自驱修孔钻头动力参数及钻齿结构研究

自驱修孔钻头是修复失效长钻孔的有效技术手段,为进一步提高修孔速度和瓦斯抽采效果,本文基于射流反冲理论,分析了射流反冲力与喷嘴参数的关系,构建了自驱修孔钻头旋转力学理论模型。采用LS-DYNA开展不同结构钻齿破煤过程,分析了不同钻进压力和扭矩作用下钻齿对煤体破坏形式和钻齿破煤体积变化规律,并开展了破煤实验验证数值模拟结果。形成了自驱修孔钻头参数确定方法,设计了自驱修孔钻头,并在郑煤集团超化煤矿22煤柱面底抽巷进行了工程实验。研究结果表明:(1)喷嘴张角α和偏心角β是决定钻进压力和扭矩分配的关键参数,通过调控张角和偏心角可实现钻进压力和扭矩的最优匹配。(2)相同钻进参数条件下,钻齿结构对破煤体积影响较大,阶梯钻齿破煤效果最优。在钻进压力为120N、扭矩0.6N·m时,阶梯型钻齿结构的修孔钻头能够实现钻进压力和扭矩最优匹配。(3)确定了最优修孔钻头结构参数为:钻头外径28 mm;后置喷嘴张角20°,偏心角90°;前置喷嘴张角90°,偏心角0°。(4)工程应用结果表明:瓦斯抽采纯量提高了1.96倍,瓦斯抽采体积分数提高了3.98倍,修孔速度提高了1.2倍。通过改进钻头动力参数及优化钻齿结构,设计的自驱修孔钻头在工程实践中达到了提高修孔速度和瓦斯抽采效果的目的。

钻装机扒装机构斗齿根与主刀板焊接强度分析

通过SYSWELD对扒装机构斗齿齿根与主刀板焊接部分进行残余应力分析,在保持统一的焊接参数下,采用ZG22CrMnMo代替ZG25CrMnMo制造斗齿,对仿真结果进行分析,得出ZG22CrMnMo焊接变形小。通过改变焊接电流、焊接电压,得到焊接仿真结果。采用ZG22CrMnMo作为钻装机扒装机构斗齿材料满足扒装机构工作强度,在焊接电流200 A、电弧电压24 V时,焊接件的内部残余应力最小,对扒装机构的影响最小,可以增加扒装机构铲斗的使用寿命。

潜孔冲击器钎头合金齿装配过盈量分析

潜孔冲击器钻进效率高成孔质量好广泛应用于各类成孔作业。冲击器工作过程中钎头受到活塞的高频次撞击和地层的反扭矩作用,钎头掉齿是主要失效问题。根据某石灰石矿场钎头的掉齿失效,分析了合金齿掉齿失效机理,基于厚壁圆筒理论、Tresca屈服条件和全增量理论等理论,分析并计算合金齿极限过盈量,确定过盈量合理范围。通过有限元仿真,模拟分析合金齿过盈装配过程。研究表明,过盈量不够导致固齿力小于脱齿力是发生掉齿的主因,通过分析对比理论计算与仿真模拟结果,得到合金齿装配优选过盈量为0.065 mm,能有效防止掉齿、脱齿现象发生。改进的钎头投入使用后,使用寿命较上一代有较大提升,对后续潜孔冲击器的设计与应用有一定的指导意义。

钻齿破碎岩石过程红外特征研究

由于岩石内部破碎、开裂变形难以直接观测,室内试验很难有效地研究钻齿破岩过程,因此通过红外热像无损检测技术观测钻齿压入岩石时岩石破碎过程。根据岩石破碎红外特征定量确定了不同损伤区域半径的大小;并结合空腔膨胀模型(CEM)理论对不同岩石损伤区域的温升差异进行了解释,认为不同损伤区的温升差异是由不同热耦合机制导致的;岩石的损伤半径、温升大小表明,钻齿对岩石造成的损伤程度与钻齿几何形状有关;球形钻齿在岩石表面造成的损伤范围更大,锥形钻齿在岩石损伤区造成的温升更高;通过岩石破碎体积验证了红外特征划分岩石损伤半径这一方法的可靠性。研究成果为研究钻齿在破碎岩石过程中岩石的破碎和损伤机理提供了帮助。

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。

煤矿井下顶板高位大直径定向钻孔双级双速扩孔钻头研究

双级双速扩孔工艺技术可以实现煤矿井下顶板高位大直径定向钻孔的一次高效扩孔,克服常规正向多级扩孔技术方法提下钻工作量大、辅助钻进时间长和钻具安全性较差等局限性。扩孔钻头是实施多动力双级双速扩孔技术的关键工具,为进一步提高双级双速扩孔的碎岩效率,对双级双速扩孔钻头的冠部剖面形状、切削齿直径和切削齿结构参数进行优化设计;在此基础上建立了双级双速扩孔钻头和对应地层三维模型、有限元模型,采用动态分析软件模拟研究3种不同钻头直径的碎岩效果;优选一级钻头ф165~ф152 mm、二级钻头ф165 mm的钻头直径配比,利用新设计的双级双速扩孔钻头进行现场试验,完成2个120 mm钻孔一次钻扩至200 mm实钻施工,累积扩孔进尺474 m,扩孔综合钻效为5.6 m/h,最高钻速可以达到7 m/h。结果表明:双级双速一级钻头能够有效减少二级钻头的碎岩难度,延长钻头寿命,满足双级双速工艺要求,大大提高顶板高位大直径综合钻进施工效率。

磨损齿PDC钻头的切削性能试验

为探究磨损齿PDC钻头的切削性能,避免其过早失效,通过单齿切削试验以及全尺寸磨损齿钻头钻进试验,分析磨损齿的受力状态以及钻头的钻进特性。结果表明:相比于新齿,磨损齿受载更大,且其“磨圆”后切岩过程中的钝搓现象普遍存在;在相同吃深条件下,齿的磨损高度越大,载荷波动越明显。相比于新钻头,磨损齿钻头更能产生光滑的井底,不利于其侵入地层。随齿的磨损高度增加,钻头的机械钻速下降,机械比能增加,振动程度减小,且钻头的径向加速值与齿的磨损高度无关。当齿的磨损高度大于3.0 mm时,钻头的机械比能和机械钻速对钻压不敏感。

定向双齿结构对PDC钻头破岩效率及侧向力的影响

针对钻头在软硬夹层中钻进时,由于PDC钻头破岩效率低以及侧向力激增引发钻柱横向振动和涡动,导致钻头过早失效的问题,设计了一种具有定向双齿结构的PDC钻头,并通过双齿切削有限元模拟,研究了不同布齿参数的定向双齿结构对破岩效率和局部侧向力平衡的影响。结果表明:定向双齿结构能够有效提高破岩效率,双齿间距对机械比功的影响较小,相比单齿切削机械比功减小约5.60%~6.50%;双齿夹角能够显著影响机械比功,当双齿夹角为160°时,相比单齿切削,机械比功减小约96.36%~113.82%;相同侧转角情况下,双齿夹角布齿的侧向力比单齿切削减小约33.40%~74.20%,能够有效提高钻头在过渡地层和定向钻井时的局部侧向力平衡,从而提高钻头整体力平衡效果。该研究可为PDC钻头布齿优化设计提供参考和依据。

混合钻头切削齿工作部位几何面离散化研究

为更好地研究混合钻头的性能,分析混合钻头与岩石相互作用机制,使用C#语言对混合钻头牙齿的几何表面进行离散化,再将离散化得到的数据导入MATLAB软件生成模型。结果表明:用离散点绘制的牙齿模型与牙齿的三维实体模型基本一致,牙齿离散化的可行性和准确度非常高。切削齿工作部位几何面离散化有利于改进牙齿设计,优化钻头结构,从而提高破岩效率,为后续钻头的工作行为研究及钻头与岩石相互作用的研究提供参考。

高速涡轮牙钻微创拔牙技术对下颌阻生智齿患者术后疼痛程度及并发症发生率的影响

目的探讨高速涡轮牙钻微创拔牙技术对下颌阻生智齿患者术后疼痛程度及并发症发生率的影响。方法选取2020年3月至2022年1月我院收治的86例下颌阻生智齿患者,随机分为两组各43例。对照组行传统拔牙技术治疗,观察组行高速涡轮牙钻微创拔牙技术治疗。比较两组的术后疼痛程度及并发症发生率。结果观察组的术后疼痛程度显著低于对照组(P<0.05)。观察组的术后并发症发生率为4.65%,显著低于对照组的18.60%(P<0.05)。结论高速涡轮牙钻微创拔牙技术治疗下颌阻生智齿可显著减轻患者术后疼痛程度,降低并发症发生率。

基于机械钻速的地层孔隙压力随钻监测方法

精确监测地层孔隙压力是及时调整钻进参数、确保安全钻进的重要基础,但目前国内地层孔隙压力随钻监测难度大,精度不足。考虑钻进过程中钻井液渗流引起的近井底地层孔隙压力重分布问题,分析井底压差、钻头单齿吃入井底岩石深度和钻头机械钻速三者间对应关系,推导并建立了地层孔隙压力随钻监测模型(机械钻速法),并将机械钻速法的监测结果与d_(c)指数法和岩石强度法的计算结果进行对比分析。研究结果表明,井底压差与钻井液渗透强度和机械钻速呈正相关关系,与钻头单齿吃入井底岩石深度呈负相关关系;机械钻速法的单点监测精度均高于95%,平均误差只有1.63%,适用性更强。研究成果为钻进参数(尤其是窄密度窗口层段)及时调整提供理论支撑,为安全、高效钻井提供保障。

微创拔牙器械配合高速涡轮牙钻拔牙法在下颌低位阻生智齿治疗中的效果评价

目的评价下颌低位阻生智齿患者应用微创拔牙器械配合高速涡轮牙钻拔牙法的疗效。方法选择山东国欣颐养集团枣庄中心医院2021年6月至2022年6月就诊的下颌低位阻生智齿患者76例,根据随机数表法分为两组,每组各38例,对照组采用传统拔牙术治疗,观察组施行微创拔牙器械配合高速涡轮牙钻拔牙法治疗,将两组下颌低位阻生智齿患者的手术时长、出血量、术后断根率、牙龈撕裂率、牙窝完整率、张口受限程度、生活质量、并发症发生率进行比较。结果观察组手术时长短于对照组,出血量小于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。观察组术后断根率、牙龈撕裂率小于对照组,牙窝完整率大于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。观察组张口受限率优于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。观察组生活质量综合评定问卷心理功能、物质生活状态、社会功能以及躯体功能评分大于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。观察组并发症(创面感染、出血肿胀、干槽症)总发生率小于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。结论下颌低位阻生智齿患者采用微创拔牙器械配合高速涡轮牙钻拔牙法的效果突出,不仅可以降低并发症发生率,还可改善患者手术情况,提高患者生存质量,值得推广。

旋挖钻机履带底盘驱动轮设计

参照国外卡特底盘驱动轮,提出一种比较简单而且适用的齿形设计方法。并且还对驱动轮的安装尺寸,以及驱动轮刚度和强度的确定做了描述。

复合齿形牙轮钻头及其破岩机理研究

针对现有牙轮(钢齿、镶齿)钻头已难以对一些复杂地层进行有效钻进这一现状,根据对牙轮钻头破岩机理的新认识,研制了一种新型复合齿形牙轮钻头。该新型钻头是一种具有新型齿面结构的牙轮钻头,其牙轮上的牙齿由齿形齿和盘式齿复合而构成,并且各牙轮上齿形齿和盘式齿的布置方式可根据硬地层等复杂地层的特性和钻井要求进行调整。两种齿对岩石的破碎作用将会互相影响,使得破碎岩石更加容易。为此,概述了国内外在复合齿形牙轮钻头方面所做的研究工作,并详细分析了这种新型钻头的结构特点和破岩机理,指出要研制出具有良好性能的复合齿形牙轮钻头,主要应从破岩机理、布齿方法与齿面结构、齿面强化工艺、钻头整体性能台架试验及复合齿形牙轮钻头结构设计等方面进行深入研究。

PDC钻头切削深度与切削力之间关系的试验研究

为了改进ＰＤＣ钻头设计，在全尺寸试验的基础上，对ＰＤＣ钻头单齿切削过程进行了试验研究。结果表明：ＰＤＣ钻头切削深度与切削力之间成幂函数关系，力的变化规律反映了岩石破碎过程中的“跃进式”破碎特点。

两种方法拔除下颌阻生智齿的临床对比研究

目的:高速涡轮牙钻法和劈冠凿骨法拔除下颌阻生智齿的疗效对比。方法:采用高速涡轮牙钻法拔除下颌阻生智齿120例,同期采用劈冠凿骨法拔除下颌阻生智齿的患者中,随机抽取120例作为对照,所有病例术后第3天复诊,对比观察临床反应。结果:高速涡轮牙钻组的手术时间、张口受限程度、干槽症的发病率与劈冠凿骨组均存在显著性差异(P<0.01)。结论:高速涡轮牙钻在下颌阻生智齿拔除中与传统手法相比,有手术时间短,减轻肿胀、张口受限,减少干槽症发生的优点,是值得推荐的方法。

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。

围压下牙轮钻头单齿对不同岩石的破岩试验

为牙轮钻头的设计提供可靠的试验数据,利用模拟深井井筒试验架模拟深井钻井环境,选取具有代表性的3种岩心进行试验,测量得到了牙轮钻头单齿在不同的围压条件和岩石下载荷、位移、围压—单位能量破碎体积以及围压—破碎坑体积等试验数据。对试验结果进行分析,得到了围压作用下对于所试验的岩石和齿形,压入载荷和压入位移成线性关系;岩石破碎坑的体积随压入载荷的增加而减小;在以相同齿形压入相同岩石的条件下,岩石的破碎面积和体积随围压的增加而减小。在相同的岩石和相同围压的条件下,抛物线形齿破碎岩石所需载荷最小,楔形齿次之,球齿所需载荷最大。同时还得到了岩石性能对破碎效率的影响规律以及破碎比功随破碎体积的变化规律。

涡轮机法拔除下颌阻生智齿的临床研究

目的:比较拔除中位和低位阻生智齿时,凿骨劈冠法与涡轮机去骨拔除法的优劣。方法:51例双侧中位或低位阻生齿,双侧随机分组,分别使用涡轮机去骨拔除法和传统的凿骨劈冠拔除法拔牙,对术中反应、手术时间,以及术后疼痛、术后肿胀进行对比观察和统计分析。结果:对中位阻生智齿,涡轮机去骨拔除法的手术时间和术后反应大于凿骨劈冠法(P<0.05),但对于低位阻生齿,涡轮机去骨拔除法手术时间更短、术后反应小(P<0.05)。结论:涡轮机去骨拔除法在拔除低位阻生齿时具有明显的优势,在拔除中位阻生智齿时并不比凿骨劈冠法有明显的优势。

阻生下颌第三磨牙2种拔除方法的比较

目的:比较拔除下颌阻生第三磨牙时,传统的凿骨劈冠法与改良涡轮机拔除法的优劣。方法:600例下颌阻生第三磨牙病例,其中300例,使用传统的凿骨劈冠法拔除,另300例使用改良涡轮机法拔除,对手术时间以及术中、术后并发症进行对比观察和统计分析。结果:2种方法的手术时间分别为(22.285±12.025)min和(16.115±12.078)min。与传统的凿骨劈冠法相比,改良涡轮机拔除法拔除下颌阻生第三磨牙的手术时间较短(P<0.05),术中及术后并发症的发生率均明显降低(P<0.05)。结论:改良器械的应用,使阻生下颌第三磨牙的拔除更加方便,值得推广应用。