刚石表面化学镀NiFeB及其在胎体中结合状态的研究

对比分析了化学镀NiFeB ,真空镀金刚石与胎体的结合界面 ,结果表明 :化学镀NiFeB金刚石在胎体中仍以机械包镶为主 ,真空镀Ti-Cr金刚石在胎体中实现了化学键合 ,金刚石形成的碳化物中的碳直接来自于金刚石本身 。

金刚石工具富铁胎体掺杂稀土的研究

稀土的加入量、加入形态和在混料中的均匀弥散性直接影响热压富铁金刚石复合材料的性能。改进的稀土掺杂工艺 ,保证了稀土在胎体中的均匀弥散性 ;通过试验研究了稀土的加入量与富铁胎体的抗弯强度、抗冲击韧性和孔隙率的关系 ,从而确定了稀土的最优加入量。通过差热分析试验 。

金刚石表面化学镀NiWB及其在高温下的热损伤特征

本文在金刚石表面镀覆一层NiWB合金之后，用扫描电镜观察了化学镀NiWB金刚石和未镀金刚石在高温下的热损伤特征，结果发现化学镀NiWB金刚石在高温下以面损伤为主，体损伤为辅；未镀金刚石在高温下以体损伤为主，面损伤为辅。并结合MRD图分析了产生这种现象的原因。

低温低压下石墨对金刚石钻头胎体摩擦性能的影响

为了更加科学地设计低温低压无冲洗介质条件下的金刚石钻头胎体,基于金刚石钻头干钻时出现高温摩擦热的现象,采用向胎体中添加石墨作为润滑剂的方案,以减小胎体的摩擦因数,降低摩擦热.研究石墨的体积分数、粒度对胎体力学性能和不同环境下对胎体摩擦性能的影响,结果表明:随着石墨体积分数的增加,胎体的硬度,抗弯强度,常温常压、低温低压下的摩擦因数逐渐减小,磨损量先减小后增大,当石墨体积分数增加到7.5%时,磨损量达最小值.随着胎体中石墨粒度的减小,胎体的抗弯强度和常温常压、低温低压下的摩擦因数逐渐减小,胎体的硬度和磨损量逐渐增大.摩擦磨损后胎体的形貌分析表明,加入石墨后,胎体在不同环境下的磨损均减轻,可实现对钻头胎体的润滑作用.

MoS_2的电镀工艺对低温低压下MoS_2-Ni基金刚石钻头胎体摩擦性能的影响

基于金刚石钻头干钻时出现较高摩擦热的现象,采用MoS2作为胎体润滑剂,用电镀法制备MoS2-Ni复合胎体材料,以减小胎体的摩擦因数、降低摩擦热;并研究电镀工艺对MoS2复合镀层的显微硬度和低温低压下复合镀层对胎体摩擦性能的影响。结果表明:随镀液中MoS2浓度增大,镀层的显微硬度和胎体的摩擦因数降低,当MoS2浓度大于0.5g/L时,镀层的显微硬度和胎体的摩擦因数变化不大;随镀液pH增大,镀层显微硬度降低,胎体的摩擦因数先减小后增大,当镀液pH增大到4.0后,镀层的显微硬度变化不大,胎体摩擦因数达最小值;随镀液电流密度增大,镀层显微硬度和胎体摩擦因数先减小后增大,当电流密度增大到2.5A/cm2时,镀层的显微硬度和胎体摩擦因数达到最小值。摩擦磨损后的胎体材料形貌分析表明,控制好电镀工艺条件,可实现低温低压下MoS2-Ni复合材料对胎体的润滑作用。

青铜结合剂金刚石砂轮胎体性能评价的研究(1)——胎体金相分析

设计制备了一定规格的青铜胎块试样,在不同工艺条件下进行压制烧结。利用X射线衍射分析技术、背散射电子图像技术、X射线能谱分析技术对试样的微观组织结构进行了测试和分析;结合分析结果,对金相图谱中具有各种形貌特征的组织进行了确认和显微硬度测试,并对胎块的烧结机理进行了分析。

高转速钻进时金刚石钻头磨损的试验研究进展

讨论了金刚石钻进中提高机械钻速和降低钻探磨损问题 ;探讨了这两个技术指标与钻压、转速的关系 ;提出了表示机械钻速和钻头胎体磨损关系的钻探效果指标 。

考虑节理的六盘山隧道围岩稳定性研究

甘肃省天水至平凉铁路六盘山特长隧道赋存条件复杂,围岩种类多,施工难度大,隧道围岩稳定性对施工安全十分重要。应用3DEC软件建立含有两条节理的三维数值模型对围岩稳定性进行计算分析。研究结果表明:在洞室开挖后,应力场发生调整,围岩向洞室内收敛,其中洞顶的位移较大,洞壁两侧位移相对较小,在无支护条件下后,围岩基本处于稳定状态,节理接触面某些部位存在岩石塌落的危险,在开挖过程中应及时进行支护。在拱顶和底板以张拉性破坏为主,拱腰和拱脚以剪切破坏为主,围岩整体上保持稳定。

镀膜金刚石工具中以Fe代Co的胎体配方的试验研究

从分析锯切对金刚石圆锯片胎体性能的要求出发，根据金属材料学的基本理论，确定了提高胎体机械性能的微量元素之后，试验研究了胎体主要成分ＷＣ、Ｆｅ／Ｎｉ、６６３－Ｃｕ；烧结工艺参数中的烧结温度和保温时间等５个因素对胎体综合指标的影响，所研制的胎体配方达到了锯切生产的要求。

青铜结合剂金刚石砂轮胎体性能评价的研究(2)——评价方法

在金相组织测试结果的基础上,分别对四种不同工艺条件下制备的青铜胎体试样的金相形貌进行了观测,并分别测试了其密度、硬度和抗弯强度。综合考虑金刚石砂轮对金属结合剂性能的要求,结合其微观组织形貌和宏观物理力学性能差异,评价了各工艺条件下制备的胎体试样性能的优缺点,并为砂轮制备工艺优化提出了参考意见。

基于模拟月壤的表层采样试验研究

目前月球采样可分为深层采样和表层采样,作为深层采样的有力补充,国内外针对表层采样研发了多种不同类型的采样机具,但对机具和月壤相互作用鲜有研究。针对月球表层采样设计了2套采样机具,能够实现挖取、铲取、夹取和振动贯入4种动作。通过相应的传感器,采样机具能在运动过程中实时检测机具承受的力矩(力)。利用6种不同性质的模拟月壤,用2套采样机具分别就不同的运动参数进行了相关试验。通过对试验现象的观察可知模拟月壤与常规沙土性质不同,会出现特定的表现;通过对试验数据的分析可知,除挖取动作外其余3种动作机具运动与受力的关系为近似线性关系,而挖取动作机具承受扭矩分为4个阶段,与机具运动位置有关。

金刚石镀铜工艺研究

研究金刚石表面镀铜工艺，金刚石经净化、粗化、亲水化处理后，首先以盐基型胶体钯对其表面敏化活化，进行化学镀铜形成金属表层，然后以机械滚镀方式在其表面进行电镀加厚。镀铜后的金刚石抗压强度提高显著，表面理化性质大为改善，削弱了金刚石固有缺点可能产生的不利影响。

金刚石工具在钢筋混凝土结构修复改造中的应用与研究现状

我国正处于钢筋混凝土结构应用与发展的大规模新建与修复改造并重阶段。为对钢混结构进行局部或整体的拆除与修复改造,传统机械破碎与爆破拆除方式存在施工效率低、安全隐患大和环境污染严重等问题,而利用金刚石工具对其进行静力切割拆除的施工方法在近年来得到迅速发展。目前,在钢混结构拆除与修复改造施工中应用最多的金刚石工具为金刚石薄壁钻头、金刚石锯片和金刚石绳锯。本文对上述3类金刚石工具在钢混结构修复改造施工中的应用现状、钻进与锯切机理、制造技术和施工工艺等研究现状进行了总结与分析,在此基础上指出了其可能的研究趋势与发展方向。研究成果可为金刚石工具在工民建和部分特殊领域的广泛应用提供技术参考。