金刚石定位仿生取芯钻头研究

论文摘要

随着我国国民经济的快速发展，对地下各种矿产资源的需求量也与日俱增。导致地质钻探工作量和钻头消耗量也越来越大，2010年的小口径地质钻探量超过了2000万米，按照平均金刚石钻头的寿命为40m，则2010年地质钻探所需钻头量超过了50万只。随着对资源量的需求，未来将向地层深部钻探和和一些恶劣条件地区开展钻探，所钻遇的地层会很复杂，对钻头综合性能的要求也越来越高。因此，设计出地层适应性好，钻进效率高，寿命长的钻头十分必要。为了提高金刚石钻头的钻进效率和使用寿命，引入仿生学理论为提高钻头质量提供了新的依据。随着材料行业和金刚石工具行业的发展，金刚石均匀分布技术使金刚石在工具中得到充分的使用，提高了金刚石的使用效率，延长了金刚石工具的使用寿命，也可以节约金刚石，降低成本，提高效率。本文针对金刚石在胎体中分布不均、钻头寿命低等问题，结合仿生金刚石钻头和金刚石定位排布研究成果，从金刚石选择、胎体配方研究、金刚石定位模具研制、仿生金刚石定位钻头制造工艺等方面开展深入研究，研制出兼有仿生钻头减阻耐磨特性，又能避免金刚石不正常磨损的高效—长寿命金刚石钻头。论文共分八章，第1章为绪论，介绍了选题依据和研究意义，总结了孕镶金刚石钻头、金刚石定位技术研究的国内外现状，并介绍了论文的主要内容和技术路线。第2章主要从仿生原形、金刚石定位对胎体、金刚石的要求介绍及进行了胎体料制粒的试验和试块的测试试验。第3章主要对定位金刚石的静压强度、热稳定性和磁性等性能进行了试验研究。第4章介绍了胎体配方的基本性能，并对WC基胎体配方进行了试验研究，基于配方试验结果进行了野外钻头设计及生产试验。第5章分析总结了仿生孕镶金刚石钻头和仿生金刚石定位钻头的碎岩机理。并采用LS-DYNA软件对仿生沟槽金刚石钻头、仿生凹坑金刚石钻头和常规金刚石钻头进行非线性分析。第6章金刚石定位仿生取芯钻头的制造工艺研究。第7章对室内岩样进行了测试，并根据测试结果选择了配方和金刚石进行了钻头设计并进行了室内试验。第8章为结论和展望，总结了论文的所有结论和创新点，并提出了一些本文不足和以后工作建议。

论文目录

• 内容提要
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的依据及研究意义
• 1.2 孕镶金刚石钻头研究现状
• 1.2.1 钻头结构
• 1.2.2 钻头胎体性能
• 1.2.3 烧结工艺
• 1.2.4 金刚石钻头发展现状和趋势总结
• 1.3 金刚石定位在金刚石制品中的研究现状
• 1.3.1 国外金刚石定位排布研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.3.3 实现金刚石均匀排布的主要技术措施
• 1.3.4 金刚石定位分布技术发展现状总结
• 1.4 仿生学在钻探工具中的应用现状与前景
• 1.5 主要研究内容、研究方法及技术路线
• 1.5.1 主要研究内容
• 1.5.2 研究方法
• 1.5.3 技术思路和技术路线
• 第2章 金刚石定位仿生取芯钻头的设计
• 2.1 仿生生物原形分析
• 2.2 金刚石定位仿生取芯钻头的金刚石参数
• 2.2.1 孕镶金刚石钻头金刚石参数
• 2.2.2 金刚石定位参数选择
• 2.2.3 金刚石浓度计算
• 2.3 金刚石定位对胎体的要求
• 2.3.1 特殊要求
• 2.3.2 胎体粉末制粒试验
• 2.4 试块试验
• 2.4.1 实验方法
• 2.4.2 结果与讨论
• 2.5 本章小结
• 第3章 金刚石性能试验研究
• 3.1 金刚石静压强度测试
• 3.1.1 实验方法
• 3.1.2 结果与讨论
• 3.2 金刚石热稳定性试验
• 3.2.1 实验方法
• 3.2.2 结果与讨论
• 3.3 金刚石的磁性试验
• 3.3.1 实验方法
• 3.3.2 结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 第4章 钻头胎体性能试验研究
• 4.1 胎体配方的基本性质
• 4.1.1 胎体的主要成份及其要求
• 4.1.2 胎体的主要性能
• 4.1.3 胎体粉末的磁性测试
• 4.2 WC 基胎体试验研究
• 4.2.1 实验方法
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.3 本章小结
• 第5章 仿生非光滑钻头碎岩过程仿真模拟分析
• 5.1 孕镶金刚石钻头碎岩机理
• 5.2 软件介绍和钻头物理模型建立
• 5.2.1 软件介绍
• 5.2.2 钻头物理模型建立
• 5.3 孔底岩石受力模拟分析
• 5.3.1 常规钻头孔底岩石受力模拟分析
• 5.3.2 凹坑型非光滑孔底岩石受力模拟分析
• 5.3.3 同心圆沟槽型非光滑孔底岩石受力模拟分析
• 5.4 结果与讨论
• 5.5 本章小结
• 第6章 金刚石定位仿生取芯钻头制造工艺
• 6.1 石墨模具和钢体设计
• 6.1.1 石墨模具设计
• 6.1.2 钢体设计
• 6.2 金刚石定位装置的设计与制造
• 6.2.1 测试块金刚石定位装置的设计与制造
• 6.2.2 仿生孕镶热压金刚石定位取芯钻头的成型装置
• 6.3 金刚石定位仿生孕镶胎块制造流程
• 6.4 钻头的热压烧结
• 6.5 本章小结
• 第7章 钻头试验
• 7.1 试验设计
• 7.1.1 岩样测试
• 7.1.2 试验设备
• 7.1.3 钻头参数
• 7.1.4 钻进参数设计
• 7.2 试验结果
• 7.3 结果分析
• 7.3.1 唇面形态分析
• 7.3.2 钻速、扭矩分析
• 7.4 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 论文创新点
• 8.3 展望
• 参考文献
• 作者简介
• 获奖情况
• 发表的学术论文
• 专利
• 参加的科研项目
• 致谢