适合金川矿区的特种孕镶金刚石钻头研制

论文摘要

金川矿区工程地质条件复杂,围岩破碎,地应力大,钻孔多布置于软弱地层,在钻孔施工中,钻头寿命、效率低,甚至出现“打滑“现象,孔内事故频繁,机台钻进效率及岩矿芯采取率较低,有的钻孔甚至报废,严重制约了矿山勘探工程的进度和质量,直接影响了钻探效率、钻探效益。为此本课题采用现场调研、室内试验相结合的方式获取数据、资料,在此基础上进行钻头设计理论研究,进行岩石测试,胎体试制及测试,钻头试制及微钻试验等,并通过现场试验反馈信息调整方案,最后对所研制钻头进行综合评价,主要取得如下成果:1.矿区主要岩层为混合岩和超基性岩,岩石软硬互层频繁,混合岩中石英、长石含量较高,研磨性较强,适宜于用耐磨性较强的金刚石钻头钻进,而对于超基性岩石英、长石的含量较低,岩石的研磨性较弱,适宜于耐磨性较弱的金刚石钻头钻进,加上混合岩中有少量硬度特高、研磨性特强的打滑地层,因此金川的地层宜采用三种不同性能的金刚石钻头,并且要钻头具有一定的广普性。2.初步得出矿区岩石破碎前的应力状态、破碎过程;利用摩擦学中的公式求出钻头-岩石相互作用付三个阶段的分析表达式,得出正常钻进的边界条件。3.分析了金刚石钻头的唇面状态,包括金刚石出刃状况、参与切削岩石的金刚石数目、金刚石切入岩石深度、金刚石受力、钻头唇钻头唇面压力分布,在此基础上研究了基于金刚石钻头的唇面状态分析的金刚石钻头定量设计理论,理论具有一定的指导意义。4.设计了金刚石表面覆层工艺、胎体分层工艺及两种技术集成的工艺,通过室内试验优选出适合金川矿区高效率孕镶金刚石钻头的普适性体配方:WC45%左右、Co10%左右、Ni8%左右、CuSn1030%左右、Mn7%左右。5.设计制造了三个系列八个品种金刚石钻头,现场应用证明,无论寿命和时效,都优于其他同类钻头,最好的钻头寿命达384.0m、时效达2.5m/h。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文选题
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 金川矿区地质情况
• 1.2 金刚石钻头设计制造研究进展
• 1.3 本文主要内容及意义
• 第二章 矿区岩石性质及可钻性分级
• 2.1 岩石矿物
• 2.2 岩石力学性能
• 2.3 岩石可钻性分级
• 2.3.1 现行岩石可钻性分级方法
• 2.3.2 岩石可钻性分级
• 2.4 本章小结
• 第三章 钻头破岩机理及定量设计理论研究
• 3.1 矿区岩石破碎机理
• 3.1.1 钻杆柱的受力
• 3.1.2 钻头底部的应力分布状态
• 3.1.3 工具压入时的破碎机理
• 3.1.4 钻进破岩过程分析
• 3.2 金刚石钻头的唇面状态分析
• 3.2.1 金刚石钻头单位面积实际工作金刚石数目
• 3.2.2 相邻两颗金刚石之间的间距
• 3.2.3 金刚石切岩深度
• 3.2.4 金刚石压入岩石面积
• 3.2.5 单颗金刚石的压力
• 3.2.6 金刚石施加给岩石单位面积的压力
• 3.3 基于金刚石钻头唇面状态分析的定量设计理论研究
• 3.3.1 金刚石粒度设计理论
• 3.3.2 金刚石浓度设计理论
• 3.4 本章小结
• 第四章 钻头胎体配方
• 4.1 胎体配方设计
• 4.1.1 胎体作用及设计要求
• 4.1.2 胎体主要成分
• 4.2 胎体性能分析
• 4.2.1 胎体包镶性能
• 4.2.2 胎体的耐磨性
• 4.2.3 高温下胎体力学性能
• 4.2.4 影响胎体性能的因素
• 4.3 本章小结
• 第五章 钻头制造新技术及烧结
• 5.1 钻头制造新技术
• 5.1.1 金刚石表面覆层技术
• 5.1.2 胎体分层技术
• 5.2 钻头的烧结
• 5.2.1 烧结过程
• 5.2.2 烧结温度
• 5.2.3 保温时间
• 5.2.4 烧结压力
• 5.3 本章小结
• 第六章 钻头的现场应用
• 6.1 钻头的品种
• 6.2 试验条件及使用原则
• 6.2.1 试验条件
• 6.2.2 钻头使用原则
• 6.3 钻头现场应用情况分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果