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钢结硬质合金胎体冲击回转钻进金刚石钻头研究

作　者: 杨展
导　师: 汤凤林；段隆臣
学　校: 中国地质大学
专　业: 地质工程
关键词: 冲击回转钻进钢结硬质合金极端顶点设计 CJ型钻头结构
分类号: P634.41
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

冲击回转钻进方法是一种先进、高效、优质、低耗的钻进方法,特别是在硬岩层中钻进时效果更为明显,对提高钻进效率、提高岩矿芯采取率、防止孔斜、减少岩矿芯堵塞有很好的效果。在我国,冲击回转钻进的研究起步于七十年代,得到了地质部门的积极推广应用。在当时,由于金刚石钻探技术刚刚处于推广应用阶段,对金刚石本身的性质、金刚石抗冲击破碎能力以及金刚石钻头的认识还有限,不少研究人员认为金刚石钻头不能应用于冲击回转钻进中。因此,国内的地质、冶金等部门都围绕着硬质合金钻头开展冲击器的研究和冲击回转钻进工艺技术的研究,取得了一系列的研究成果,使不同种类的性能良好的冲击器得以问世,冲击回转钻进技术得到长足发展。现代钻进技术的发展和深部地质找矿的需求,使得冲击回转钻进和绳索取芯钻进工艺必须采用金刚石钻头进行钻进。但是,多少年以来却很少有人专门研究冲击回转钻进用金刚石钻头,既没有研究成果,也没有专利技术,这样就限制了在深孔、硬岩中冲击回转钻进的优越性的发挥。本论文旨在研究冲击回转钻进用的金刚石钻头胎体材料及其热压金刚石钻头,期望为冲击回转钻进做出应有的贡献。论文首先叙述了传统热压金刚石钻头的设计思路与制造工艺技术,包括钻头的唇面形状、钻头的胎体成分与性能、钻头的水路、金刚石参数以及钻头的热压工艺。并在叙述中加以分析,找出普通热压金刚石钻头的结构参数与岩层相适应的规律性,对比研究普通回转钻进与冲击回转钻进的差异和区别,为研制冲击回转金刚石钻头提供了有益的依据。论文着重研究与分析了冲击回转钻进的胎体成分及其性能。阐述了冲击回转钻进的特点和冲击回转钻进对钻头性能的要求,结合文献资料分析了冲击功的大小对金刚石钻头及其钻进的影响,分析了冲击回转钻进金刚石钻头应该具有的结构特点和胎体性能要求。在分析钢结硬质合金的性能和特点的基础上,借鉴钢结硬质合金的成分与性能,并将其引入到热压金刚石钻头的胎体试验研究中。钢结硬质合金的成分及性能,与热压金刚石钻头胎体的成分和应有的性能都十分相近。鉴于此,进行了初步的试验与研究,并对钢结硬质合金的两相基本组成部分——硬质相与粘结相进行了重点试验研究,得出了钢结硬质合金型胎体的基本成分及其含量比。论文对提高胎体性能提出了研究途径,并进行了试验研究。采用复式骨架材料作为硬质相,即以碳化钨、碳化钛和YG8作为胎体硬质相,在提高胎体的耐磨性的同时,提高金刚石的出刃效果。借鉴高锰钢粘结相的成分与特性,确保胎体的综合机械性能。采用铜-锡-稀土预合金粉替代663-Cu预合金粉,提高胎体的合金化程度和致密性能,减少低熔点合金的偏析与流失。采用SiC纤维材料,提高胎体的硬度、强度与耐磨性。通过多次的试验与研究,取得了研究冲击回转钻进钻头胎体的基本而又有价值的成果,为研究与试制冲击回转钻进钻头奠定了扎实的基础。论文阐述了普通金刚石钻头的研制现状,比较深入地阐述了热压金刚石钻头制造中,钻头的质量不仅与胎体配方密切相关,而且与热压工艺参数密切相关,两者是相互影响、密不可分的一个整体。文中分析了热压工艺参数中烧结温度、压力、升温速度、保温时间以及出炉温度对胎体合金化的影响。热压参数的设计与胎体成分密切相关,对胎体性能有着至关重要的影响,是保证钻头质量的最后一道工序。这些研究为设计冲击回转钻进钻头提供了十分有益的启迪。论文深入地分析、研究了冲击回转钻进钻头胎体性能的研究方法,经过对配方均匀设计和混料回归试验设计进行对比分析,决定采用混料回归试验设计方法中的极端顶点法研究试验钻头胎体成分及其性能。分析研究中,采用数学方法和表格设计方法进行了对比,其设计结果完全一致。说明混料回归试验设计方法是一种先进的、适合摸索胎体成分与胎体性能之间变化规律的可靠方法,是宏观控制胎体性能的一种很好的试验研究方法。通过试验研究确定了胎体的硬质相和粘结相成分及其含量比。通过对胎体成分与性能进行试验,并对试验结果进行回归分析和规划求解,得出了胎体硬度、耐磨性和抗冲击韧性与胎体成分间的数学模型及其相关性。显著性检验的结果表明,该研究结果令人满意,具有很好的实用性。为使设计的钻头能满足冲击器的冲击力作用,除了试验研究胎体抗冲击韧性外,研究中还专门考虑了胎体在轴向冲击力作用下的抵抗冲击动载破坏的能力。试验结果表明,所试验胎体的抗冲击性能足以抵抗冲击器的冲击力作用,能够保证正常的冲击回转钻进。论文分析了大陆科学钻探工程中所使用钻头的磨损情况,从中得出用于冲击回转钻进中的钻头,除了具备普通回转钻进所需要的性能外,必须考虑钻头工作层的结构,必须强化工作层的耐冲击性能和保径性能。因此,设计出具有创新性的CJ-A型和CJ-B型两种结构的孕镶金刚石钻头。为了验证钻头设计的合理性和钻头的制造质量,针对试验矿区的地质条件、岩石性质,设计与试制了野外钻进试验用的金刚石钻头,并进行了野外钻进试验。对从矿区采集回的岩石样进行性能测试,包括：用WYY-1型压入硬度计测定岩样的压入硬度值,用WYQ-1型岩石摆球硬度计测试岩样的摆球硬度和塑性系数。根据测试的岩样力学性质,基本确定岩石的可钻性级别为Ⅷ-Ⅸ级。而对于岩样的研磨性,从岩样的表面分析,矿物结构及结晶分析可知,造岩矿物颗粒以中等粒度为主,颗粒比较均匀,属于中等略偏高的研磨性岩石。据此设计了与岩性相适应的钻头胎体性能,在已有研究的基础上对配方进行适当的调整后,胎体配方与热压工艺最后确定为：硬质相含量调整为42%,铜-锡-稀土合金为24%,镍-锰含量10%,铁-磷合金含量13%,钴-钼-钛含量11%。烧结温度980℃,压力18MPa,保温时间6min,出炉温度800℃。钻头在福建地质八队某矿区进行了冲击回转钻进试验,钻进结果：平均钻进时效达到2.29m/h,钻头的平均使用寿命达到63.82m；与当时的其他两家钻头厂的钻头相比,有比较明显的优势。钻头设计与试验达到了预计的目的。当然,论文还存在许多不足,例如野外试验的钻头数量较少,试验的矿区和岩性种类不多,这是本课题组应该加强改进的地方。同时,对岩石的力学性能分析中,由于缺乏研磨性试验设备,缺少岩石研磨性测试数据,只是通过岩样的薄片分析,从矿物成分及其含量、颗粒大小、矿物结构构造等直观分析得出研磨性的高低,缺乏科学性,这是今后研究中应该避免的地方。

全文目录

作者简介  5-6
论文摘要  6-9
ABSTRACT  9-14
第一章绪论  14-20
  1.1 热压金刚石钻头研究现状及存在的问题  14-18
    1.1.1 普通热压金刚石钻头  14-17
    1.1.2 冲击回转热压金刚石钻头  17
    1.1.3 国外冲击回转金刚石钻头现状  17-18
  1.2 本论文研究的内容、目的与意义  18-20
第二章传统金刚石钻头结构要素  20-28
  2.1 金刚石钻头底唇面形状  20-21
  2.2 金刚石钻头的胎体与性能  21-25
    2.2.1 胎体成分  21-22
    2.2.2 胎体性能  22-25
  2.3 钻头的水路  25-26
  2.4 金刚石参数  26-27
  2.5 热压工艺  27
  本章小结  27-28
第三章冲击回转钻头胎体成分研究  28-48
  3.1 冲击回转钻进对金刚石钻头的要求  28-32
    3.1.1 冲击功大小的影响  28-30
    3.1.2 冲击回转钻进钻头的结构特点  30-31
    3.1.3 钻进对胎体性能的基本要求  31-32
  3.2 钢结硬质合金胎体成分研究  32-47
    3.2.1 胎体合金组元及其作用  33-37
    3.2.2 钢结硬质合金型胎体的设计依据  37-40
    3.2.3 提高胎体性能的途径  40-46
    3.2.4 钢结硬质合金型胎体成分组成  46-47
  本章小结  47-48
第四章热压参数对胎体性能影响的研究  48-53
  4.1 热压温度  48
  4.2 升温速度  48-49
  4.3 保温时间  49-50
  4.4 烧结压力  50-51
  4.5 钻头烧结曲线  51-52
  4.6 出炉温度  52
  本章小结  52-53
第五章胎体合金的物理力学性能研究  53-73
  5.1 胎体性能的试验研究方法  53-55
  5.2 胎体性能试验研究  55-72
    5.2.1 胎体的成分  55-66
    5.2.2 胎体性能试验与分析  66-70
    5.2.3 冲击试验  70-72
  本章小结  72-73
第六章金刚石钻头设计与制造  73-89
  6.1 钻头结构优化设计  73-75
    6.1.1 钻头的工作层结构  73-75
  6.2 胎体性能  75-77
    6.2.1 钻头胎体硬度  76
    6.2.2 钻头胎体耐磨性  76
    6.2.3 钻头胎体的抗冲击韧性  76-77
    6.2.4 试验钻头配方与工艺  77
  6.3 金刚石参数  77-82
    6.3.1 依据岩石性质  78-79
    6.3.2 依据钻进条件  79-80
    6.3.3 依据金刚石的粒度  80-82
  6.4 钻头试制  82-85
    6.4.1 矿区岩石分析  82-83
    6.4.2 岩石的物理力学性质  83-84
    6.4.3 钻头研制  84-85
  6.5 钻进试验结果与分析  85-87
    6.5.1 野外试验  85-87
    6.5.2 试验结果分析  87
  本章小结  87-89
第七章结论与建议  89-92
  7.1 结论  89-90
  7.2 创新点  90
  7.3 建议与展望  90-92
致谢  92-93
参考文献  93-96

钢结硬质合金胎体冲击回转钻进金刚石钻头研究

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