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。

广谱性金刚石钻头国内外研究现状及发展趋势分析

随地球浅层资源消耗殆尽,资源勘探开发不断向深部进军,所遇地层条件愈加复杂,坚硬致密地层、强研磨性地层等复杂地层条件成为深部钻探的重大阻碍。金刚石钻头广泛应用于地质资源开发,因此对金刚石钻头综合性能要求也随之提高,然而现有的金刚石钻头只能适用于某一地层,需要经常更换,因此,研发地层适用性好、钻进效率高、钻头寿命长的广谱性金刚石钻头是克服深部钻探任务的重要内容。近年来,金刚石钻头发展迅速,在结构、品类与性能等方面都得到了较大提升,同时也存在一定提升空间。本文介绍了近年来广谱性金刚石钻头的研究现状与取得的重要进展,包括钻头结构及胎体性能方面的提升及应用,随后针对现有的广谱性金刚石钻头研究成果,提出了金刚石钻头的研究难题以及未来发展方向。通过本文对广谱性金刚石钻头的发展趋势总结,揭示了金刚石钻头制作技术和应用领域的新型研究方向,对我国油气勘探及矿产资源开发领域广谱性金刚石钻头研究有一定借鉴意义。

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。

仿生非光滑原理及其在金刚石钻头中的应用

仿生非光滑原理与孕镶金刚石钻头结合起来,并将生物非光滑表面的耐磨、减阻等特性引用到钻头的设计中,使钻头也具有这样的特性,研究一种新型的仿生孕镶金刚石钻头,以此来提高钻头的效率和寿命。通过Φ75 mm仿生钻头的野外钻进试验可知,仿生钻头的钻进效率较普通钻头至少提高10%,钻头寿命提高30%。该研究为提高深部地质钻探关键工具的性能提供了新的思路,具有一定的现实意义。

耐高温电镀镍锰合金胎体金刚石钻头的钻进性能研究

深部钻探的复杂钻进条件对孕镶金刚石钻头的性能提出了更高的要求。为了提高电镀金刚石钻头的使用范围,研究了MnCl_(2)和丁炔二醇乙氧基化合物(BEO)对镍基镀层表面形貌、显微硬度和热稳定性的影响,对比研究了300℃退火1 h后纯Ni金刚石钻头、Ni-Mn金刚石钻头和添加BEO的Ni-Mn金刚石钻头的钻进性能。结果表明,300℃退火1 h后的纯Ni镀层显微硬度下降到300 HV。以此镀层为胎体的金刚石钻头由于胎体耐磨性过低,导致金刚石过早脱落,钻头寿命只有2.94 m。Ni-Mn镀层和添加BEO的Ni-Mn镀层都具有良好的热稳定性,300℃退火1 h后硬度分别提高到640 HV和693 HV。Ni-Mn胎体电镀金刚石钻头在退火后兼有合适的钻进寿命和钻进效率,钻头寿命可以达到4.67 m。而添加BEO的Ni-Mn胎体金刚石钻头在本文试验中由于胎体硬度过高,导致金刚石无法正常出刃而失效。

国产金刚石钻头成功突破9900米,油气勘探行业迎来投资新机遇

中国石油行业取得进展,国产金刚石钻头攻克万米地层。随着我国油气勘探深入超深地层,国产金刚石钻头的研发制造为挖掘油气资源提供了关键支持。近日,首口万米科探井“深地塔科1井”已突破9900 m,即将钻穿油气盖层,这一进展标志着我国在超深井钻探技术上的重大突破,对于二级市场投资者而言,这不仅展示了我国在油气勘探领域的技术实力,也预示着未来油气资源开发潜力的释放。

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。

速度对金刚石钻头碎岩过程响应的影响

超高转速钻进技术打破了现有临界规程参数的界限,通过高转速、低钻压、低扭矩的钻进方式,实现高效破岩,为解决深部硬岩地层难以高效钻进的问题提供了切实的解决方法。根据现有的金刚石钻头破岩过程响应机制分析了超高转速钻进技术在该地层的高效钻进响应,确定了各参数对金刚石钻头钻进过程的影响。根据金刚石钻头破岩响应推导的结果,构建了金刚石钻头在岩石破坏领域中速度与破岩机制的关联。结果表明,超高转速钻进技术提高破岩效率的原因与碎岩机制转变有关,临界速度可能是主导破岩机制转化的关键因素。

电镀金刚石钻头电镀机理的探讨

着重阐述了电镀金刚石钻头中人造金刚石电镀包镶机理、电镀液主盐硫酸镍的选择及胎体镀层合金金属共沉积的形成机理与条件。

孕镶金刚石钻头钝化与锐化机制探讨

系统论述了孕镶金刚石钻头钝化和锐化的过程、机制、实质原因和条件，首次提出了暂时钝化和自行锐化的成层分布、趋平磨损、连锁反应和硬磨粒磨损等四方面机制，并将复杂的自行锐化条件归结为简明的锐化条件不等式δ≥δ＿０。

薄壁金刚石钻头感应加热机理探讨

分析了中频感应加热生产薄壁金刚石钻头的加热过程，依此提出了薄壁钻头的加热机理，为重新确定模具与感应圈的相对位置、模具设计以及设备选型提供了依据。

一种新型薄壁金刚石钻头的研制及应用

作者研制了一种用于石制工艺品等钻孔用的新型薄壁金刚石钻头，并着重分析了其“超前环”的设计原理和工作机理。应用结果表明，该新型钻头与普通钻头相比，整体性能明显提高。

高效率孕镶金刚石钻头的研制

分析了研制高效率孕镶金刚石钻头的意义，讨论了高效率对孕金刚石钻头的配方要求，设计了高效率孕镶金刚石钻头的配方参数，现场试验表明，研制的高效率孕镶金刚石钻头的使用效果比较理想。

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。

仿生孕镶金刚石钻头高效碎岩机理

将仿生学的非光滑原理应用到孕镶金刚石钻头的设计中，研制出新型的仿生孕镶金刚石钻头，比普通金刚石钻头钻进时效提高了30％～80％。仿生钻头破碎岩石后岩粉的颗粒比普通钻头破碎的岩粉颗粒大，可节省能量消耗，提高破碎效率；仿生非光滑表面使得钻头唇面的比压增加，有利于钻头的锐化，从而提高了时效；另外非光滑表面改善了钻头和岩石的冷却条件，因此提高了金刚石钻头的钻进效率。

电镀金刚石钻头钻削碳纤维复合材料研究

碳纤维复合材料钻孔加工时极易产生分层、毛刺、撕裂等缺陷,是典型的难加工材料。针对碳纤维复合材料特点,以电镀金刚石钻头为研究对象,从钻削轴向力、钻孔出口质量等方面分析电镀金刚石钻头钻孔特点,并与硬质合金麻花钻进行对比,得出结论:电镀金刚石钻头钻削碳纤维复合材料时钻削轴向力较小,钻削质量较好,更适合于碳纤维复合材料的加工;钻头转速提高有利于减小钻孔缺陷的产生,钻削轴向力随钻头转速的升高而降低,随钻头直径的增大而增大;最后,通过多元线形回归方法得出电镀金刚石钻头钻削力经验公式。

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。