自形成同心圆齿孕镶金刚石钻头研究

通过钻头胎体配方的分区设计，钻头在钻进过程中，其唇面会自动形成同心圆齿，该类钻头具有钻进时效高，使用寿命相对延长，破碎岩石时的稳定性好，钻进质量明显改善等优点，并详细阐述同心圆齿金刚石钻头的碎岩机理，研究表明，设计的自形成同心圆齿钻头，使钻头在碎岩机理方面有所突破，与普通钻头相比，自形成同心径向环齿钻头在时效和寿命方面均有所提高。     

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.     

自形成同心径向环齿金刚石钻头设计与制造

通过钻头胎体配方的分区设计，钻头在钻进过程中，其唇面会自动形成同心径向环齿，该类钻头具有钻进时效高，使用寿命相对延长，破碎岩石时的稳定性好，钻进质量明显改善等优点。其碎岩机理是：由于自形成同心径向环齿金刚石钻头胎体工作面各区的耐磨能力不同，导致切削破碎岩石的效率不一样。工作过程中，金刚石在轴向作用下产生破碎槽，并在周向力作用下切削岩石，由于胎体的强耐磨区和弱耐磨区破碎岩石能力的差异，使孔底岩体上留下一条条岩脊。由于破碎槽效应，岩脊内的微裂纹十分发达，强度大大降低，在钻进过程的振动作用下被双向剪切，稍有挤压，岩脊顶部的剪应力即达抗剪强度，很容易以体积方式被破碎。研究表明，设计的自形成同心径向环齿钻头，使钻头在碎岩机理方面有所突破；与普通钻头相比，自形成同心径向环齿钻头在时效方面提高了45％，寿命方面延长了20～25％。     

三种卵砾石地层钻进用钻头的野外试验对比研究

针对卵砾石地层的钻进实践，先后设计与试验了三种类型的钻头；普通八角合金钻头、金刚石-硬质合金复合球齿钻头与孕镶金刚石-针状合金复合式钻头。本文在简要介绍三种钻头各自结构特点与设计原理的基础上，对三种类型钻头进行了对比试验，结果表明，金刚石-硬质合金复合球齿钻头与孕镶金刚石-针状合金复合式钻头比普通合金钻头寿命高5倍以上，单位成本（元／m）下降50％，取得了明显的效果，研究成果得到了推广应用。     

不同唇面形状金刚石钻头对钻进效率的影响

针对金刚石钻进中钻头唇面形状的选形问题,从岩石破碎机理入手,分析了岩石在不同形状压头作用下的破碎过程。对平底型、高低交错型及同心圆尖齿型三种不同唇面形状钻头进行现场实验比较,得出同心圆尖齿型的综合效果最好的结论。在实际钻探生产中,可依此选择相应形状的底唇面钻头来提高钻进效率。     

砾岩层PDC切削齿优选试验

为了在砾岩层中获得更好的钻进效果，需要对砾岩层用PDC钻头切削齿的齿形和后倾角进行优选。对普通平面齿、锥形齿和斧形齿在砾岩岩样中进行单齿破岩试验，再对优选出的斧形齿进行仿真分析，优选斧形齿的最佳齿面角度，再与普通平面齿进行切削模拟，验证试验结果。结果表明：斧形齿在砾岩层中切削效率最高，受力最稳定；齿面角度为140°的斧形齿在砾岩中钻进效果更好，当其配合30°后倾角时，切削效率最高。     

用于钻进钢筋混凝土构件的金刚石钻头的研制

钢筋混凝土结构因内部有钢筋,且自身强度等级较高,在钻孔过程中施工难度大,钻进效率低,经常出现钻头断齿现象。针对这些现象,从调整钻头胎体性能、改进钻头结构和增加磨料种类3个方面进行试验。为提高金刚石钻头钻进效率,采用中软性能的钻头胎体,并添加立方氮化硼（CBN）磨料,提高钻头工作唇面上磨料的切削性能;为使钻头钻进平稳,采用斜水口和奇数齿结构钻头,防止钻齿在孔底与钢筋产生全断面接触,避免钻齿瞬时冲击载荷过大而发生断齿。试验结果表明:使用?75mm钻头,钻进压力6.5 MPa、钻头线速度2.1 m/s、冷却液流量25 L/min时,钻头的平均钻进时效可达到1.12m/h,钻头寿命28m,无断齿现象;表明本试验的钻头设计工艺正确,结构合理,可满足施工现场的生产需求。      

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％。     

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。     

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.     

提高电镀金刚石钻头保径能力的几种方法

在我国，电镀方法生产金刚石钻头已有近40年的历史。电镀方法生产金刚石钻头是在室温下进行，对金刚石没有任何热损伤；镍基合金胎体性能优良，对岩石有较广泛的适应性。但是，电镀金刚石钻头的保径效果差，特别是钻进硬、脆、碎岩石和钻进强研磨性岩石时尤其明显。本文分析比较了提高电镀金刚石钻头保径效果的几种新工艺包括双锥形工作面钻头、螺旋形水槽和半底喷式结构、聚晶保径规保径钻头、内外径和底唇面分开电镀法钻头、跟模电镀法钻头、镍钴锰合金胎体金刚石钻头，并给出了电镀镍钴锰合金金刚石钻头的电镀液配方及工艺参数。通过试验得出采用方柱状聚晶保径或采用镍钴锰合金胎体，电镀金刚石钻头的保径效果好，钻头寿命可提高30％以上。     

纳米WC弥散强化孕镶金刚石钻头

为提高孕镶金刚石钻头的钻进效率和使用寿命,将纳米WC引入到传统胎体配方。利用纳米WC的弥散强化作用,优化胎体配方及制备工艺,提高钻头工作层的物理力学性能,从而研制出强化型孕镶金刚石钻头。将其与传统钻头进行室内钻进对比试验。结果表明:将质量分数为2.5%的纳米WC添加到孕镶金刚石钻头的传统胎体配方中研制出的强化型钻头,其机械钻速提高了24.93%,使用寿命提高了28.91%,钻进过程更加平稳。      

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。      

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。     

金刚石表面预处理技术在金刚石钻头中的应用

介绍了金刚石工具中常用的金刚石表面镀钛和坑化处理等2种表面预处理技术。并对比分析使用镀钛、坑化处理的金刚石钻头和常规金刚石钻头在钻进钢筋混凝土时的效率和寿命。钻进实验证明:与常规金刚石相比,镀钛金刚石钻头寿命可以提高30%以上;坑化处理金刚石可以将钻头寿命和钻进效率分别提高35%和10%,并且能降低生产时的金刚石浓度,是目前发展较为迅速的一种工艺技术。      

新型硬岩超低压钻进用金刚石钻头

三峡工程在硬岩中施工ｄ１７５ｍｍ倒垂孔,为预防孔斜需要采用超低压钻进（最低钻压只有１．８ＭＰａ）。为此,开发研制了一种金刚石与胎体之间有一弱结合层的新型钻头。由于该种钻头新、旧金刚石的新陈代谢换层速度较普通钻头快,其抗打滑能力极强。现场钻进试验结果表明,该新型钻头不仅能克服钻头打滑,而且机械钻速和钻头寿命均有显著提高,综合指标提高幅度达２．０６倍。     

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。      

水平井PDC钻头优化设计与应用

同常规直井、定向井聚晶金刚石（polycrystalline diamond compact,PDC）钻头相比,水平井钻头保径更易磨损、导向能力要求更高、切削齿所受冲击载荷更大。针对鄂尔多斯盆地红河油田水平段地层特点,通过室内试验优选切削齿尺寸和后倾角;针对水平井钻头的特点,设计了浅内锥、短外锥、大冠顶圆弧的钻头剖面形状,"主动保径齿+低摩擦保径块"的加强型保径及非对称、多喷嘴布置的加强水力结构。现场应用表明:新型钻头相比区块普通钻头,进尺提高了193%,机械钻速提高了132%。      

CVD金刚石条强化孕镶金刚石钻头的试验研究

本文将经过激光切割的CVD金刚石条镶嵌到传统的孕镶金刚石钻头胎体中,研制了一种新型的硬支点强化型金刚石钻头,以提高钻头在坚硬地层中的钻进效率和使用寿命。介绍了该新型钻头的设计及制造工艺,并进行了室内钻进试验。结果表明：与聚晶金刚石柱强化孕镶金刚石钻头相比,CVD金刚石条强化的孕镶金刚石钻头的钻进效率较高,达5．575m／h,且该钻头的磨损程度更小,使用寿命长。在钻进过程中更加稳定.