發(fā)布時間：2018-01-03 07:01

  本文關鍵詞：無硬質相胎體仿生異型齒孕鑲金剛石鉆頭研究　出處：《吉林大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 無硬質相胎體 金剛石鉆頭 硼 仿生 異型齒 無壓浸漬 碎巖機理

【摘要】：資源是保障國家經濟長期穩(wěn)定發(fā)展的物質基礎,隨著淺層資源的日益枯竭,深部鉆探的興起,說明深層勘探開發(fā)勢在必行。如何提高深井鉆探效率和節(jié)約鉆探成本,這就對井下鉆探機具質量和性能的要求愈發(fā)嚴格。鉆頭在鉆探技術系統(tǒng)中一直處于核心地位,其鉆進速度和工作壽命是節(jié)約鉆探成本和提高鉆進效率的關鍵因素,然而鉆頭的鉆進速度和工作壽命往往難以實現(xiàn)同步提高。針對硬巖地層鉆進、特別是堅硬打滑地層鉆進,為提高孕鑲金剛石鉆頭在這類地層中的的鉆進速度和工作壽命,以仿生學基本理論為指導,本文設計了一種無硬質相胎體仿生異形齒孕鑲金剛石鉆頭。本文主要研究工作和相關結論如下:(1)針對堅硬打滑地層鉆進,根據(jù)巖石特點、仿生異型齒結構要求和鉆頭胎體性能要求,提出了無硬質相胎體孕鑲金剛石鉆頭配方。無硬質相胎體配方是以鐵、鎳和銅合金為主,不含鎢、碳化鎢、碳化鈦等高熔點、高硬度的金屬或合金的孕鑲金剛石鉆頭胎體配方。針對無硬質相胎體孕鑲金剛石鉆頭配方中存在的金剛石氧化、碳化、熱損傷和腐蝕的問題,通過添加微量元素硼進行改善。研究結果表明:含硼無硬質相胎體孕鑲金剛石材料中,硼易吸附于金剛石表面,減弱了高溫和氧對金剛石的損傷,減少了鐵對金剛石的刻蝕,改善了胎體和金剛石的界面結合情況,提高了無硬質相胎體孕鑲金剛石材料的性能。(2)針對堅硬打滑地層鉆進,根據(jù)巖石特點和仿生鉆頭結構要求,選取穿山甲爪趾作為仿生原型,設計了高胎體可再生仿生異型齒鉆頭的單齒結構。通過觀察、分析穿山甲爪趾形態(tài)、結構及功能,提取穿山甲爪趾的仿生模型,并建立仿生鉆頭單齒模型。通過力學計算優(yōu)化柱齒的高徑比和階梯的高寬比兩個關鍵結構參數(shù)。利用ANSYS模擬分析了巖石在靜載作用下,因仿生異型齒鉆頭和常規(guī)階梯鉆頭作用而產生的應力的變化。結果說明:在柱齒直徑和階梯齒的寬度確定的條件下,柱齒的高徑比與巖石的泊松比有關,階梯齒的高寬比與巖石的摩擦系數(shù)有關。此外,相同的載荷作用下,相比于普通階梯鉆頭單齒,仿生異型齒鉆頭單齒作用的巖石表面應力大,更易破碎巖石。(3)為獲得滿足結構和高度設計要求的仿生異型齒孕鑲金剛石鉆頭,采用石墨和陶土兩種方法制備了仿生異型齒孕鑲金剛石鉆頭的模具,并通過無壓浸漬工藝制備鉆頭,避免了熱壓燒結對鉆頭齒形結構和工作層高度的限制,制備出的仿生鉆頭成型度好,鉆頭結構、性能滿足設計要求。(4)完成了無硬質相胎體仿生異型齒孕鑲金剛石鉆頭的鉆進試驗。室內微鉆試驗說明含硼無硬質相胎體仿生異型齒孕鑲金剛石鉆頭使用性能良好�，F(xiàn)場試驗中,相比同地層用其他孕鑲金剛石鉆頭,仿生異型齒鉆頭的鉆進速度提高了20~97.5%,工作壽命提高了1~2倍。無硬質相胎體仿生異型齒孕鑲金剛石鉆頭高鉆速長壽命主要是因為:材料方面含硼無硬質相胎體保護了金剛石的強度和切削能力,其耐磨性匹配金剛石的磨損,提高了金剛石的自銳能力,提高了金剛石工作效率;結構方面異型齒結構改變了巖石的受力狀態(tài)、增加了巖石破碎自由面、巖石容易被破碎,高胎體結構延長了鉆頭使用壽命,自再生結構實現(xiàn)了鉆頭的自銳、穩(wěn)定鉆頭在鉆進過程中的碎巖效率。本文設計的無硬質相胎體仿生異型齒孕鑲金剛石鉆頭,在工程實踐中取得了初步效果,整體上實現(xiàn)了鉆頭機械鉆速和工作壽命的同步提高,對后續(xù)仿生鉆頭的設計優(yōu)化及應用具有實際的指導意義。
[Abstract]:Resource is the material foundation to ensure the long-term stable development of national economy, with the increasing depletion of resources of shallow deep drilling, the rise of deeper exploration and development imperative. How to improve the efficiency and reduce the cost of drilling deep well drilling, the downhole drilling equipment quality and performance requirements increasingly strict. The drill has been at the core position in drilling technology system, its working life and save the drilling cost and drilling speed is the key factor to improve the drilling efficiency, however, the drilling speed of the drill bit and the working life is often difficult to achieve synchronization. In hard rock drilling, especially drilling hard slipping formation, in order to improve the diamond bit in this kind of strata in the drilling speed and working life, with the basic theory of bionics as a guide, this paper designs a non hard phase matrix bionic special tooth impregnated diamond bit. This paper The research work and conclusions are as follows: (1) the hard rock drilling slipping formation, according to the characteristics, requirements of bionic shape teeth structure and requirements of bit matrix performance, the hard phase matrix impregnated diamond bit formula. No hard phase matrix formula with iron, nickel and copper alloy mainly containing tungsten, tungsten carbide titanium carbide, high melting point, impregnated diamond bit matrix metal or alloy with high hardness. For diamond oxidation, there is no hard phase matrix impregnated diamond bit in the formula of carbonization, thermal damage and corrosion problems were improved by adding trace boron. The results show that: the boron free hard phase matrix the diamond impregnated material, boron easily adsorbed on the surface of the diamond, weaken the damage of high temperature and oxygen on diamond, reduce etching on Diamond iron, improve the interface between matrix and diamond, improve The performance of hard phase matrix impregnated diamond material. (2) the hard rock drilling slipping formation, according to the requirements and characteristics of bionic bit structure, selection of pangolin claw as bionic prototype, the design of single tooth structure high matrix bionic tooth bit. Renewable shaped through observation, analysis of pangolin claw shape, structure and function. The extraction of pangolin claw bionic model, and establish the bionic bit single tooth model. Through the mechanics calculation optimization of column teeth height to diameter ratio and step height width ratio of two. The analysis of the key structural parameters of rock under static load using ANSYS simulation, produced by bionic shaped teeth bit and conventional step bit effect should be the change in force. The results show that: in the column diameter and the width of the tooth tooth ladder under the condition of the tooth column height to diameter ratio and Poisson's ratio of height to width of rock, ladder tooth friction coefficient ratio relation with rock. Outside, under the same load, compared to the ordinary bit single tooth, tooth shaped rock surface bionic bit single tooth effect stress, more easily broken rocks. (3) to meet the design requirements of the bionic structure and height of shaped teeth of impregnated diamond bits, bionic mold shaped teeth of impregnated diamond bit by using two kinds of methods of graphite and clay, and the pressureless infiltration process for preparing drill, avoid hot pressing on drill tooth structure and working height limit, the prepared biomimetic drill bit structure, forming good performance to meet the design requirements. (4) completed the test without hard drilling the matrix phase bionic shaped teeth of impregnated diamond bit. Laboratory drilling test showed that boron containing no hard phase matrix shaped bionic tooth impregnated diamond bit with good performance. The field test, compared with the formation of other gold impregnated diamond bit, imitation Student profile tooth drill bit drilling speed increased 20~97.5%, the working life is improved by 1~2 times. No hard phase matrix of bionic tooth shaped diamond bit high drilling speed and long life is mainly because the material containing boron free hard phase matrix protection strength and cutting ability of diamond, the wear resistance, the wear of diamond, improve the self sharpening diamond ability, improve the work efficiency of diamond; structure of shaped teeth structure changes the stress state of rock, increasing rock breaking free surface, the rock is easy to be broken, high matrix structure to prolong the service life of the drill, self regeneration structure realizes the self sharpening drill bit in drilling process, stability the rock breaking efficiency. This paper designs the no hard phase matrix of bionic shaped teeth impregnated diamond bit, obtained initial effect in engineering practice, the whole realized the bit speed and the working life The synchronization improvement has practical guiding significance for the design optimization and application of the follow-up bionic bit.

【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：P634.41

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