适用于栅格状孕镶金刚石钻头的胎体配方研究

为了提高钻进坚硬岩层的工作效率,将孕镶金刚石钻头胎体结构设计为栅格状,分析了栅格状孕镶金刚石钻头钻进岩层时的碎岩方式,并采用粉末冶金法制备Inconel 718和Co Cr Mo试样,通过分析不同烧结温度对两种胎体试样的硬度、耐磨性及抗弯强度的影响,确定了两种材料的最优烧结参数,并对其在该烧结温度下的力学性能进行对比分析。研究结果表明:Inconel 718和Co Cr Mo均具有较好的抗弯强度,满足钻进坚硬岩层对胎体抗弯强度的要求。Inconel 718的硬度比传统WC基胎体材料小,试样磨损量较大,适合用于地质灾害应急勘查等要求钻进速度快的极端情况;Co Cr Mo的硬度及耐磨性与传统WC基胎体接近,适合作为孕镶金刚石钻头的胎体材料。

新型3D打印栅格状孕镶金刚石钻头胎体材料研究

为了提高坚硬岩层的钻进效率,将孕镶金刚石钻头的胎体结构设计为栅格状,并对其基本参数进行了理论分析。采用粉末冶金法制备Inconel 718和CoCrMo合金试样,通过分析烧结温度对2种胎体试样的硬度、耐磨性和抗弯强度的影响,确定了2种材料的最优烧结参数并对其在最佳烧结温度下力学性能与传统的WC基复合材料的力学性能进行对比分析。

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。

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。

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。

人造金刚石孕镶钻头唇面状态与钻进的关系

本文以金刚石在孕镶钻头中均匀分布为基础,从理论上推导出唇面径向不同位置的金刚石切深、受力。结果表明,在正常钻进情况下,金刚石切深约为其出刃的1/10,且距钻头中心越近,金刚石切深、受力越大;并由此解释了实钻较微钻钻进能力更强以及随着钻压（p）、每转进尺（h）的增大,碎岩效果,即单位钻压每转进尺（h/p）下降的现象。

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。

孕镶金刚石-针状合金复合式取心钻头的应用研究

采用普通硬质合金钻头、PDC钻头或普通孕镶金刚石钻头钻进卵砾石层,钻头磨损特别快,使用寿命短,时效低,钻探成本高。本文介绍的孕镶金刚石-针状合金复合式取心钻头综合了普通孕镶金刚石钻头与自磨式硬质合金钻头的特点,胎体具有较高的耐磨性和抗冲击韧性。钻头胎体中孕镶的针状合金除了增韧外,还起硬支点的作用。该钻头与普通硬质合金钻头、PDC钻头、普通孕镶金刚石钻头相比,具有较好的钻进性能,使用寿命长,在卵砾石层钻进能保持较高的机械钻速和回次进尺长度。

孕镶金刚石钻头及工具广谱性研究的现状及其发展

介绍了广谱性孕镶金刚石钻头及工具的现状,论述其研究意义、必要性及未来需要的支持性的研究工作。

配套井底动力钻具用金刚石全面钻头的研究与应用

针对油气勘探开发中钻遇的高抗压强度和高研磨性的难钻进地层,从配套不同井底动力钻具出发,开展了配套的孕镶金刚石钻头研究,并在不同区块的难钻进地层进行应用。通过钻头高强耐温胎体配方、结构、混合布齿、制造工艺的研究,研制的出新型孕镶金刚石全面钻头,在川东北元坝气田、松辽盆地、塔里木油田博孜区块等地区成功应用。该钻头的平均机械钻速最高可达3.49 m/h(配合涡轮钻具使用),较牙轮钻头提高50%~300%,平均寿命达到牙轮钻头的3~8倍,大幅度减少起下钻趟数,缩短了施工周期,降低了勘探成本。

栅格胎体孕镶金刚石钻头的破岩机理分析

从岩石宏观裂纹变化出发,研究孕镶金刚石钻头在钻进过程中由于岩体裂纹的影响而造成的断裂问题。运用岩石断裂力学理论,结合钻头实际工作条件,简化应力、水力及裂纹条件,建立了简化的岩石断裂等效模型,从理论上分析了一种新型栅格胎体孕镶金刚石钻头的破岩机理。研究结果表明:与常规的钻头相比,新型钻头的特殊栅格结构能有效提高钻压,比压由原来的68.03 kgf/cm^2增加到了113.33 kgf/cm^2,提高了将近67%,使钻头能更有效地压入岩体,产生破碎穴及裂纹;特殊的栅格结构有利于冲洗液的储存,改善了金刚石颗粒的冷却效果,从而以更加有利的拉裂破坏方式破碎岩石。

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。

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。

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。