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基于硬岩钻进的胎体PDC取心钻头的研究

王红波

   我国是一个人口众多、资源相对不足的发展中国家,资源短缺已经成为制约我国经济发展的主要瓶颈。为了贯彻“国务院关于加强地质工作的决定”,必须大量开展深部硬岩钻探。深孔硬岩钻进大约有70%的时间花费在钻进和起下钻过程中,钻头一旦出现质量事故,都会在钻进过程中造成严重的损失。深孔勘探钻头造价一般比较昂贵,钻头损坏本身就造成了很大的经济损失,而起下钻更是浪费大量的人力物力,查明事故原因要大费周折,更换合适的替代钻头需要时间,这些因素耽误工期,使生产计划延期完成。由此可知,钻头质量好坏在钻孔施工中非常重要,要想使钻头达到钻速快、钻进效率高等目的,就必须研制高效、长寿命的钻头。 我国在硬岩钻探中主要采用孕镶金刚石钻头,该技术已经比较成熟,没有多少提高的余地,而在钻软~中硬岩层时,PDC (Polycrystalline Diamond Compact)钻头的钻探效率高出传统金刚石钻头的数倍,但目前研究出的PDC取心钻头不适合于钻硬岩层及坚硬岩层,在钻进这些岩层时,钻头容易崩齿、磨损快、钻速慢,从钻进效率与经济因素来看,都不划算。要想PDC取心钻头在钻进硬岩上取得象钻软~中硬岩层那样的效果,有待于我们进行进一步开发。本课题的目的就是以适合于硬岩钻进为目标,进行胎体PDC取心钻头的研究,希望通过进一步的研究,使PDC取心钻头在硬岩层的钻进能力增强,取得较好的钻进效果。 论文以钻进硬岩为目的,在前人研究PDC钻头的基础上,运用实验室设备、Pro/engineering及AutoCAD绘图软件、Ansys软件,研究了硬岩的物理力学性质、仿真分析了钻头结构对破岩能力的影响、围绕硬岩对钻头材料的要求进行了研究,并进行了钻头的制造工艺流程及微钻试验,最后设计了野外钻头并对其工作状态及受力进行了探讨。 第一章综述了国内外对于PDC钻头的研究现状及趋势,包括岩石的可钻性、钻头的设计、钻头的制造及钻头的工作状态四方面。 第二章是关于岩石可钻性的研究。岩石的可钻性是其钻进过程中岩石抵抗破碎的能力,它表示岩石破碎的难易程度。研究可钻性的目的是运用岩石的可钻性进行判断是否是硬岩,从而为设计钻头提供硬岩的物理力学参数和岩样。 选取了8种较硬的岩石进行试验,为了了解岩样的物理组成成分、结构构造,并对岩石予以正确的定名,选用岩石薄片分析来进行。同时,通过岩石组成矿物各自的莫氏硬度计算岩石的集合莫氏硬度,再以此为依据对岩石软硬程度进行初步了解。 选择压入硬度为主要指标,联合岩石摆球硬度和塑性系数,结合1984年地质部颁发的PDC岩石可钻性分级表来对岩石进行可钻性分级,确定岩石可钻性级别。然后,按岩石可钻性级别来确定岩石的软硬程度,并用综合性力学指标来对这些岩石进行鉴别。运用岩石单轴抗压强度对综合指标分级进行验证,从岩石抗压强度和综合指标对岩性分析的对比 第四章是关于微钻试验的研究。微钻试验是为了达到三方面的目的,即熟悉钻头制造工艺流程,研究PDC的排列,并根据微钻过程中钻头的状况来进一步认识硬岩钻进对钻头的要求。 共设计三个小钻头,每个钻头用6片PDC,每片PDC的后倾角15.1。,旁通角7.5°,出露高度为4mm保持不变,只改变唇面厚度及PDC在钻头唇面上的排列方式,分别采用单环式与双环式布置方式。 钻头制造材料的准备首先包括模具的设计与制造,必须考虑到两方面问题:一是石墨模具是否能够承受住钻头烧结成型时施加的烧结压力,即在所需要的烧结压力范围内,石墨模具不致于由于抗压强度不够而被压碎;二是大直径石墨模具烧结钻头的过程中,温度能否上升至钻头配方所要求的烧结温度。 钻头体作为切削具的支撑体,将轴向力和扭矩传递给每个切削具,而切削具所受的岩石反作用力及破岩中的微动载反效应,又施加在钻头体上,同时,钻头体又长期处于岩屑、岩粉流和孔壁的摩擦环境中,因此,必须选择合适的钢体。微钻试验钻头体采用45#钢。由于是室内微钻试验,钻头总的进尺较少,因此对胎体的性能要求比野外钻进胎体的要求要低,选择1#-1胎体配方。 根据钻头立体图及胎体配方,计算了粉末的多少,混好粉料,在加工好石墨模具后,进行了装粉与插保径层工作,再加工好钻头钢体,然后采用热压法烧结钻头,选用SM-100E型中频感应烧结设备。 为了牢固的焊接PDC,存在着几个难点,首先是PDC有一半左右的高度进入了胎体,怎么保证焊液填满胎体与PDC之间的间隙,从而形成大的焊接面,传统的钻头因为合金进入胎体的深度很小,或是直接与胎体一次成型,因此不存在这个问题,这是一个新的难题;其次是在焊接过程中,如何避免烧伤PDC,用于工业生产的常规PDC的热稳定性为750℃左右,因此焊接的时候不能超这个温度,现在较常规的方法是通过焊液温度来控制这个温度,本文采用中频电源加热感应圈,用银熔焊剂来保持低温;最后的问题是怎样减少焊接过程中对PDC的氧化,现今常用的方法有真空焊、氢气环境中焊接等手段。 通过微钻试验发现,试验设计的钻头在硬岩钻进时单环式钻头比能远小于双环式钻头;与单环式钻头相比,在相同的钻压与转速下,双环式钻头受到岩石的阻力很大,传递给钻杆的阻力也很大,要求接头有相当高的强度,低强度的钻杆及接头易损坏;根据有效岩心率ζ的概念,在钻进工艺参数相同、切削齿各项参数相同及数目相同等条件下,ζ越大,钻头效果越好;必须设计合适的钻进参数,使钻头能顺利高效的破岩,且对钻具的反作用力小;在没有围压的情况下硬岩显脆性,经PDC切削的部位都变成了岩粉。 第五章是有关野外钻头的研究。根据前面几章的研究成果,设计了野外胎体PDC取心钻头,同时以一种硬岩层为参照,探讨了钻压及PDC面力与钻头整体齿及螺纹受最大mises应力的关系,为施加合适的钻压与转速提供了参考。 为了满足较大直径岩心的需求,相比微钻用钻头,野外钻头的内径应有所增大,选定钻头的规格为Φ94/70,采用Φ10的PDC,根据前述的成果,钻头唇面选用平底形,PDC的后倾角选用15.1°,出露高度选用5mm。通过分析旁通角的有利因素与不利因素,同时根据前人作出的一些成果,选取旁通角的大小为7.5°。钻头唇面上共布置9片PDC复合片。根据微钻试验的结论,有效岩心率ζ越大越好,因此选用单环式排列,这样唇面的厚度最薄。 通过对切削齿破硬岩进行理论分析,发现PDC主要是靠压剪破岩。运用Ansys软件对钻头进行了受力分析,主要通过改变钻压与PDC面力,来分析钻头所受最大应力与螺纹上的应力的改变情况。观察Mises应力云图可知,在模拟选定的载荷范围内,钻头整体及内螺纹受到的最大Mises应力受PDC面力的影响很大,两者的变化率基本相同,而受钻压的影响较小。 总的来说,本文通过大量试验、理论分析及Ansys软件分析,围绕钻进硬岩进行胎体PDC取心钻头的研究取得了一定的成果。……   
[关键词]:硬岩;胎体PDC取心钻头;设计理论;微钻试验;野外钻头
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国地质大学2010年