工程陶瓷用孕镶金刚石钻头的性能优化

为提高孕镶金刚石钻头加工工程陶瓷时的钻进效率、延长工具寿命,对钻头性能进行了优化研究.分析了孕镶金刚石钻头加工氧化铝工程陶瓷的磨损机理,采用更高品质的金刚石磨粒和新的胎体配方及制造技术研制了四种钻头.钻削试验及扫描电镜分析表明:高品质金刚石磨粒可有效提高工作磨粒的比例,提升钻进性能;四种钻头的磨损性能各不相同,采用Cu50Co25Sn18Ti7(wt%)胎体配方钻头的金刚石磨粒出刃高度高,胎体与磨粒的粘结性能好,胎体磨损速度与金刚石磨损速度匹配性较好,钻头的钻削综合性能最好,其加工效率和工具寿命较其它钻头分别提高了近1.4倍和7倍.     

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.     

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。     

钻进极坚硬地层的孕镶金刚石钻头

作者研制出一种双层胎体结构的孕镶金刚石钻头。该钻头特别适合钻进极坚硬地层，能够克服钻头打滑现象，其钻进效率与钻头寿命比一般金刚石钻头高几倍到十几倍。     

低唇面高效绳钻金刚石钻头的研制与应用

本文主要论述了阶梯环槽式唇面孕镶金刚石钻头的研制过程和试验应用效果,其中钻头底唇的形状和降低高低齿交界处胎体硬度,以及金刚石“非等浓度、强度”填料,在理论方面有新见解,在实际运用中已产生较大的经济益效。     

孕镶金刚石钻头钻进控制新方法的研究

在分析了目前常用钻进控制方法的基础上提出了钻进中应采用控每转进尺的钻进控制方式，并对部分孕镶金刚石大钻头和微钻头进行了室内钻进试验，由每转进尺ｈ和单位钻压每转进尺ｈ／ｐ得出不同岩石中不同钻头的合理每转进尺范围，且由ｈ／ｐ值对不同岩石进行了最佳钻头的选择     

用超硬材料测定岩石研磨性

用模拟试验方法测定聚晶金刚石钻头的耐磨损性,推导出岩石研磨性指标计算公式.这种方法的测试结果能直接反映工况条件下的岩石性质.所得岩石研磨性指标是岩石研磨性质、钻头材料性质和工况的综合反映,可以直接用于预测PDC钻头的使用寿命和用于油矿的PDC钻头选型工作.     

智能仿生PDC钻头的破岩数值模拟

为解决普通孕镶金刚石钻头(普通钻头)破岩效率低、钻进不稳定、不耐磨以及不能根据地层选择合适形态破岩等问题,结合仿生原理和非平面结构设计了新型聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact, PDC)齿和钻头底唇面,提出一种在钻头底唇面安装传感器进行岩性识别,可选择合适形态破岩的智能仿生PDC钻头(智能钻头)。利用机器学习,基于现场钻井数据对岩石性质进行分类。分析了智能钻头切削结构针对软中硬地层和硬地层具有两种工作形态,基于建立的切削模型和岩石失效准则,对智能钻头和普通钻头的破岩过程进行数值模拟对比,结果表明：机器学习的加权KNN(K-nearest neighbor)算法可很好避免样本重叠问题,可精确对岩石性质分类,其训练模型可提供给传感器进行岩性识别。破碎砂岩时,智能钻头经传感器调节将具有PDC齿的底唇面和仿生底唇面保持同一高度破岩,对比普通钻头,其破岩比能和切削力明显更小,表明其效率更高、切削更稳定;破碎花岗岩时,智能钻头经传感器调节将具有PDC齿的底唇面下放破岩,其破岩效率明显高于普通钻头,也更稳定。研究成果对石油钻井设备智能化发展有重要意义。     

金刚石排列模式对钻进时效的影响

 研究金刚石宏观排列模式与金刚石钻头碎岩的时效关系, 不仅有助于设计有序排列金刚石钻头, 而且有利于更好地理解金刚石有序排列下岩石的破碎机理。本文应用ANSYS-LSDYNA 有限元软件对3 种不同金刚石排列模式(弧形排列、均匀排列和射线排列)的平底孕镶金刚石钻头进行孔底碎岩模拟研究, 考察金刚石的排列模式对其钻进时效的影响, 并对采用钎焊法试制的3 种有序排列金刚石钻头进行室内钻进试验。研究表明, 3 种钻头的钻进时效由高到低分别为弧形排列、均匀排列和射线排列钻头, 室内钻进试验结果与数值模拟结果吻合较好。     

适合溪洛渡地层钻进的金刚石钻头的研制

根据溪洛渡地层硬、脆且存在层间层内错动、裂隙发育和较强研磨性的特点 ,着重就金刚石钻头胎体和烧结工艺进行研究 ,研制出热压孕镶金刚石钻头 ,以提高钻进效率 ,缩短钻探施工工期 ,保证电站施工顺利进行     

金刚石钻头胎体材料设计新思路

遵循金刚石钻头胎体与所钻岩石相适应的原则，提出一种胎体材料设计的新思路．按新思路设计的胎体可扩大钻头对岩石的适应范围，并可在钻进过程中自我调节金刚石的出刃状态     

金刚石钻头参数设计规律

提出了用岩石对钻头金刚石的研磨能力大小(A值)和岩石对钻头胎体的研磨能力大小(B值)来表示岩石可钻性的方法,研究了金刚石锯片切割对比法测定A值的方法,岩石B值是岩石的胶结程度、矿物粒度、矿物成分等因素的综合反映.采用金刚石新陈代谢速度u来表示钻头性能,钻头性能与A,B值及作用在钻头唇面上压力p、钻头线速度u之间的量化关系为u=Aw/Bxp.yvz.确定了钻头的设计程序:根据A和B值,p和v来确定金刚石新陈代谢速度,选定钻头的5个主要参数即金刚石质量、粒度和体积分数及胎体耐磨性、包镶强度.研究结果表明:采用A和B值可表示岩石可钻性;通过测定A和B值,可较准确地量化出岩石的可钻性;u由岩石A,B值及p和v来确定;根据u值设计和选定钻头的5个参数;提高u可以提高钻头时效,降低u可以延长钻头寿命.     

孕镶金刚石取心钻头各向异性的实验研究

介绍了测定孕镶金刚石取心钻头各向异性指数的实验方法。根据实验装置的结构特点 ,同时考虑了实验过程中底部钻具组合的变形对测量钻头侧切位移的影响 ,建立了底部钻具组合的力学实验模型 ,推导出了孕镶金刚石取心钻头底端在钻进过程中的挠度和转角计算公式。在消除了钻头底端挠度对侧切位移的影响之后 ,给出了钻头各向异性指数的计算结果 ,并对其进行了讨论。结果表明 ,孕镶金刚石取心钻头的各向异性指数一般在 0 .0 6～0 12 ,其侧向切削效率很低。这说明在井眼轨迹控制中 ,不应忽略钻头各向异性的影响。     

孕镶金刚石取心钻头各向异性的实验研究

介绍了测定孕镶金刚石取心钻头各向异性指数的实验方法。根据实验装置的结构特点，同时考虑了实验过程中底部钻具组合的变形对测量钻头侧切位移的影响，建立了底部钻具组合的力学实验模型，推导出了孕镶金刚石取心钻头底端在钻进过程中的挠度和转角计算公式。在消除了 钻头底端挠度对侧切位移的影响之后，给出了钻头各向异性指数的计算结果，并对其进行了讨论。结果表明，孕镶金刚石取心钻头的各向异性指数一般在0.06-0.12，其侧向切削效率很低。这说明在井眼轨迹控制中，不应忽略钻头各向异性的影响。     

强研磨性硬地层PDC孕镶块混合钻头优化设计试验研究

为更加合理地设计适用于强研磨性硬地层的混合SPDCS钻头,本文首先对东北油田、青海油田钻进火成岩地层磨损的SPDCS钻头进行收集,运用ST-500A 电子显微镜和ⅤⅢⅢ2.2C 相机测量软件分别从宏观和微观两个方面观测SPDCS切削齿的磨损形态,分析其磨损机理,找出失效原因。测量钻头冠部刨面线上切削齿的磨损高度,绘制SPDCS钻头切削齿磨损分布曲线,为SPDCS钻头的改进提供理论指导,设计并加工PDC孕镶块混合微钻头进行室内钻孔实验,研究不同切削齿出露量对钻头破岩效率的影响规律,并对PDC孕镶块混合钻头进行优化后设计了一种PDC孕镶块全尺寸混合钻头,用于东北油田辽松盆地金山区块金谷1-1HF井的基底地层钻进,相比同井段的PDC及牙轮钻头,钻速与进尺均有较大提升。     

强研磨性硬地层聚晶金刚石复合片孕镶块混合钻头优化设计试验

为更加合理地设计适用于强研磨性硬地层的混合金钢石复合汽钻头(PDC)钻头,首先对东北油田、青海油田钻进火成岩地层磨损的PDC钻头进行收集,运用ST—500A电子显微镜和ⅤⅢⅢ2.2C相机测量软件分别从宏观和微观两个方面观测PDC切削齿的磨损形态,分析其磨损机理,找出失效原因。测量钻头冠部刨面线上切削齿的磨损高度,绘制PDC钻头切削齿磨损分布曲线,为PDC钻头的改进提供理论指导。设计并加工PDC孕镶块混合微钻头进行室内钻孔实验,研究不同切削齿出露量对钻头破岩效率的影响规律,并对PDC孕镶块混合钻头进行优化后设计了一种PDC孕镶块全尺寸混合钻头,用于东北油田辽松盆地金山区块金谷1-1HF井的基底地层钻进,相比同井段的PDC及牙轮钻头,钻速与进尺均有较大提升。     

深孔钻探金刚石钻头技术研究

金刚石钻头在深孔钻探的应用中不仅降低了钻探的成本,同时也提高了深孔钻探的效率。金刚石钻头具有高效率、使用寿命长的工程效果。它具有两种结构形式:单水口和双水口高胎体的金刚石钻头,解决了强研和弱研磨性地层中钻头的使用寿命过短的问题,而且得到了较好的结果。     

复合片斜镶角对钻头钻进性能的影响

为提高复合片钻头的钻进性能,利用车削实验模拟不同斜镶角的复合片钻头在钻进时与岩石的相互作用,研究复合片斜镶角对钻头钻进性能的影响。实验设定了5 组不同的斜镶角,在正压力和摩擦路程不变的条件下,分别测得复合片的体积磨耗,并从力学角度以及有限元分析两方面对复合片斜镶角影响钻头钻进性能的原理进行了分析论证。结果表明,在相同力的作用下,随着斜镶角的减小,一方面复合片切削刃各相同位置的应力增大,另一方面复合片的体积磨耗增大,钻头使用寿命减短。可见,复合片切削齿的斜镶角存在一个最优值。     

冷却液对金刚石-岩石摩擦副润滑作用的测定

介绍一种测定冷却液润滑性的装置，这种冷却液用于金刚石钻头与金刚石锯片磨削岩石，它对金刚石。岩石摩擦副起润滑作用，可大幅度提高金刚石钻头与锯片的寿命和效率；此外，还讨论了冷却液润滑性对金刚石钻头钻进效率的影响。     

稀土元素La在金属胎体-金刚石复合材料中的作用

研究了不同热压烧结条件下,稀土元素La对铜基胎体-金刚石复合材料的抗弯性能和断口形貌的影响。结果表明：加入适量的La,可以减少胎体中孔洞缺陷,改善胎体的组织结构,提高胎体性能;适量La可以净化金刚石表面,提高金刚石颗粒和金属胎体之间的黏结性能,并能进一步提高金属胎体-金刚石复合材料的性能。