仿生金刚石钻头非光滑表面优化研究

对仿生单元的直径和排列方式进行研究,探求合理的非光滑表面形态。通过加工四个仿生试样并进行磨耗比测试,实验结果显示:仿生试样B2和B3明显高于B1和B4,其中B3仿生试样最高,比B2高出2%,由此可知,最佳的仿生单元直径为2.0mm;然后加工小口径仿生金刚石钻头,将数个2.0mm仿生单元材料均匀排布于钻头底唇面上,并进行钻进试验,结果显示:仿生单元在合理范围内排布时,仿生金刚石钻头具有较高的钻进效率和较长的使用寿命,否则其性能并不比普通钻头优越。由实验可知,仿生单元均匀排布时,径向角度为24°和30°的仿生单元排布方式比较合理,明显提高了仿生金刚石钻头性能。

仿生耦合孕镶金刚石钻头底唇面非光滑形态的优化

基于仿生耦合理论研制的仿生耦合孕镶金刚石钻头,在工作过程中,仿生单元的提前磨损,会在其底唇面上形成一定的非光滑表面形态,因此其具有钻进效率高和使用寿命长的优点。探讨了仿生单元的同心圆排列方式,即通过改变仿生单元之间的径向和周向距离,来形成一系列非光滑表面形态,然后加工相应的仿生耦合钻头,并进行室内钻进实验,结果表明,径向距离为1.5d(d为仿生单元直径)、周向距离为3.0d和径向距离为2.0d、周向距离为3.5d两种排列方式更能体现仿生耦合钻头高效率、长寿命的优点,相对普通钻头,其效率和寿命分别提高16%、100%和15%、125%。为以后仿生钻头的设计提供了重要依据。

仿生孕镶金刚石钻头在漠河冻土区天然气水合物勘探钻进中的应用

仿生孕镶金刚石钻头具有高效、耐磨的特点,符合漠河天然气水合物勘探的要求及漠河钻探施工现场的条件。介绍了符合漠河地层特点的仿生孕镶金刚石钻头的设计与制造。同时对效果不理想的钻头的钻进情况进行了分析,提出了评价钻头性能时需要综合分析,从而客观、真实地反映钻头的实际钻进能力。漠河天然气水合物MK-2科学钻探试验井的钻进结果表明,仿生孕镶金刚石钻头的寿命比普通孕镶金刚石钻头长73%,钻速比普通孕镶金刚石钻头高22%。

仿生非光滑理论在钻井工程中的应用与前景

仿生学是一门可与很多学科交叉的边缘性学科,同样与钻井工程技术的融合也将产生创新性成果。在分析仿生非光滑表面减阻、防黏和耐磨特性的基础上,将该理论引入到钻头设计中,研制仿生金刚石钻头。以蜣螂为仿生原形,设计孕镶金刚石钻头的工作层,使工作层底唇面始终具有相同的非光滑形态,始终保持高钻速和长寿命,突显出仿生金刚石钻头的高效率、耐磨和减阻特点。试验结果表明,仿生钻头较普通钻头钻速提高44%、使用寿命增加74%。此外,仿生非光滑表面结构所具有的各种特性可用于改善钻井工程中相对运动的摩擦或滑动部件的使用寿命和工作环境,如可提高钻头、钻杆接头、泥浆泵活塞和缸套的耐磨性,解决钻头泥包问题,减少螺旋钻具和冲击挤密矛头阻力等,应用前景广阔。

Design of a new bionic diamond bit and its experimental study

Bionics was applied in the design of the impregnated diamond bit. Based on previous resehrch and the 63# bit matrix formula, a new non-smooth bionic impregnated diamond bit with a single circular ring was designed and manufactured, and also tested indoor. The results were satisfactory. During its shape contacted surface system, non-smooth shape display some structure merits such as decreasing resistance. It was obvious that the drilling efficiency of the bionics bit is much higher than that of ordinary＇s one, and so does the working life of bionic bit.