Shengli Diamond Bits

ＳｈｅｎｇｌｉＤｉａｍｏｎｄＢｉｔｓＹａｎｇＹｕｋｕｎ（ＶｉｃｅＤｉｒｅｃｔｅｒ，ＴｏｏｌｓＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＤｒｉｌｌｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＳｈｅｎｇｌｉＰｅｔｒｏｌｅｕｍＡｄｍｉｎｓｔｒａｔｉｏｎ）Ｈａ...

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。

深海海底钻机海底天然气水合物钻进取芯建模与分析

针对深海海底钻机金刚石钻头在钻进海底天然气水合物过程中有明显弹塑性变形的特点,基于Hertz接触修正理论,提出了一种适用于深海海底钻机天然气水合物钻进取芯的建模方法。首先,分析钻进过程中海底天然气水合物从弹性变形到弹塑性变形破岩机理,求得金刚石钻头在钻进过程中单颗粒金刚石受到的钻进压力和切削力;其次,根据单颗粒金刚石受力情况,得到整个钻头上钻压和扭矩与钻进参数的理论关系,从而建立金刚石取芯钻头力学模型;最后,分析得到在钻进海底天然气水合物时海底天然气水合物的饱和度与扭矩和钻压的关系曲线。以该方法进行海上试验,成功获取了海底天然气水合物样品,验证了该方法的可行性。该研究成果可为深海取芯钻机钻头参数的设计和高效率钻进取芯提供理论依据。

基于有限元分析的组合式金刚石钻头磨损规律与设计研究

在能源勘探与开发过程中,除了取心钻进方式之外,全面(不取心)钻进也占有较大比例。不取心钻进可以减少提钻取心所消耗的大量提下钻时间,进而增加纯钻时间、提高钻进效率和降低钻进成本。传统不取心钻头在钻探过程中容易出现钻头唇面不均衡磨损的现象,为查明和改善这种不均衡磨损规律,提出采用组合式不取心钻头改善钻头偏磨现象。首先采用数值模拟方法对一二级组合不取心孕镶金刚石钻头进行了钻进花岗岩的数值模拟分析,模拟结果显示,由钻头外缘到中心,应力值由大逐渐变小,磨损量与之相对应。在靠近水口处的钻头外缘,胎体应力值和磨损量最大,最大应力为282.14 MPa,最大磨损深度为1.1×10~(-5)mm。而在靠近钻头中心处,钻头胎体应力和磨损量值最小,分别为0.002 MPa和1.3×10~(-6)mm。在钻头唇面半径为55 mm处,钻头磨损速度出现拐点。根据数值模拟结果,设计了二级组合式不取心钻头,由外环钻头、中心钻头和相应的水路系统组成,其中外环钻头规格为?95/48 mm,中心钻头规格为?46/16 mm,水路系统由中心孔、4条主水路、4条副水路和环状间隙水路组成。以常钻遇的可钻性为7~8级岩石为基础,对钻头胎体配方、金刚石参数和烧结工艺进行了设计,提高外环钻头胎体耐磨性、金刚石浓度、小粒径金刚石比例,同时增大烧结温度和提高烧结压力,以降低外钻头磨损量,保证钻头内外磨损一致。采用所设计的二级组合式不取心钻头结构,试制了?75/16 mm不取心钻头,并在可钻等级为8级的花岗岩上进行了室内钻进试验,试验结果表明,钻头磨损均匀,钻进时效约1.84 m/h,胎体消耗高度约1 mm,能满足硬岩全面钻进的需要。本研究为不取心孕镶金刚石钻头设计、研制和施工提供了借鉴。

千米级水平孔施工技术在绿色勘查钻探中的应用

高原山区铁路建设沿线地形起伏度大、生态脆弱、地质构造复杂、断裂活动频繁,平均海拔3000m以上(张永双等,2022、2021)。布设多条长大埋深隧道,更有长达42 km,埋深在2000 m以上。在隧道顶部布设众多深度超过2000 m的工程勘探垂直孔,实施难度极大。为了克服海拔高、地形陡、减少搬迁,保护生态等困难,采用水平孔钻进技术.

长距离水平定向孔取芯技术应用——以天山胜利隧道水平定向孔地质勘察为例

为在长距离大埋深隧道工程施工前更全面地掌握隧道全断面地质信息,借鉴垂直钻井取芯经验,结合水平取芯特点,研制TK-SQ215大直径水平孔取芯钻具,制定特殊的取芯工艺,完成隧道工程1 900 m长距离水平孔取芯作业,取芯进尺2.31 m,采获岩芯2.2 m,岩芯采取率为95%。结果表明:采用长距离水平孔取芯技术通过布设1个水平孔即可获取沿隧道走向的全断面地质信息,改变了传统隧道工程前期勘察采用的垂直、多井施工方式,探索出了一套从下钻到取芯再到提钻的全流程水平取芯工艺。

辽宁丹东3000 m科学深钻施工技术

辽宁丹东3000 m科学深钻项目是国家重点研发计划“辽东/胶东矿集区深部矿产勘查与增储示范”项目下设子课题的核心任务工程。本文介绍了辽宁丹东3000 m科学深钻的施工概况及其应用的多项关键技术。通过采用HXY-8VB改进型变频立轴钻机、加长钻具配套防堵内管及快速打捞矛等新机具,开展高效金刚石取心钻头研究及应用,进行深部地质钻探钻进过程流式大数据分析与动态预处理系统的应用,优质高效的完成了全部钻探施工任务,创造了辽东地区非煤固体矿产勘查第一深孔纪录。为验证该地区成矿条件,评价区域3000 m以浅金资源潜力提供了有力支撑,同时,也为特深孔钻探施工提供了技术借鉴。

深层保压密闭取心技术在徐深12井的应用

保压取心技术是一项能够保持或接近地层压力的取心技术,采用保压取心工具和密闭液,通过在井底实现外筒的差动,关闭内筒的球阀,将岩心密封在内筒中,并通过压力补偿装置,保证取心过程中岩心中油气水不散失,从而取得具有原始地层压力的岩心,对取全取准地层资料具有重要意义。2006年研制出一种适合于大庆深层的BYM-Ⅲ型保压取心工具,并在徐深12井深层成功应用。针对深层火山岩地层特点,采用孕镶金刚石取心钻头、优选球阀总成材质、增设球阀关闭保护机构、改进密封材料及形式、采用抗高温密闭液、改进充压工艺,采用液氮冷冻技术,优选钻进参数等技术措施,成功完成了1筒保压取心施工,对正确认识该区块地质情况、计算含气储量、制定合理的开发方案等提供了大量的基础资料和解释依据。

地质钻探技术与应用研究

钻探技术是取得地下实物资料、验证地下信息推断与解释、最终圈定矿体、计算储量、评估品位唯一的技术手段,是实现取得宏观影响大成果的重要技术支撑。我国钻探技术和装备水平与国外先进国家相比有很大的差距,但近些年来有了长足的发展。通过国家重大科学工程项目"中国大陆科学钻探工程"5158m"科钻一井"的实施,取得了一系列钻探技术成果,形成了一整套新型的、具有国际先进水平的硬岩深井科学钻探技术体系,包括硬岩深井取心钻进技术、扩孔钻进技术、泥浆技术和井斜控制技术。在国家科技计划项目、国土资源部科技项目以及地质大调查专项项目等的支持下,通过地质钻探技术的研究和应用,在绳索取心钻探技术、液动潜孔锤钻探技术、反循环钻探技术、组合钻探工艺、定向对接井技术、新型节水钻探工艺、系列全液压岩心钻机、全液压动力头水文水井钻机、地质调查浅层取心取样钻探装备与技术、系列新型金刚石钻头以及新型冲洗液技术等方面取得了长足的进步,为我国地质调查和矿产资源勘查提供了现代化的钻探技术和装备。

提高碳酸盐岩破碎地层取心收获率技术

在碳酸盐岩储层古潜山风化岩溶型储层,发育多重岩溶缝洞系统、非均质性较强,采用常规取心技术难获得理想的岩心收获率。文中总结分析破碎碳酸盐岩取心技术难题并结合碳酸盐岩地层取心经验,形成了一套适应性强的破碎碳酸盐岩地层取心技术,并在一些破碎碳酸盐岩地层取心推广应用上获得了良好效果。

薄壁金刚石钻头的研制

通过对在钢筋混疑土、花岗岩等建筑物上钻孔特点的分析，本文设计了一种新型的取芯式薄壁金钢石钻头。与目前使用的人工凿孔与电锤汀孔方法相比，采用这种薄壁金钢石钻头，不仅能顺利切割钢筋混凝土、花岗岩等所有建筑材料，而且钻孔尺寸精确、表面光洁度高，对墙体不产生冲击危害；钻进施工时无粉尘与噪音，对环境不产业污染；对钻机功率与加压能力要求不高，便于钻机小型化。

深部钻探绳索取心孕镶金刚石钻头的关键技术

本文探讨了深部绳索取心钻探钻头的工作特征,在量化分析钻头寿命对钻探效率影响的基础上,集成研究了提高深孔钻头寿命的一些措施,包括提高工作层高度、加强保径、提高保径规的高度、采用金刚石有序排布技术、聚晶与工作层复合技术、粉末石墨装料技术以及采用合理钻进工艺参数等。所获得的结论对提高孕镶绳索取心钻头的效率和使用寿命有积极作用。

科钻一井取心钻进技术研究

根据科学钻探对岩心的特殊要求,认为金刚石取心钻头是科学深钻取心钻进较理想的选择。推导了提钻取心和绳索取心两种钻进方法的时间和成本计算公式,进而建立了临界井深计算模型。以设计井深5000 m的科钻一井为例,对提钻取心和绳索取心进行了技术经济分析,认为科钻一井的首选为绳索取心钻进方法,但如能将回次长度提高到9 m左右,提钻取心钻进方法也不失为一种经济实用的选择。对科钻一井采用的井底马达驱动金刚石钻头冲击回转取心钻进方法的钻具组合、钻进参数和使用效果进行了详细介绍。

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。

金刚石钻头激光焊接系统的自动控制研究

采用Festo气动机械手、传感器元件及松下伺服电机，开发了一种新型金刚石钻头激光焊接自动控制系统。探讨了系统的软硬件设计方案及控制算法，解决了精确定位、位置检测、自动控制与程序稳定性等关键技术。所研制的系统适用于直径为20～300mm各种钻头的焊接，无需专用夹具，为薄壁金刚石钻头的系列化生产提供了新装备。

薄壁金刚石工程钻头激光焊接技术及装备

深入探讨了薄壁金刚石工程钻头激光焊接的技术及装备发展现状及趋势。针对金刚石钻头结构特点和焊接工艺特点,综合分析了德国Dr．Fritsch公司、韩国Diex公司及华中科技大学激光加工国家工程研究中心研制生产的三种激光焊接装备的结构,包括基体、刀头的传送、夹紧、焊接方式。总结了目前国际上广泛采用的板条、轴快流、横流CO_2激光器的特点及其成套系统的匹配性。

薄壁金刚石工程钻头自动激光焊接系统的研制

激光焊接是金刚石工具领域的重要创新发展方向。本文针对薄壁金刚石钻头规格多、精度要求高以及可焊性差等特点，研制开发了薄壁金刚石工程钻头激光自动焊接系统；此系统由激光器、光路系统、钻头焊接机床和控制系统组成；采用稳定三折激光腔技术、三工位分时导光系统、三爪自定心卡盘、Festo机械手和西门子PLC，解决了高激光光束质量、钻头基体装夹与定位、刀头传送、刀头抓取与定位、自动控制系统等关键技术。结果表明：此焊接系统光束质量好，性能稳定、可靠；可以焊接直径Ф25-Ф50mm，长度小于500mm的薄壁金刚石钻头，焊接速度0．5-1．5m／min，激光功率1000—1500W，效率20—60个／h；薄壁金刚石钻头的焊接精度高，焊缝质量好，达到MPA标准。

基于低银钎料的金刚石薄壁钻钎焊工艺研究

根据Ag、Cu、Zn、Cd、Ni、Co、Mn等元素在钎料中的作用和特点,通过分析和选择,研发了一种新型钎料,并对其熔点、强度以及钎焊工艺进行了研究。结果表明:新开发的低银钎料ZB-1中的表面活性元素能显著降低液态钎料的表面张力,细化合金晶粒,延缓钎焊过程中钎料的氧化,在改善钎料润湿性的同时净化钎缝晶界,从而提高钎缝的抗拉强度,使其工艺性接近中高银钎料,可满足金刚石薄壁钻的使用要求。ZB-1钎焊时主要工艺参数为:钎焊温度为760～780℃,保温时间为20～25 s,适当的加热和冷却速率,钎焊后将工件放入200℃的炉中随炉冷却,可降低焊接应力。

2000m地质岩心钻探关键技术与装备

经过4年的攻关,国家"863"计划重点项目"2000 m地质岩心钻探关键技术与装备"研制取得了多项创新成果,主要包括:完成了地面钻探设备及孔内钻探取心器具集成配套,形成了深部岩心钻探施工和示范能力;完成了山东金青顶矿区危矿专项ZK43-1钻孔施工,终孔深度2212.80 m。全孔平均钻进时效为1.65 m,岩心采取率为98.6%,钻孔质量优良;创造了3项钻深和套管下入深度全国记录;在大项目运作机制、产学研合作模式及钻探技术示范方式等方面积累了一些经验。详细介绍了项目的研制情况及取得的主要成果。

破碎松软地层取心钻头孔底流场数值模拟及应用

复杂地层取心和孔壁稳定一直是困扰地质钻探界的2大技术难题。以汶川地震科钻为例,5个钻孔都在断裂带上,地层极破碎、松软。针对部分孔段取心率低问题,设计一种新型阶梯式隔水底喷取心钻头,利用CFD技术对钻头孔底流场进行数值分析,优化钻头排水槽结构、泥浆性能和水力参数,寻找一种最佳组合,为提高岩心采取率、预防堵心,提高孔壁的稳定性奠定基础。