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。

MoS2对热压Fe基金刚石钻头胎体性能的影响研究

金刚石钻头是勘探工作中的常见破岩工具,但金刚石热稳定性较差,在钻进过程中会不断产生热量,干旱缺水条件下钻头自冷却对钻进效率的提高具有非常重要的意义。为降低干钻条件下钻头胎体与岩石界面间的摩擦因数从而减少钻进过程中金刚石的热损伤,在热压Fe基金刚石钻头胎体中添加二硫化钼(MoS2),研究MoS2含量对Fe基钻头胎体相对密度、洛氏硬度、抗弯强度以及与白刚玉砂轮干磨时的磨损量和摩擦因数的影响,并用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)等测试仪器分析了抗弯强度和摩擦磨损试验后的试样断口和表面的形貌及物相成分。试验结果表明,在试验范围内,Fe基胎体相对密度与MoS2含量关系不大,但是与未添加MoS2的Fe基胎体相比,其相对密度提高了约2.5%,达98%以上。Fe基胎体洛氏硬度随着MoS2含量的增加先增大后减小,在MoS2体积分数为8%时胎体硬度最大,洛氏硬度HRB值达101.3。Fe基胎体抗弯强度随着MoS2含量的增加先增大后减小,在MoS2体积分数为2%时胎体抗弯强度最大,达1140 MPa。Fe基胎体磨损量随着MoS2含量的增加先减小后增大,在MoS2体积分数为4%时磨损量最小,为0.376 g。Fe基胎体与岩石界面间的摩擦因数则随着MoS2含量的增加而逐渐下降,在MoS2体积分数为10%时摩擦因数最小,为0.325。抗弯强度断裂试样断口形貌和物相分析表明,MoS2的加入降低了Fe基胎体显微组织的连续性。摩擦磨损试验后试样形貌分析表明,MoS2的加入降低了摩擦磨损过程中的粘着磨损和塑性变形。研究成果为减少干钻条件下金刚石磨损和热损伤,提高胎体耐磨性,延长钻头寿命奠定了理论基础。

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。

玄武岩纤维在钻探机具中的应用研究与展望

针对铝合金钻杆材料耐磨性差和耐腐蚀性差,以及坚硬地层钻进难等钻探难题,本文研究了玄武岩纤维对7075铝合金钻杆材料和WC基金刚石复合材料的性能影响,通过粉末冶金和热压烧结制备了铝基复合材料和胎体,并对其性能进行测试和研究。结果表明,玄武岩纤维/7075铝基复合材料的力学性能和耐腐蚀性能得到提升,玄武岩纤维的加入降低了胎体的磨耗比,提升了胎体的密实度、导热系数和金刚石把持力。本文还对玄武岩纤维在套管和油管领域的应用研究进行了总结和展望。

泥浆对钻头WC基胎体材料冲蚀磨损的试验研究

采用双喷嘴闭路循环试验装置,测试了钻头胎体材料在泥浆冲蚀作用下所产生的总质量损失TML和由纯机械冲刷作用所产生的质量损失E。通过计算得到了由腐蚀及机械冲刷与腐蚀相互作用所产生的质量损失C+S。结果表明,钻头胎体材料的冲蚀磨损不是纯由机械冲刷作用引起,而是由机械冲刷、腐蚀及他们的相互作用共同引起。因此,在有腐蚀性的泥浆中设计和选用PDC(金刚石复合片)钻头时,除了考虑胎体材料的抗冲刷磨损性能外,还应考虑钻头胎体材料的抗腐蚀性。

钻头优选的属性层次模型及应用

在属性测度的基础上 ,通过分析判断准则和属性判断矩阵 ,建立了属性层次模型。该模型将属性识别理论和层次分析方法结合在一起 ,是一种新的无结构决策方法。将该方法应用于钻头优选技术中 ,研究了属性层次模型进行钻头优选的步骤和层次结构。结合大庆油田深井的钻井实际 ,基于该油田深井钻井使用数据库 ,利用所建立的模型对大庆油田的深井钻头进行了优选 ,以尚志地区为例进行了实际分析 ,给出了该地区钻头优选方案。

利用声谱分析方法对岩石破碎过程的研究——俄罗斯钻探过程研究的新方向

介绍了俄罗斯采用声谱分析方法研究岩石破碎过程和钻探规程的情况和结果 ,讨论了岩石破碎与声波的关系 ,说明了钻进时如何测量声波 ,分析了孔底功率、碎岩声波和钻头胎体温度与钻探工况 (抛光、正常钻进、烧钻 )

用于超研磨性地层钻头的设计与实践

钻头在钻进超研磨性地层时,胎体的磨损非常严重。文章分析测试了这类地层的可钻性,具有针对性地采用加大胎体中金刚石浓度的方法来保护胎体,极大地延长了钻头的寿命。

大陆科学钻探孕镶金刚石钻头胎体配方的前期研究

在对普通孕镶金刚石钻头高温力学性能检测的基础上 ,实验研究了 6种WC(W )基和 6种Ni基配方胎体的高温力学性质 ,从而提出 2种可供研制大陆科学钻探深部高温孔段孕镶金刚石钻头胎体使用的配方方案。

地质勘探用金刚石钻头减振能力的分析研究

地质钻探中,钻头在轴载和扭矩作用下产生振动,钻头中产生正应力、剪切应力和位移,对钻进产生负面影响。如果形成共振,则对钻具和钻进过程产生破坏性影响。使用减振能力强的钻头胎体材料是减小钻头振动的有效方法之一。俄罗斯图拉地质勘探科学研究所对不同材料的减振能力进行了研究,认为线性尺寸为0.4 mm的BK6_M材料的减振能力比试验的其他材料好。使用粉料颗粒线性尺寸比为1.15~1.25,颗粒面积比为40∶1~48∶1的WC粉料和大颗粒莱立特硬合金粉料制成的钻头,在乌拉尔地区ГП-УС-30地质勘探队进行了生产试验,取得了很好的技术经济效果,钻头寿命提高了50%,金刚石单位消耗量降低了80%~90%。

基于SolidWorks仿真模拟基础上的深孔钻头结构设计研究(下)

根据激光焊接工艺的独特性,利用SolidWorks对深孔钻头钻齿结构进行初始建模,并根据SolidWorks自带的nSimulationXpress仿真模块加载失效模拟的应力分布情况分析结果进行结构设计优化,令其能在既定工况负载下保证不发生断齿失效的同时最大化的提升所设计深孔钻头的理论使用寿命。通过加载实验及力学推算完成了模拟优化结果的验证,证明了计算机模拟优化辅助设计在钻头设计中的可行性。进一步通过SolidWorks的nSimulationXpress仿真模块完成对钻头的胎体结构优化设计。

浅析中频热压烧结过程中影响金刚石钻头性能的因素

通过试验和分析 ,说明在中频热压烧结金刚石钻头过程中 ,钻头性能受各种因素综合影响 ,其主要因素是电磁场影响到胎体粉料和金刚石分布 ,模具配合间隙引起胎体的流失而导致金刚石浓度发生变化。文中分析了电磁场对钻头性能的影响与胎体中铁磁物质含量及金刚石浓度的关系 ,也分析了模具配合间隙对胎体流失而引起金刚石浓度变化的关系。在中频热压烧结 ,高铁磁质含量胎体和低金刚石浓度的前题下 ,采用新工艺制作钻头 ,金刚石分布得到改善 。

适合于研磨性硬地层的新型孕镶金刚石钻头优化设计试验研究

针对现有钻头在研磨性硬地层中普遍存在钻速低、寿命短的问题,研制了一种孕镶钻齿,通过室内试验优选胎体配方和金刚石参数,设计了一种新型孕镶金刚石钻头,并进行了现场应用。孕镶钻齿设计为圆柱形,以铸造碳化钨和碳化钨为胎体骨架材料,以浓度为25%、粒度为80目的天然金刚石颗粒为磨削元件,采用热压工艺烧结合成。新型孕镶金刚石钻头冠部形状设计为直线-圆弧-圆弧型双锥剖面,采用等间距高密度径向布齿,布齿间距为2 mm,采用横卧和竖立两种方式周向布齿。现场应用结果表明,新型孕镶金刚石钻头可提速79%左右,使用寿命是牙轮钻头寿命的2倍以上。

基于SolidWorks仿真模拟基础上的深孔钻头结构设计研究(上)

根据激光焊接工艺的独特性,利用SolidWorks对深孔钻头钻齿结构进行初始建模,并根据SolidWorks自带的nSimulationXpress仿真模块加载失效模拟的应力分布情况分析结果进行结构设计优化,令其能在既定工况负载下保证不发生断齿失效的同时最大化的提升所设计深孔钻头的理论使用寿命。通过加载实验及力学推算完成了模拟优化结果的验证,证明了计算机模拟优化辅助设计在钻头设计中的可行性。进一步通过SolidWorks的nSimulationXpress仿真模块完成对钻头的胎体结构优化设计。

关于金刚石钻头胎体硬度分布的试验研究

钻头胎体硬度是一项重要技术指标,应与所钻岩石的硬度(可钻性)和研磨性相适应。胎体硬度直接影响钻探技术经济指标的提高和钻进工艺参数的选择。试验研究表明,钻头胎体硬度分布很不均匀,差别很大。首先应从胎体烧结工艺上找原因,烧结压力偏小(5 MPa)可能是首要原因。钻头、工艺参数、操作技术等都很重要,缺一不可。钻进技术经济指标低,不一定都是钻头质量问题,要从多方面进行研究。提倡把经验打钻提高到科学打钻上来。

新型金刚石钻头的发展

介绍国内目前最先进的几种新型地质、石油金刚石钻头。对新型金刚石钻头的设计理念、制造工艺及特征进行简述,为金刚石钻头设计制造提供参考。

热压工艺参数对WC–Cu基胎体力学性能的影响

在深部钻探中,WC–Cu基金刚石钻头胎体被广泛使用。为了提高钻头使用性能,在同一胎体配方下,采用正交试验方案对热压参数进行设计,并烧制试样进行抗弯强度和显微硬度测试。通过方差和极差分析不同烧结温度(A)、烧结压力(B)、保温时间(C)、冷却方式(D)对金刚石钻头胎体力学性能的影响。试验结果表明:对纯胎体和含金刚石胎体抗弯强度影响的顺序为A>D>B>C;对胎体维氏硬度影响的顺序是A>C>B>D。本次正交试验中的最优理论烧结参数为A3B3C1D4,即烧结温度为960℃、烧结压力为16 MPa、保温时间为3 min、冷却方式为400℃保温炉冷。此时,与理论参数最接近的工艺试验结果为:纯胎体抗弯强度为983.33 MPa、硬度为437.40 HV,金刚石胎体试样抗弯强度为525.00 MPa。

铁铜类预合金粉末应用于热压金刚石钻头的试验研究

介绍铁铜类预合金粉末应用于金刚石钻头胎体中的试验研究,通过一些基础试验验证其可行性,并经过试制钻头进行钻进试验,证明加入FeCuNi、FeCuCo类预合金粉末的钻头综合性能得到很大提高,为预合金粉末应用于钻头胎体提供了借鉴。

高强度低成本石油钻头胎体配方的研究

文章以铁(Fe)为主体,以碳化钨(W2C)为辅助骨架,以铜(Cu)和镍(Ni)为粘结剂和浸渍合金,研制开发了三种高性能石油钻头胎体配方。首先依据胎体配方制备预合金粉末,然后测试胎体配方的抗弯强度和抗冲击韧性等性能,最后加入金刚石,试制钻头。实验结果表明,采用三种胎体配方所制备钻头的抗冲击韧性和抗弯强度都远高于行业标准的要求,表明钻头试制成功;新配方的成本比现用的胎体降低1/3左右。该项目研究在钻头制造中取得了突破性进展,提高了钻头在井内复杂环境下的工作能力,并降低了钻头成本。