??
摘要：金剛石鉆頭在堅(jiān)硬致密弱研磨性巖層鉆進(jìn)時(shí),經(jīng)常出現(xiàn)鉆頭拋光和打滑現(xiàn)象,鉆頭時(shí) 效、使用壽命都非常低。這類巖層雖然在一般礦區(qū)所占比例不大,但由于鉆頭打滑現(xiàn)象的 發(fā)生,即使只有幾米或十幾米這種巖層也要耗費(fèi)大量時(shí)間和鉆頭,導(dǎo)致整個(gè)鉆孔施工周期 延長,勘探成本增高,經(jīng)濟(jì)效益明顯下降。解決在這類巖層中鉆進(jìn)效率低的問題,是鉆探 行業(yè)長期存在的一大技術(shù)難題。 針對這一問題,并結(jié)合前人的研究成果,本文分析了導(dǎo)致金剛石鉆頭鉆進(jìn)打滑的原因, 設(shè)計(jì)了三種用于鉆進(jìn)打滑巖層的金剛石鉆頭。選用電鍍法制造成型。
本文主要內(nèi)容分四部分: 第一部分概述了金剛石鉆頭鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密弱研磨性巖層的研究現(xiàn)狀,介紹了電鍍法制 造金剛石鉆頭的優(yōu)點(diǎn)和 Ni 基復(fù)合鍍層的研究情況,提出了該類巖層電鍍金剛石鉆頭的三種 設(shè)計(jì)方法。
第二部分通過金剛石鉆頭鉆進(jìn)打滑的原因分析,針對堅(jiān)硬致密弱研磨性巖層的鉆頭設(shè) 計(jì)方案。為實(shí)現(xiàn)金剛石的正常出刃,獨(dú)創(chuàng)性地設(shè)計(jì)了三種用于防打滑的電鍍金剛石鉆頭。 1.電鍍?nèi)醢偨饎偸@頭。通過對比分析,選用了硬質(zhì)磨料微粉綠碳化硅和白剛玉作 為弱包鑲覆膜微粉;通過實(shí)驗(yàn)篩選,選擇了環(huán)氧樹脂類膠粘劑 504 膠作為覆膜膠粘劑,并 用非活性稀釋劑丙酮來稀釋,并通過實(shí)驗(yàn)確定最佳丙酮/膠粘劑配比為:5～6.5ml/g;選用 滾動(dòng)式造球機(jī)進(jìn)行覆膜;分析了單個(gè)金剛石顆粒在轉(zhuǎn)筒內(nèi)受力情況,確定了覆膜的最佳工藝 參數(shù),包括最佳轉(zhuǎn)速范圍、最佳膠粘劑噴灑位置、最佳原料供給位置等;給出了金剛石覆 膜的基本工藝過程;用事后計(jì)算法確定裹覆后小球中實(shí)際金剛石的含量;最后采用正交設(shè) 計(jì)法安排實(shí)驗(yàn)。
2. 混合磨料電鍍金剛石鉆頭。即將金剛石-硬質(zhì)磨料以一定比例混合加入鉆頭胎體中 與合金一起沉積包裹。按照適宜電鍍的要求,選擇機(jī)械性能良好的硬質(zhì)磨料綠碳化硅(SiC) 和白剛玉(α-Al2O3),對使用的兩種磨料進(jìn)行表面預(yù)處理;設(shè)計(jì)了兩種混合電鍍方案, 第一種以正交設(shè)計(jì)法安排試驗(yàn),將金剛石和混合磨料均勻加入胎體中進(jìn)行沉積包裹,第二 種方式為將磨料分為主磨料金剛石和輔助磨料金剛石+硬質(zhì)磨料混合物,分別間隔均勻地 分布于不同的扇形胎體塊中。后一種方法只以白剛玉在混合磨料中所占質(zhì)量百分含量為 20%、30%、40%作了初步試驗(yàn)。
3. 二合一型電鍍金剛石鉆頭。通過減少鉆頭胎體唇面面積,來提高唇面單顆粒金剛石 上的壓力,增強(qiáng)對巖石的體積破碎效果。設(shè)計(jì)了兩種鉆頭唇面結(jié)構(gòu),用常規(guī)電鍍方法成型, 預(yù)留的孔待電鍍完成后,選擇 SiC 、Al2O3 以及金剛石等磨料通過有機(jī)物膠結(jié)方式注入孔內(nèi),待膠固化達(dá)到完全強(qiáng)度后,即可以使用;另一個(gè)方法是孔內(nèi)不填充任何磨料。
第三部分為電鍍金剛石鉆頭的成型工藝及室內(nèi)鉆進(jìn)試驗(yàn)。即按照第二部分設(shè)計(jì)的幾種 鉆頭,選擇合適的胎體硬度,確定滿足條件的鍍液成分與工藝參數(shù),制造了Ф36 的普通單 管鉆頭;然后選取了有代表性的三種巖樣以及人造鋯剛玉,對巖石進(jìn)行成分分析、擺球硬 度、壓入硬度及單軸抗壓強(qiáng)度測試,對測試結(jié)果進(jìn)行巖石可鉆性分級,最后分別對這四種 巖樣進(jìn)行室內(nèi)鉆進(jìn)試驗(yàn)。結(jié)果表明:采用弱包鑲方法成型的鉆頭,對提高鉆頭時(shí)效的效果 最明顯,由正交設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算和極差分析知,對時(shí)效影響的顯著性從主到次的順序依次為: 弱包鑲磨料含量,磨料種類,磨料粒度,選擇覆膜微粉為 Al2O3,含有弱包鑲成分 30%以上 的弱包鑲金剛石對時(shí)效影響越大。其次為混合電鍍法,由極差結(jié)果可知,對時(shí)效影響大小 順序?yàn)?混合磨料粒度,混合磨料濃度,混合磨料種類。其最優(yōu)方案為:磨料濃度為 20% 的 50/60 目的 Al2O3。二合一型鉆頭設(shè)計(jì)時(shí)要保證鉆頭胎體知金剛石濃度不能太低,太低仍 然會出現(xiàn)打滑。比較鉆頭磨耗發(fā)現(xiàn),三種鉆頭的磨耗都比普通金剛石鉆頭稍高,其中二合 一型最高,而混合電鍍法在三種鉆頭中磨耗最低。
第四部分分析了幾種鉆頭防打滑機(jī)理。認(rèn)為:弱包鑲金剛石鉆頭防滑作用有,孔穴效 應(yīng)對提高鉆頭比壓作用、輔助碎巖作用、增大了鉆頭同巖石的摩擦系數(shù)、孔穴對胎體和金 剛石的冷卻作用、孔穴儲存巖粉和脫落的金剛石等摩擦微粒,對胎體的磨損作用,因而對 金剛石鉆頭的出刃有利等作用。混合磨料電鍍金剛石鉆頭的防滑作用有,磨料碎裂和脫落 形成輔助碎巖作用、磨料鋒利的形狀加強(qiáng)了對巖石的切削作用。對非均質(zhì)磨料胎體鉆頭, 胎體不同部分耐磨性的差別,使得耐磨性較強(qiáng)的胎體扇形塊上的金剛石的實(shí)際壓力增大, 從而加速巖石的破碎和金剛石出刃。二合一型鉆頭防打滑作用也也是通過減少鉆頭底唇面 面積、提高鉆頭比壓來實(shí)現(xiàn)金剛石正常出刃。
本文最后總結(jié)了主要研究內(nèi)容和研究成果,并提出了今后需要進(jìn)一步研究的有關(guān)問題。
