金刚石钻头钻进坚硬致密弱研磨性岩层的研究现状及进展

本文回顾了我国自推广金刚石钻进技术以来，金刚石钻头在坚硬致密弱研磨性岩层中钻进研究进展，比较和分析了用于解决该类岩层钻进防“打滑”的各种金刚石钻头研制情况，为今后进一步解决“打滑”问题提出了解决措施和研究方向。     

金刚石钻头钻进坚硬致密弱研磨性岩层的研究现状与进展

本文回顾了我国自推广金刚石钻进技术以来,金刚石钻头在坚硬致密弱研磨性岩层中钻进研究进展.比较和分析了用于解决该类岩层钻进防“打滑”的各种金刚石钻头研制情况,为今后进一步解决“打滑”问题提出了解决措施和研究方向:     

坚硬致密岩层打滑形式分析及金刚石钻头的选择

钻进坚硬致密弱研磨性岩层,常常会出现所谓的钻头“打滑”现象.通过对钻头出现打滑原因和打滑形式的分析,总结了金刚石钻头的性能与结构、金刚石参数以及钻进工艺参数对钻进硬而致密岩石的影响,提出了只要钻头性能、岩石性质、钻进工艺参数三者能够优化配合,就能在坚硬致密的岩层中取得好的钻进效果.     

新型电镀弱包镶金刚石钻头研制

钻进极坚硬地层时钻头打滑的原因是：钻头胎体表面被磨钝的金刚石上端被胎体包裹，下端与岩石形成吻合的面接触，金刚石处于接近二向受力状态，影响金刚石新陈代谢的继续进行；发明专利“一种电镀弱包镶金刚石钻头的制作工艺”利用机械方法在金刚石表面包裹一层弱包镶层，然后利用电沉积方式制成电镀钻头；新型电镀弱包镶钻头工作原理是电镀胎体与金刚石之间具有一层没有粘结特性的弱包镶层，减弱了电镀胎体对金刚石的包镶能力，使钻头在胎体磨损不大的情况下，金刚石就会从电镀胎体中自行脱落下来，实现金刚石的换层。这种新型电镀弱包镶钻头能很好地解决钻进坚硬致密弱研磨性地层的打滑问题。     

电镀弱包镶金刚石钻头研究

为了解决电镀金刚石钻头钻进坚硬致密岩石时效低的问题,进行了电镀弱包镶金刚石钻头的研究。本文首先对弱包镶材料中的人造超硬材料、胶粘剂、覆膜微粉进行了选择,然后介绍了弱包镶金刚石的覆膜制粒,最后采用正交试验设计方法研究了覆膜微粉的种类、覆膜后金刚石颗粒的粒径和覆膜金刚石的含量等三个因素对弱包镶金刚石钻头性能的影响。钻进试验在室内微钻试验台上进行,岩样为纯石英岩、人造锆刚玉等的材料。极差分析表明：三个因素对时效影响的显著性依次为：弱包镶金刚石的含量一覆膜微粉的种类一磨料的粒度。钻进结果显示,采用电镀弱包镶金刚石钻头,能够比较有效地解决电镀金刚石钻头的“打滑”问题。     

W基胎体金刚石钻头的初步研究

通过试验研究,在普通热压烧结条件下,利用可降低烧结温度和压力的活化元素,并采用相应的烧结工艺制造的W基胎体金刚石钻头,在坚硬、致密、弱研磨性岩层中能持续高效钻进,并有较长的寿命。     

电镀镍锰胎体金刚石钻头的应用

本文对镍锰胎体钻头和镍然胎体钻头的全用情况进行了比较。结果表明：在坚硬强研磨性地层钻进时,镍锰胎体钻头时效快,寿命长,使用效果好,通过将两种品级,三种粒度的金刚石按一定比例混合使用,扩大钻头的适用范围,提高了钻头的自锐性,而通过改变内,外径和底唇面胎体孕镶层厚度的比例,能做到镀层基本同步消耗完,实践证明,镍锰胎体金刚石钻头特别适用于钻进坚硬破碎,强研磨性地层和软硬交替的地层。     

复合电镀新工艺金刚石钻头的研制与应用

本文采用复合电镀新工艺来研制和生产金刚石钻头。在研制过程中,往普通钻头镀液中加入10g/l金刚石微粉,得到镍—钻—金刚石微粉复合镀层,提高了钻头胎体的耐磨性。将两种品级、三种粒度金刚石按一定比例混合使用,扩大了钻头的适用范围,提高了钻头的自锐性。通过改变内、外径和底唇面镀层厚度的比例,做到镀层基本同步消耗完。一年多来的工地现场使用结果证明,这种钻头适用于坚硬、强研磨性地层的钻进,具有时效快、寿命长的优点。     

超研磨性地层钻头的设计与实践

作采用提高金刚石密度的方法，解决了钻进超研磨性地层的钻头磨损问题，钻头寿命提高了120倍。     

复合电新工艺金刚石钻头的研制与应用

本文采用复合电镀新工艺来研制和生产金刚石钻头。在研制过程中，往普通钻头镀液中加入１０ｇ／１金刚石微粉，得到镍──钴──金刚石微粉复合镀层，提高了钻头胎体的耐磨性。将两种品级，三种粒度金刚石按一定比例混合使用，扩大了头的适宜和范围，提高了钻头的自锐性。通过必变内，外径和底唇面镀层厚度的比例，做到镀层基本同步消耗完。一年多来工地现使用结果证明，这种钻头适用于坚硬，强研磨性地层的钻进，具有时效快，寿命长     

钢结硬质合金型胎体性能及其热压金刚石钻头研究

针对在硬而致密岩石中钻进时效低的难题,本文分析了碳化钨基热压钻头的金刚石出刃与岩石研磨性等岩性之间的内在联系,认为钻头的胎体成分及其性能是关键,硬而带脆性的胎体性能有利于金刚石出刃,从而能提高钻进速度.因此,从热压金刚石钻头的胎体成分与性能研究入手,经过反复的试验研究,试制出了热压钢结硬质合金型孕镶金刚石钻头.在硬而致密岩层中钻进的野外试验表明:与普通的碳化钨基钻头相比,钻进时效由0.5 m/h提高到1.18 m/h,钻头工作寿命由10 m/个提高到21.31 m/个,基本解决了在硬而致密岩层中钻进难的问题.试验结果表明,钢结硬质合金型胎体是一种性能优良的金刚石钻头胎体材料,该类型胎体的热压金刚石钻头是一种具有广谱性的金刚石钻头.     

适合强研磨性硬地层的新型混合钻头设计及现场应用

为提高金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)钻头在强研磨性硬地层中的破岩效率和使用寿命,设计2只由PDC切削齿和金刚石孕镶块组合作为切削单元的PDC-金刚石孕镶块新型混合钻头,并在冀中某断层区块石英岩地层进行现场试验。试验结果表明:与同井段使用过的牙轮钻头的平均值相比,1#PDC-金刚石孕镶块混合钻头的平均机械钻速提高52.30%,平均钻头进尺提高97.30%;与牙轮钻头的平均值和M1375D PDC钻头相比,2#PDC-金刚石孕镶块混合钻头的平均机械钻速分别提高30.85%和 32.30%,平均钻头进尺分别提高70.50%和 47.40%。PDC-金刚石孕镶块混合钻头极大地提高了强研磨性硬地层中的钻进效率,降低了钻井成本。      

基于火山岩地层钻井岩心资料的PDC钻头设计改进

PDC钻头在钻进火山岩地层过程中,技术性能常得不到充分发挥,针对火山岩地层岩心资料,从复合片、切削齿受力、齿型、切削齿的角度等方面设计和改进了PDC钻头。研究分析了剖面形状、布齿、切削齿工作角等设计对PDC钻头性能的影响。提出了以加强钻头的稳定性、耐磨性和提高钻速为目标的设计观点。研制的新型钻头采用抛物线形剖面,中密度布齿,切削齿后倾角在10°-15°范围内变化。结果表明：与牙轮钻头相比,PDC钻头钻速提高了约20％,每米钻井成本降低了27％。     

提高电镀金刚石钻头质量的试验研究

电镀金刚石钻头目前多采用镍基合金胎体,在钻进硬而完整的岩石中能取得好的效果,但在钻进较破碎的和强研磨性岩石时,钻头的耐磨性不理想,主要表现为钻头的保径能力较差,导致钻头的使用寿命缩短,这是电镀金刚石钻头需要解决而长期尚未解决好的问题。本论文针对电镀金刚石钻头的这个薄弱环节进行了试验与研究,采用二次成型工艺和阴极移动方法,明显地提高了钻头的保径效果。采用二次成形方法的电镀钻头平均寿命提高22%;而采用阴极移动方法的电镀钻头的硬度平均提高8%,耐磨性提高26%。基本上实现了钻头的同步磨损,明显地提高了钻头的使用寿命。     

强、弱混镶新型金刚石钻头的研究

本文分析常规金刚石钻头与普通弱包镶金刚石钻头在钻进极坚硬岩层时存在的不足，提出了研制强、弱混镶钻头的设计思想，并对该种新型钻头工作层结构进行说明，阐述其工作层中强、弱裹覆工作材料的实现工艺。通过设计新型强、弱混镶钻头，进行室内钻进试验，结果表明强、弱包镶混镶钻头具有高时效、长寿命等优点。     

煤矿井下定向钻进用新型PDC钻头

在硬地层或软硬交错地层中定向钻进时,常规单齿式平底钻头磨损较为严重。为此,我们开发出一种新型定向PDC钻头,并采用数值模拟方法分析该钻头的破岩机理和受力特性。结果表明:与普通平底钻头相比,在同等工况条件下,新型定向PDC钻头的破岩载荷比普通平底钻头降低36%,破岩效率提高近50%。根据模拟结果,试制新型定向PDC钻头并进行现场试验。试验显示:在中硬至硬地层中进行定向钻进施工时,与普通平底钻头相比,新型定向PDC钻头平均寿命提高2倍以上,进尺效率提高约1倍,降低钻进成本。      

Rock breaking characteristics of a 3D printing grid-matrix impregnated diamond bit

In order to improve the rock-breaking efficiency in hard rock formations, this paper presents an impregnated diamond bit with a special matrix structure. The grid-shaped matrix is designed to achieve large volume breakage so that the rock breaking efficiency can be greatly improved. The calculated specific pressure on the bottom surface lip of the newly proposed bit increased by 67%, from 68 kgf/cm² to 113 kgf/cm², compared to the conventional impregnated diamond bit. In such case, the grid piece can be effectively pressed into rocks to produce more cracks to effectively break them. In this paper, to study the rock-breaking mechanism of this impregnated diamond bit with grid-shaped matrix (IDBGM), subjected to different grid spacing and rock properties, rock cutting tests were conducted by using a TXCB-5P precision microtome and two 3D-printed grid pieces. The results indicate that the optimum grid spacing is 2 mm, because of the largest-scale cuttings when breaking rock ridges produced by the proposed bit. And the mineral particle size is the dominant factor affecting the height of weakened layer of rock. Besides, the IDBGM can more fully exert its structural advantages when applied to the hard rock layer with larger particle size. At the same time, the monitored real-time electric current is consistent with the above results, and further reveals the rock breaking mechanism characteristic of the IDBGM.     

新型优质孕镶金刚石钻头研制

针对钻进中硬-坚硬岩层时钻头钻进效率低、寿命短等情况,研制了一种新型优质孕镶金刚石钻头.该钻头结合运用了交错式唇面和自形成同心圆齿设计,以及金刚石在胎体中的有序排列技术,提高了钻头在钻进该类岩层时的钻进效率及寿命.本文从理论上分析了这种新型钻头的碎岩机理,自形成同心圆齿钻头,使钻头在碎岩机理方面有所突破,并详细阐述了这种钻头的优越性:自形成同心圆齿交错式唇面钻头,减少了工作中钻头唇面与岩石的接触面积,提高了钻头对岩石的摩擦系数和摩擦力,有利于岩石体积破碎,提高碎岩速率;工作层胎体中金刚石按均匀有序方式排列,提高了金刚石的利用率,使钻头的钻进效率和使用寿命得到提高,同时提高了钻进质量的稳定性.实际应用中95/64 mm新型钻头的钻进时效比同规格普通钻头提高了52%,寿命提高了33%,钻进效果良好.