收藏本站
《吉林大学》 2017年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

无硬质相胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头研究

李梦  
【摘要】:资源是保障国家经济长期稳定发展的物质基础,随着浅层资源的日益枯竭,深部钻探的兴起,说明深层勘探开发势在必行。如何提高深井钻探效率和节约钻探成本,这就对井下钻探机具质量和性能的要求愈发严格。钻头在钻探技术系统中一直处于核心地位,其钻进速度和工作寿命是节约钻探成本和提高钻进效率的关键因素,然而钻头的钻进速度和工作寿命往往难以实现同步提高。针对硬岩地层钻进、特别是坚硬打滑地层钻进,为提高孕镶金刚石钻头在这类地层中的的钻进速度和工作寿命,以仿生学基本理论为指导,本文设计了一种无硬质相胎体仿生异形齿孕镶金刚石钻头。本文主要研究工作和相关结论如下:(1)针对坚硬打滑地层钻进,根据岩石特点、仿生异型齿结构要求和钻头胎体性能要求,提出了无硬质相胎体孕镶金刚石钻头配方。无硬质相胎体配方是以铁、镍和铜合金为主,不含钨、碳化钨、碳化钛等高熔点、高硬度的金属或合金的孕镶金刚石钻头胎体配方。针对无硬质相胎体孕镶金刚石钻头配方中存在的金刚石氧化、碳化、热损伤和腐蚀的问题,通过添加微量元素硼进行改善。研究结果表明:含硼无硬质相胎体孕镶金刚石材料中,硼易吸附于金刚石表面,减弱了高温和氧对金刚石的损伤,减少了铁对金刚石的刻蚀,改善了胎体和金刚石的界面结合情况,提高了无硬质相胎体孕镶金刚石材料的性能。(2)针对坚硬打滑地层钻进,根据岩石特点和仿生钻头结构要求,选取穿山甲爪趾作为仿生原型,设计了高胎体可再生仿生异型齿钻头的单齿结构。通过观察、分析穿山甲爪趾形态、结构及功能,提取穿山甲爪趾的仿生模型,并建立仿生钻头单齿模型。通过力学计算优化柱齿的高径比和阶梯的高宽比两个关键结构参数。利用ANSYS模拟分析了岩石在静载作用下,因仿生异型齿钻头和常规阶梯钻头作用而产生的应力的变化。结果说明:在柱齿直径和阶梯齿的宽度确定的条件下,柱齿的高径比与岩石的泊松比有关,阶梯齿的高宽比与岩石的摩擦系数有关。此外,相同的载荷作用下,相比于普通阶梯钻头单齿,仿生异型齿钻头单齿作用的岩石表面应力大,更易破碎岩石。(3)为获得满足结构和高度设计要求的仿生异型齿孕镶金刚石钻头,采用石墨和陶土两种方法制备了仿生异型齿孕镶金刚石钻头的模具,并通过无压浸渍工艺制备钻头,避免了热压烧结对钻头齿形结构和工作层高度的限制,制备出的仿生钻头成型度好,钻头结构、性能满足设计要求。(4)完成了无硬质相胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头的钻进试验。室内微钻试验说明含硼无硬质相胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头使用性能良好。现场试验中,相比同地层用其他孕镶金刚石钻头,仿生异型齿钻头的钻进速度提高了20~97.5%,工作寿命提高了1~2倍。无硬质相胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头高钻速长寿命主要是因为:材料方面含硼无硬质相胎体保护了金刚石的强度和切削能力,其耐磨性匹配金刚石的磨损,提高了金刚石的自锐能力,提高了金刚石工作效率;结构方面异型齿结构改变了岩石的受力状态、增加了岩石破碎自由面、岩石容易被破碎,高胎体结构延长了钻头使用寿命,自再生结构实现了钻头的自锐、稳定钻头在钻进过程中的碎岩效率。本文设计的无硬质相胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头,在工程实践中取得了初步效果,整体上实现了钻头机械钻速和工作寿命的同步提高,对后续仿生钻头的设计优化及应用具有实际的指导意义。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P634.41

【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李粮纲,史晓亮;地应力钻测的金刚石钻头研制[J];地质与勘探;2000年02期
2 蔡家品;热压双保温工艺在薄壁金刚石钻头制造中的应用[J];地质装备;2000年01期
3 严成容;探索拾零(三)——孕镶人造金刚石钻头自由谈[J];探矿工程(岩土钻掘工程);2005年07期
4 严成容;;探索拾零(四)——谈硬岩孕镶金刚石钻头原创性的新进展[J];探矿工程(岩土钻掘工程);2007年02期
5 徐良;孙友宏;高科;;仿生孕镶金刚石钻头高效碎岩机理[J];吉林大学学报(地球科学版);2008年06期
6 冯玉国;朱家东;;模糊物元分析在金刚石钻头综合评价中的应用[J];探矿工程(岩土钻掘工程);2008年04期
7 邓海兵;朱琦;叶明友;蒋红;;超声波在电镀金刚石钻头工艺中的应用与研究[J];探矿工程(岩土钻掘工程);2008年05期
8 姚正民;杨文清;;孕镶金刚石钻头在宝鸡地区的应用[J];陕西煤炭;2009年02期
9 黎立朝;牛明远;;高时效金刚石钻头的研究现状[J];河南建材;2011年03期
10 沈立娜;阮海龙;;国内外金刚石钻头的部分技术进展[J];探矿工程(岩土钻掘工程);2011年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 李焰;;薄壁金刚石钻头胎体配方研究[A];中国地质科学院“九五”科技成果汇编[C];2001年
2 杨凯华;杨昌锐;张绍和;;弱包镶金刚石钻头钻进坚硬致密岩层的研究[A];岩土钻掘技术在资源、环境和工程建设中的应用与发展学术论文集[C];2001年
3 薛军;于松波;;关于薄壁金刚石钻头金刚石浓度的设计问题[A];岩土钻掘技术在资源、环境和工程建设中的应用与发展学术论文集[C];2001年
4 贾美玲;;金刚石钻头制造新技术探讨[A];岩土钻掘技术在资源、环境和工程建设中的应用与发展学术论文集[C];2001年
5 楼日新;袁学武;;适合溪洛渡地层条件的金刚石钻头的研制[A];探矿工程(岩土钻掘工程)技术与可持续发展研讨会论文集[C];2003年
6 贾美玲;蔡家品;赵尔信;;新型镶齿式金刚石钻头及工艺研究应用[A];“十五”重要地质科技成果暨重大找矿成果交流会材料二——“十五”地质行业获奖成果资料汇编[C];2006年
7 罗文来;何锋;李运海;张延军;莫睿;;一种卵石层钻进用金刚石钻头的研制与试验[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
8 田龙;;钻进极硬地层时金刚石钻头的另一种设计方法[A];中国核科学技术进展报告——中国核学会2009年学术年会论文集(第一卷·第1册)[C];2009年
9 薛军;;孕镶金刚石钻头切削刃在碎岩过程中显微面积的研究[A];第四届全国岩石破碎学术讨论会论文集[C];1989年
10 杨凯华;王达;张晓西;;科学深钻金刚石钻头的结构与性能分析[A];第十三届全国探矿工程(岩土钻掘工程)学术研讨会论文专辑[C];2005年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 孙海涛;江钻金刚石钻头研发进入收获期[N];中国石化报;2011年
2 彭政舞龚光明;太皮金刚石钻头助松藻矿月进尺突破2万米[N];经理日报;2008年
3 石建芬 曹海峰;江钻金刚石钻头国内外销售额大增[N];中国石化报;2011年
4 记者 胡德沛;克锐达实施三步走战略[N];中国石油报;2002年
5 本报数据研究部 林奇;钻井模板助推勘探提速 金刚石钻头需求将激增[N];上海证券报;2014年
6 通讯员 胡先锋 记者 张可春 王金法;金刚石钻头胜利闯“禁区”[N];中国石化报;2001年
7 本报通讯员 佟伯侠;巧夺天工的科技“大拿”[N];地质勘查导报;2009年
8 蒋玉奎 张建东 杨明奇;一个“金刚钻”,钻过500米[N];地质勘查导报;2007年
9 记者 王锦榕;福建局上年钻探进尺逾20万米[N];中煤地质报;2012年
10 本报记者 张芳;江钻品牌是怎么打造的[N];中国石油报;2001年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 庞丰;基于高速涡轮钻进工艺条件的孕镶金刚石钻头刀齿材料的研究[D];中国地质大学;2015年
2 李梦;无硬质相胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头研究[D];吉林大学;2017年
3 吴海东;高温条件下金刚石钻头钻进实验研究[D];吉林大学;2017年
4 王照智;仿生耦合孕镶金刚石钻头耐磨增效机理研究[D];吉林大学;2017年
5 潘秉锁;稀土对提高电镀金刚石钻头性能的研究[D];中国地质大学;2003年
6 杨俊德;金刚石钻头和金刚石锯片磨损机理、设计及性能测试研究[D];中南大学;2004年
7 章文姣;钎焊—热压多层有序排列金刚石钻头的研究[D];中国地质大学;2012年
8 田永常;直流电镀铁基金刚石钻头制造工艺与机理研究[D];中国地质大学;2014年
9 马银龙;金刚石定位仿生取芯钻头研究[D];吉林大学;2013年
10 方小红;超声波电镀镍基金刚石钻头工艺与机理研究[D];中国地质大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 霍宇翔;超声波技术在电镀金刚石钻头制造中的应用研究[D];成都理工大学;2006年
2 周国栋;金刚石钻头钎焊烧结工艺及结合界面研究[D];中国地质大学(北京);2015年
3 肖丽辉;主副交替水口高胎体孕镶金刚石钻头的研制[D];中国地质大学(北京);2012年
4 刘文川;钎焊金刚石钻头的室内钻进与冲蚀磨损实验[D];中国地质大学(北京);2016年
5 陈章文;适合金川矿区的特种孕镶金刚石钻头研制[D];中南大学;2008年
6 何龙飞;可再生沟槽式仿生金刚石钻头的试验研究[D];吉林大学;2009年
7 张义东;金刚石钻头热压烧结工艺研究[D];中南大学;2010年
8 伍亦文;金刚石钻头钎焊过程热动力学仿真[D];中国地质大学(北京);2012年
9 左艳霞;强研磨硬脆地层金刚石钻头的研究应用[D];中南大学;2012年
10 唐友军;仿生孕镶金刚石钻头散热性能研究[D];吉林大学;2014年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026