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。

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。

水平定向钻进坚硬地层孕镶金刚石钻头的研究与应用

针对水平定向钻进坚硬地层效率低的问题,通过利用FeCoCu预合金胎体的硬脆性以及硬质颗粒碳化硅弱化胎体的特点,提高钻头的自锐性。采用分层结构设计,将高、低耐磨性胎体层沿钻头径向方向交替排布,其中高、低耐磨性胎体层厚度分别为2.5~3.5 mm和1.0~1.5 mm,可实现高、低耐磨性胎体层同步磨损,提高钻进效率。将FeCoCu预合金胎体和分层式胎体结构相结合,研制的孕镶金刚石钻头成功应用于水平定向钻进勘察工程坚硬钾长花岗岩地层,平均机械钻速0.8~1.5 m/h,钻头使用寿命为30~40 m。与普通同心圆尖齿钻头相比,机械钻速提高约1倍,寿命提高30%以上。

钻探施工中孕镶金刚石钻头的适应性选择

孕镶金刚石钻头是进行地质岩心钻探必不可少的利器之一。本文总结全球3大知名公司金刚石钻头的特性及其与不同地层的对应选择关系,认为他们在钻头对地层的适应性及钻头分类方式方面较国内有一定的优势。在此基础上,针对国内目前存在的钻头胎体分类繁杂、选择困难、对地层的适应性较差的问题,本研究从钻头胎体类型、地层岩性和施工案例等3个方面,提出钻井施工中切实有效的钻头与地层对应选择方案,并研发出4种胎体配方能够满足从软岩层、中硬岩层—硬岩层、极硬岩层钻进需求,采用“字母+数字方式”对衍生的K系列、S系列钻头胎体进行标注,并在工程实践中取得良好应用效果。

深部硬岩钻探中孕镶金刚石钻头碎岩单元强化研究进展及建议

随着深部矿产资源的勘探开发与利用的不断发展,孔底环境更加复杂,孕镶金刚石钻头作为地质钻探的专用工具,复杂的深部硬岩地质环境对孕镶金刚石钻头性能也提出更高的要求。孕镶金刚石钻头的碎岩效率及寿命与其碎岩单元性能息息相关,本文对深部硬岩钻进中孕镶金刚石钻头的钻进磨损响应研究现状进行综述,目前研究还不够完善,仍需进一步开展微观深入分析,厘清响应机制。在此基础上,讨论了近年来碎岩单元的创新设计进展,重点从胎体内部结构强化及异形孕镶唇面结构等方面总结分析不同强化方式对切削单元强度、磨损量、钻进效率的影响,研究结果表明确实可以有效提高深部硬岩孕镶钻头的切削效率和工作寿命。从延寿增效的角度讨论了适用于深部硬岩钻进的孕镶金刚石钻头碎岩单元强化方向,为深部地质钻探用孕镶金刚石钻头的设计与制造提供参考。

提高烧结压力对孕镶金刚石钻头性能的影响研究

传统的热压孕镶金刚石钻头胎体配方多为单质金属体系,采用WC或YG8作为骨架材料,Cu合金作为粘结材料,Ni、Co、Fe和Mn等金属作为中间材料。受配方中粘结材料和骨架材料成分及含量的影响,其适宜的烧结压力有限(≤16 MPa),且烧结温度则相对较高(≥930℃),常造成金刚石钻头胎体实际密度与理论密度之比偏低(≤98%),且高烧结温度会对金刚石产生热损伤,从而使钻头难以同时兼顾机械钻速和使用寿命。采用混料回归试验方法优选了2种全预合金成分的孕镶金刚石钻头胎体配方,并以钻头胎体的硬度(HRC)、磨损量和相对密度作为评价指标,分别开展了上述2种配方的烧结温度和烧结压力的单因素试验,以及配方2的烧结温度(930、940、950℃)和烧结压力(17、18、19、20 MPa)优化试验。试验结果表明,钻头胎体试样的最高压入硬度可达30.1(HRC),对应磨损量和相对密度分别为134 mg和99.1%。基于此,采用配方2及其优选的热压烧结工艺参数,试制了3只ø75/49 mm规格的普通双管钻头,并在河南洛阳栾川某金矿钻探现场进行了野外钻进试验,其平均机械钻速达到2.02 m/h,平均使用寿命达到121.4 m。同机台使用的其他厂家的金刚石钻头,其平均机械钻速为1.81 m/h,单只钻头平均使用寿命为89 m。野外钻进试验结果表明,相较于其他厂家的常规孕镶金刚石钻头,采用全预合金配方体系和优化配合的烧结压力与烧结温度制备的孕镶金刚石钻头具有明显的优势,可以同时兼顾高效与长寿命的钻进效果。

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。

孕镶金刚石钻头设计与制造新技术回顾与展望

高性能孕镶金刚石钻头的研制是钻探工程尤其是深部坚硬地层提高钻探效率、降低钻探成本的关键手段之一。本文从钻头胎体、结构和制造工艺3方面综述了孕镶金刚石钻头设计与制造的新技术,针对钻头胎体设计,介绍了胎体对金刚石把持力的调控研究,特别是胎体强化和胎体弱化这2大方向,并阐述了胎体自润滑钻头的设计机理;从唇面结构和水路系统的设计等方面论述了孕镶金刚石钻头结构设计的新思路;讨论了典型孕镶金刚石钻头设计技术,分析了钻头制造工艺现存的问题,并认为未来采用3D打印制造复杂结构孕镶金刚石钻头具有广阔的应用前景。对及时了解和掌握国内外孕镶金刚石钻头设计与制造技术和理论的最新进展,加快高性能孕镶金刚石钻头的研发具有重要意义。

孕镶金刚石钻头钻进花岗岩岩屑特性室内试验研究

岩屑的特征参数是影响其环空上返的一个重要因素。为研究孕镶金刚石钻头钻进花岗岩所产生的岩屑特性,开展室内微钻试验。研究发现碎岩产生的岩屑在一定范围内呈单峰值分布,且岩屑粒度分布范围与钻压、转速等钻进参数有关;在一定程度上岩屑峰值粒径随着钻压的增大而变大,随着转速的增大而变小。进一步显微观察岩屑形貌特征,发现岩屑颗粒基本小于岩石原矿物颗粒尺寸,且岩屑颗粒多呈单一矿物成分,较少有多种矿物相互混杂的岩屑颗粒;显微观察岩屑与岩石表面形貌特征,发现孕镶金刚石钻头钻进花岗岩时以体积破碎的方式为主、塑形微切削方式为辅。

孕镶金刚石钻头高转速钻进磨损失效与规程参数研究现状

孕镶金刚石钻头高速回转钻进是深地硬岩取心钻进的主要方法之一,虽然其广泛应用于各个领域,但仍存在钻进性能不稳定、钻头磨损异常等问题,原因在于对钻头-岩石界面规律及动态磨损过程的认知仍然不够清晰。本文综述了目前对孕镶金刚石钻头碎岩力学响应模型的研究现状,总结了钻头磨损机制在不同钻进规程参数下与碎岩方式和钻进速度间的关系,孕镶金刚石钻头磨损失效机制可以概括为钻头-岩石界面二体磨损和三体磨损的循环过程。介绍了国内外学者对超过常规转速区间下临界钻进规程的研究,新规程的探索对孕镶金刚石钻头高速钻进的发展具有重要意义。

仿生耦合孕镶金刚石钻头的试验及碎岩机理分析

为了提高孕镶金刚石钻头的时效和寿命,将仿生耦合理论引入钻头设计中,并加工仿生耦合孕镶金刚石钻头。对仿生耦合钻头的碎岩机理进行阐述,并对岩粉进行对比分析。研究结果表明:与普通孕镶金刚石钻头相比,其机械钻速提高42.7%,寿命提高73.8%;仿生耦合钻头底唇面上的比压增加有利于钻头的自锐,也有利于岩石表面微裂纹的扩展,增加岩石的润湿层;非光滑表面的存在能产生微型流场,改善金刚石的冷却条件;仿生耦合钻头碎岩产生的岩粉颗粒直径远大于普通孕镶金刚石钻头产生的岩粉颗粒直径。

打滑地层新型孕镶金刚石钻头

在分析打滑地层特点的基础上,指出了钻进该地层所存在的问题,提出了用于打滑地层钻进的新型孕镶金刚石钻头的设计思路,在钻头工作层中采用主、辅两种磨料,并对这两种磨料的工作机理、处理工艺以及该新型钻头的制造进行了阐述。钻头的室内钻进试验结果表明:在钻进极坚硬致密的锆刚玉时,相对于普通金刚石钻头,新型孕镶金刚石钻头的钻进时效提高1.93倍,平均磨损量增加38%,具有高时效、相对寿命长的优点,是打滑地层钻进的理想钻头。

CVD金刚石条强化孕镶金刚石钻头的试验研究

本文将经过激光切割的CVD金刚石条镶嵌到传统的孕镶金刚石钻头胎体中,研制了一种新型的硬支点强化型金刚石钻头,以提高钻头在坚硬地层中的钻进效率和使用寿命。介绍了该新型钻头的设计及制造工艺,并进行了室内钻进试验。结果表明:与聚晶金刚石柱强化孕镶金刚石钻头相比,CVD金刚石条强化的孕镶金刚石钻头的钻进效率较高,达5.575m/h,且该钻头的磨损程度更小,使用寿命长。在钻进过程中更加稳定。

工程陶瓷用孕镶金刚石钻头的性能优化

为提高孕镶金刚石钻头加工工程陶瓷时的钻进效率、延长工具寿命,对钻头性能进行了优化研究。分析了孕镶金刚石钻头加工氧化铝工程陶瓷的磨损机理,采用更高品质的金刚石磨粒和新的胎体配方及制造技术研制了四种钻头。钻削试验及扫描电镜分析表明:高品质金刚石磨粒可有效提高工作磨粒的比例,提升钻进性能;四种钻头的磨损性能各不相同,采用Cu50Co25Sn18Ti7(wt%)胎体配方钻头的金刚石磨粒出刃高度高,胎体与磨粒的粘结性能好,胎体磨损速度与金刚石磨损速度匹配性较好,钻头的钻削综合性能最好,其加工效率和工具寿命较其它钻头分别提高了近1.4倍和7倍。

川渝地区须家河地层涡轮钻具配套孕镶金刚石钻头钻井提速技术

川渝地区须家河地层研磨性强、硬度高、可钻性差、单只钻头进尺低、钻头消耗量大、机械钻速低、钻井成本高、针对上述难题,采用自主研发的涡轮钻具配合孕镶金刚石钻头钻井技术。经龙岗X1井的现场试验,单只钻头进尺392 m,纯钻时间240 h,平均机械钻速2.73 m/h,与邻井同层钻头对比,机械钻速提高95%以上,单只钻头平均进尺提高了334.1%。试验结果表明,涡轮配合孕镶金刚钻头钻井技术在强研磨性地层具有较好的提速效果,可为川渝、新疆等地区强研磨性地层钻井提速提供技术支持。

胎体弱化颗粒材质对WC基孕镶金刚石钻头胎体磨损性能的影响

采用热压烧结法,以WC基混合粉末和MBD8人造金刚石为原材料,通过改变添加至胎体中的胎体弱化颗粒材质,制备钻进打滑地层用WC基孕镶金刚石钻头,并进行钻进试验。采用室内钻进及SEM扫描电镜分析等手段研究不同胎体弱化颗粒材质对钻头胎体结构、力学性能和摩擦磨损行为的影响。结果表明:粒径小于425μm的Si C颗粒由于其脆性特性,适当浓度的Si C颗粒能够减少单位面积上金刚石颗粒数,利于唇面比压的提高,进而提高钻头碎岩效率;棕刚玉颗粒的脆性破损断裂的能力较差,无法有效剥落以增加胎体的粗糙度,并促进金刚石的新陈代谢;硬质合金钢丸颗粒由于本身性质导致其无法有效促进金刚石出刃,不宜作为胎体耐磨损性弱化颗粒材质。

孕镶金刚石钻头加工工程陶瓷的性能研究

根据工程陶瓷的性能特点,研制了孕镶金刚石钻头并对其进行孔加工实验研究。从工具磨损、工具寿命、加工效率及加工质量等方面对钻头加工工程陶瓷的性能进行了全面分析。发现钻头的整个磨损过程可分为3个阶段;孔加工时间随孔数近似呈周期性变化;钻压和钻头壁厚适当时,可获得更高的加工效率或者工具寿命。针对工程陶瓷的孔加工缺陷,提出了预压应力钻削法以改善其入、出口的加工质量。结果表明:所研制的金刚石钻头完全胜任工程陶瓷的磨削钻孔加工。该文成果为孕镶金刚石工具在工程陶瓷孔加工领域的应用提供了技术基础。

胎体耐损性弱化孕镶金刚石钻头的试验及碎岩机理分析

为了提高孕镶金刚石钻头在坚硬致密弱研磨性地层的钻进效率,将胎体耐磨损性弱化理论引入钻头设计中,对胎体耐磨损性弱化孕镶金刚石钻头碎岩机理进行探讨并对胎体进行扫描电镜分析。研究结果表明:与普通孕镶金刚石钻头相比,胎体耐磨损性弱化孕镶金刚石钻头的机械钻速提高了64%;经弱化处理的钻头在钻进过程中,弱化颗粒易于从胎体表面脱落,使其表面形成非光滑形态,减少了钻头唇面与孔底岩石面之间的接触面积,提高了钻头唇面与岩石的单位面积压力,改善了金刚石颗粒的冷却效果,降低了金刚石颗粒的热损耗;脱落的弱化颗粒在孔底参与磨损钻头胎体,增加了孔底岩粉的研磨能力,促进了胎体中新颗粒金刚石的出刃。

射流式液动锤回转冲击孕镶金刚石钻头钻进的实践与分析

金刚石本身力学性质、金刚石钻头结构特点及射流式液动锤冲击力特点决定了射流式液动锤带金刚石钻头进行冲击回转钻进是可行的。经射流式液动锤在科学钻探主孔先导孔中的应用实践,证明了由于液动锤冲击动载作用钻头底唇面与岩面微量间隙有规律地变化,改善钻头金刚石颗粒受力状况、碎岩状态,提高钻头金刚石颗粒切入深度,改善胎体磨损状况、钻头冷却,成倍地提高了榴辉岩、片麻岩等坚硬地层中钻进回次进尺、机械钻速及钻头平均寿命。

坚硬致密弱研磨性地层孕镶金刚石钻头性能优化

基于金刚石钻头在坚硬致密弱研磨性地层钻进时易出现进尺效率低的现象，将SiC磨粒作为胎体耐磨损性弱化颗粒添加至胎体中，采用室内钻进及正交试验设计法从金刚石粒度、金刚石浓度、胎体耐磨损性弱化颗粒浓度、胎体硬度4方面对钻头性能进行优化，并探讨了钻进工艺参数对钻进效率的影响。结果表明：将适当材质的胎体耐磨损性弱化颗粒添加至钻头胎体中，能够有效提高钻头的钻进效率，避免钻头打滑的现象；胎体硬度HRC25，金刚石粒度40/50目、金刚石体积分数55%，胎体弱化颗粒体积分数30%是本次试验最优的设计方案；在相同主轴转速条件下，轴向压力不宜超过3.5MPa，在相同轴向压力的条件下，其主轴转速以750~850r/min为宜。