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。

基于物质点强度折减法的二维均质c-φ边坡稳定性分析图表

安全系数是判断边坡稳定性最常用的指标。应用传统极限平衡法求解边坡安全系数时,没有考虑土体内部的应力-应变关系,不能准确、真实地描述边坡土体破坏时的应力场、位移场及塑性区的发展情况。而应用有限元法虽然可以解决上述问题,但在计算过程中,会因网格畸变导致计算不收敛,造成求解困难。为此,本文基于物质点强度折减法,建立了安全系数无量纲参数F/tanφ与土体无量纲参数λ之间的关系,并绘制了求解均质边坡安全系数的稳定性图表。该方法无需任何迭代过程即可快速、方便地确定边坡安全系数。以文献中常见的4个典型边坡算例为例,将本文计算结果与文献中其他边坡稳定性图表进行对比,验证本文方法的准确性。结果表明,用本文研制的边坡安全系数分析图表计算获得的边坡安全系数与其他方法获得的安全系数计算结果相接近,吻合较好,证明该方法是一种有效且保守的估计边坡安全系数的计算方法,为快速评估边坡安全系数提供了一种新的途径。

智能钻井装备与技术研究进展

针对海陆两相复杂油气资源的开发利用,以及在复杂地质条件下,钻井工程遇到的一些非均质性、不确定性难题,迫切需要借助人工智能、大数据、机器学习等高端信息科学技术,为智能钻井技术与装备的发展带来了契机。阐述了智能钻井系统及其基本组成,主要包含现场地面智能控制平台、数据测量通信控制网络系统、井下智能导向钻井系统以及远程实时智能控制中心系统。系统总结了国内外智能化钻井装备的发展现状,包括智能钻机、智能钻杆、智能钻头、智能钻探分析平台,提出了智能导向钻进技术、智能取心技术、智能钻井液技术、微小井眼钻井技术、无人化钻探的智能化发展潜力。在新一轮的能源革命与工业变革的背景下,钻井技术装备与新兴信息技术的加速融合,将促进钻井技术装备向更加智能化、无人化的方向发展,实现钻井作业全流程自动化。智能化钻井装备与技术的应用,能够提升钻探效率和安全性,降低对环境的影响。与此同时,全面推进智能钻井技术装备及配套软件创新与迭代优化,加快高端智能化平台建设,不断提高其对勘探开发的支撑保障能力。本文的系统论述,以期能给中国智能化地质钻探的科研攻关和技术发展提供一定的参考与启发。

基于欧拉双流体模型的微小井眼环空岩屑运移数值模拟研究

为了探究微小井眼环空内岩屑运移规律,基于欧拉双流体模型,采用计算流体动力学(CFD)数值模拟方法建立井眼环空固液两相流模型,研究岩屑运移过程中的岩屑特征、操作参数和井筒环境变化对岩屑运移规律的影响,分析钻杆振荡频率和振荡幅度对岩屑运移的效果。研究结果表明:岩屑在环空运移的过程中,当机械钻速(ROP)、岩屑特征和井筒环境保持不变时,增加液相在环空的初始速度能增大流体对颗粒的作用力,进而达到提高携岩效率的目的;在微小井眼钻井工况下,单个岩屑颗粒所受重力和颗粒碰撞造成的能量损失协同影响岩屑运移过程,粒径为1.5 mm的岩屑最难被运移出环空;机械钻速增加虽会使岩屑初始速度有所提升,但同时也会使环空内堆积的岩屑数量增多;随着偏心度增加,岩屑固定床占比升高,运移效率显著降低;倾斜井段携岩效率明显比水平井段和垂直井段的低,且当井斜角为60°时管内岩屑体积分数最高;相比于无振荡工况,钻杆振荡能对钻杆附近岩屑起到扰动作用,使岩屑床高度降低,在流速为1 m/s、振荡频率为15 Hz、振荡幅度为9 mm的工况下钻井液携岩效果最佳。

近景摄影测量技术在非开挖岩体裂隙发育特征研究中的应用

岩体裂隙结构的准确获取分析对于生态脆弱区非开挖钻遇岩体的稳定性分析有重要意义。本文基于近景摄影测量技术,通过PhotoModeler Scanner软件对多方位岩体图像特征点畸变处理、杂点剔除,实现密集点云三维信息准确提取,进而建立三角网格、依据三角网建立密集曲面,最后通过数据的可视化对曲面进行渲染,实现岩体的三维建模。建立的三维模型裂隙形态与原裂隙趋于一致,可实现对于裂隙长度、平均宽度、面积等参数的无损拾取与观察,将获取裂隙信息进行对比,结果与直观反映的岩体裂隙发育程度一致。

FDMS工艺制备金刚石工具技术浅析

近些年,熔融沉积成形烧结(fused deposition modeling sintering,FDMS)技术迅猛发展,由于其具有能耗低、打印稳定性高、成形设备价格低廉和操作简单等优点,在金刚石工具的制造中具有巨大的发展潜力。对FDMS工艺制备金刚石工具的技术可行性进行了分析,系统论述了FDMS技术的制备工艺流程、打印参数优选以及打印设备优化设计等内容,列举了FDMS制造金刚石超薄片的研究成果,指出了FDMS技术在制造金刚石工具中的关键问题,并对其发展进行了展望。

3D打印金刚石复合片及其钻头的研究进展

PDC钻头已成为油气勘探领域的首选钻头类型,日益提升的PDC钻头性能要求特别是钻进效率要求给钻头制造带来较大挑战。钻头工作面结构改进是PDC钻头实现高效破岩的关键,但这给PDC钻头制造带来难题。3D打印技术是一种新型的快速成形技术,具有制造任意复杂形状结构、个性化定制和创意设计的优点,将3D打印工艺应用于PDC及其钻头的生产是未来发展的必然趋势。本文中介绍了目前用于制备PDC及其钻头的3D打印技术的基本原理,包括光固化成形技术(SLA)、熔融沉积技术(FDM)、激光选区烧结(SLS)、激光选区熔化技术(SLM)和喷墨粘粉式(3DP)等;总结了现有3D打印技术在PDC及其钻头制造方面的研究进展,并对未来3D打印PDC钻头的发展进行了展望。

陶瓷材料的DIW工艺在陶瓷基金刚石工具中应用的关键技术问题

浆料的直写成形技术(DIW)是一种基于浆料挤出的3D打印技术,其具有能耗低、成本低、打印速度快、无结构设计限制等优点。在概述DIW技术应用于陶瓷基金刚石工具优势的基础上,对其应用过程中的原料选择、浆料制备、打印适性及脱脂、烧结工艺等关键步骤进行探讨,并指出在浆料制备环节中需要重点关注的粉体团聚问题。同时,分析一些DIW制造工艺的研究实例。最后,指出DIW工艺制造陶瓷基金刚石工具应解决的关键问题。

金刚石工具胎体预合金粉末制取与应用

预合金粉末是采用多种金属熔炼成低熔点合金后再喷制成的粉末,其制取可以用雾化法和湿法冶金等工艺生产。文中介绍了气体雾化法预合金粉末的工艺过程;描述了湿法冶金制取预合金粉末的工艺流程。分析了预合金粉末胎体金刚石工具的优点,说明了国外预合金粉末技术现状和发展趋势,剖析了国内预合金粉末及工具的研究情况,探讨了金刚石地质钻头胎体用预合金粉末的制取和实际应用情况,研究了切割花岗岩的预合金粉末胎体金刚石锯片。

3D打印技术在金刚石工具制造中的应用探讨

3D打印技术是一种处于科技前沿的新型智能制造技术,将其应用于金刚石工具制造是一种新的尝试。3D打印技术具有传统工艺无可比拟的优势,如成品整体性强、精密度高、操作简便、可完成复杂形状的产品制造等,极大地帮助与补充了金刚石工具的制造方法。3D打印技术能够制作使用其他常规方法难以完成的超薄、微型或异型金刚石工具。但是,3D打印技术也存在一些问题,如可用的金刚石粉末种类不足,金刚石的碳化、粒度、浓度等问题,需随3D打印技术的发展而逐步解决。

金刚石有序排列对锯片性能的影响

排布方式合理的有序排列金刚石锯片能明显提高锋利性,增加寿命。试验采用2片无序排列锯片和4片有序排列锯片切割混凝土,不同排布方式的锯片切割性能有很大的差异。介绍了有序排列锯片制作的工艺流程,并且从理论上分析了排布参数对切割性能的影响,提出横向间距和纵向间距是有序排列方式设计中最重要的两个参数。

干切花岗岩的金刚石小锯片试验研究

采用三种预合金粉末HF1、HF2、HF3混合作为锯片胎体材料,共设计了8种不同配方的金刚石小锯片进行干切花岗岩的试验,实现了金刚石小锯片在工作层高度范围内从开始到寿命结束全过程干切花岗岩。本文探讨了几种预合金胎体中金刚石参数设计的合理范围,分析了预合金粉末胎体对于干式切割锯片的作用。研究发现,铁基、铜基预合金胎体对金刚石能产生一定的冶金结合,能够提高胎体对金刚石的把持能力,使锯片在干切过程中,金刚石能够正常有效地刻取岩石。并对同一锯片做了干湿切对比,结果表明对于小尺寸金刚石锯片,干切的寿命明显高于湿切寿命,提高了锯片的利用价值。

钻头钻速与金刚石粒度间的定量关系研究

根据孕镶金刚石钻头钻进时的排粉要求 ,对钻头的金刚石粒度与钻头钻速之间的关系进行了理论分析与计算 ,得出了它们间的量化公式 ,列出了可作为钻头设计的参数数据实例 ,这些数据可用来指导钻头生产。

金刚石锯片锋利性试验研究

通过室内锯切试验,对三种不同粒度、浓度的金刚石锯片在切割大理石时的锋利性能进行了比较,列出了锯切得到的数据结果;并通过理论计算与分析得出结论:当金刚石粒径不变时,适当减少金刚石浓度,锯片锋利性得到提高;当金刚石浓度不变时,适当增大金刚石粒度,锯片锋利性也能得到提高。同时,推导出了锯片金刚石参数设计中必须遵循的相邻两颗金刚石之间的最大间距原则。

PDC钻头出露量和线速度对复合片磨损规律的影响

针对如何减小复合片钻头在钻进岩层时复合片的磨损,在理论分析的基础上,利用复合片在立车车床上磨削岩样的方法模拟PDC钻头切削岩石,据PDC钻头的出露量和线速度对复合片磨损规律的影响进行研究。根据有关磨损理论,提出以复合片的绝对磨损作为切削具磨损的衡量指标。实验设定5组不同的出露量以及5组不同线速度,并在正压力和摩擦路程不变的情况下,分别测得复合片的体积磨耗。研究结果表明:不同斜镶角的切削齿都存在一个与之对应的最佳出露量,如斜镶角为15°的复合片钻头,其切削齿的最佳出露量为2 mm,出露量太大或太小都会使复合片体积磨耗增大;其次,复合片的体积磨耗在钻进时与线速度呈正比。

复合片斜镶角对钻头钻进性能的影响

为提高复合片钻头的钻进性能,利用车削实验模拟不同斜镶角的复合片钻头在钻进时与岩石的相互作用,研究复合片斜镶角对钻头钻进性能的影响。实验设定了5组不同的斜镶角,在正压力和摩擦路程不变的条件下,分别测得复合片的体积磨耗,并从力学角度以及有限元分析两方面对复合片斜镶角影响钻头钻进性能的原理进行了分析论证。结果表明,在相同力的作用下,随着斜镶角的减小,一方面复合片切削刃各相同位置的应力增大,另一方面复合片的体积磨耗增大,钻头使用寿命减短。可见,复合片切削齿的斜镶角存在一个最优值。

提高胎体式PDC钻头保径性能的研究

为了改善胎体式复合片钻头所存在的保径结构设计方案无地层针对性、保径效果不稳定等问题,本文设计了8只以4种方式进行保径的PDC钻头,对钻头保径性能进行了现场实验,结合实验结果,对混目金刚石提高钻头保径效果的机理进行了分析。实验结果表明,采用浓度15%的20/25目粗颗粒金刚石和10%的50/60目细颗粒金刚石作保径材料的胎体式PDC钻头,其在复杂地层中钻进时的胎体耐磨性能优于采用方型金刚石聚晶保径的PDC钻头,且在一定程度上提高了钻进时效。

金刚石钻头参数设计规律

提出了用岩石对钻头金刚石的研磨能力大小(A值)和岩石对钻头胎体的研磨能力大小(B值)来表示岩石可钻性的方法,研究了金刚石锯片切割对比法测定A值的方法,岩石B值是岩石的胶结程度、矿物粒度、矿物成分等因素的综合反映。采用金刚石新陈代谢速度u来表示钻头性能,钻头性能与A,B值及作用在钻头唇面上压力p、钻头线速度υ之间的量化关系为u=AwBxpyυz。确定了钻头的设计程序:根据A和B值,p和υ来确定金刚石新陈代谢速度,选定钻头的5个主要参数即金刚石质量、粒度和体积分数及胎体耐磨性、包镶强度。研究结果表明:采用A和B值可表示岩石可钻性;通过测定A和B值,可较准确地量化出岩石的可钻性;u由岩石A,B值及p和υ来确定;根据u值设计和选定钻头的5个参数;提高u可以提高钻头时效,降低u可以延长钻头寿命。

钻头配方设计神经网络专家系统

利用人工神经网络中的ＢＰ算法，设计的金刚石钻头配方神经网络专家系统具有知识规则较少、界面友好等特点，用于开发钻头配方设计是可行的。实践中经与相同设计条件的钻头相比，其使用效率和寿命均有所提高。

金刚石工具预合金胎体粉末制备技术

讨论了预合金胎体粉末的优点 ,研究了预合胎体粉末的制备技术 ,列举了预合金胎体金刚石工具的应用效果。