金刚石定位仿生取芯钻头研究
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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。
In order to improve the drilling efficiency and working life-span of impregnateddiamond bit, the bionics theory was introduced. With the development of materialindustry and diamond tools industry, the uniform distribution technology of diamondis greatly used in the grinding tool. This method not only increases the diamondutilization efficiency and prolongs the working life-span of the diamond tools, butalso saves the usage of diamond grains and reduces the cost in manufacturing.
This thesis chooses “The study of positioned diamond bionic coring bit” asresearch topic, especially for the problems, such as the uneven distribution ofdiamond grains and short life-span of drill bit. This research combines thecharacteristics of bionic diamond bit and diamond positioning arrangementtechnology to manufacture a high efficient and long-life diamond bit, the drill bitperforms well in wear resistance characteristics and avoiding the abnormal wear ofdiamond. The research contents include the choice of diamond, matrix formulationresearch; manufacturing of diamond positioned mould and bionic drill bitmanufacturing processes. The results obtained from the research are as follows:
1. The geometry morphology of mole cricket toe is chosen as the biologicalprototype of positioned diamond bionic coring bit. Through copying this biologicalmorphology, the bionic wedge groove is designed, and this method is proved to befeasible after tests. The performance of positioned diamond bionic coring bit is betterthan that of bionic diamond bit and common bit. That's because the positioneddiamonds make the groove array in good order and avoid the aggregation or blank of diamonds in the drill bit.
2、Static strength results show that the difference in static strength betweenimported diamonds and domestic diamonds is very small. To some extent, the staticstrength of domestic diamonds is higher than that of imported one; Under the vacuumcondition, in1200℃, the carbonization of diamonds occur only among thediamonds with internal defects; On the same size of diamonds, static strength ofdiamonds coated with Titanium is higher than common diamonds, and in hightemperature the diamonds coated with Titanium also have good antioxidant capacity.The thermal test results show that under the condition of N2as a separate gas,heat-resistant temperature of imported diamonds is1050℃, while that of domesticdiamond is1040℃.So it is easy to see that the thermal stability of the importeddiamonds is higher than the domestic one only by10℃. Magnetic test resultsshow that translation phenomenon of magnetic hysteresis loop happen in two types ofdiamonds. In conclusion, during the drilling process, diamond bits withstand not onlythe temperature, but also the impact and friction. Therefore it is necessary to considerthe factors of diamond static strength, thermal stability and magnetism to evaluate theoverall performance of the diamond.
3、In this study, for getting better properties of WC matrix composites, theRockwell Hardness and bending strength, etc. Of30WC matrix composites, preparedby10different formulas, were tested. These samples were manufactured by thevacuum hot-pressing sintering process using intermediate-frequency furnace under theconditions of13MPa (Sintering pressure), the heating time of6min and the holdingtime of5min. The influence of WC, ZQSn663copper, Mn, Co, and Ni on thehardness and bending strength properties of matrix was investigated by data analysis.The results indicated that the content of WC is the major factor to influence thehardness and bending strength of matrix. Internal logic existed between the matrix’shardness and bending strength. The matrix with high hardness always has highstrength. To get excellent performance of the matrix, the proportion of elements by mass should be controlled in formula: w(WC）<59.1%, w(ZQSn663)>25%,3% 4、The rock fragmentation mechanisms of bionic impregnated diamond bit andpositioned diamond bionic bit are analyzed and summarized. Software LS-DYNA isused to analyze Φ135.5/72mm bionic impregnated diamond bit and commonimpregnated diamond bit with nonlinear analysis. The simulation result shows thatunder the same WOB (weight on bit), rotary speed, rock conditions and simulationtime, compared with common bit, bionic groove diamond drill bit and bionic pitdiamond drill bit make the rock suffer tensile stress, drill deeper than conventionaldrill bit, and crush the rock in large degree.
5、According to the manufacturing processes of positioned diamond bionic bit,three new coring bits are designed and manufactured. By testing the drill-ability ofgranite, Ⅳ Formula is selected, and this formula would make the hardness of matrixbody reach38.6. The grain size of diamonds is30/35from imported diamonds. Thesintering parameters are listed as follows: temperature is970℃, and the temperaturerising gradient is uniform. Sintering pressure is14Mpa, and heat preservation time is8~10min. Experimental results show that the positioned diamond bionic bitperforms well in the low WOB and small torque drilling conditions. When the WOBis2000N, the ROP (rate of penetration) of positioned diamond bionic bit is1.433times as fast as bionic diamond bit, and it is3.160times as fast as common diamondbit. The ROP of bionic diamond bit is2.206times as fast as common bit.
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。
In order to improve the drilling efficiency and working life-span of impregnateddiamond bit, the bionics theory was introduced. With the development of materialindustry and diamond tools industry, the uniform distribution technology of diamondis greatly used in the grinding tool. This method not only increases the diamondutilization efficiency and prolongs the working life-span of the diamond tools, butalso saves the usage of diamond grains and reduces the cost in manufacturing.
This thesis chooses “The study of positioned diamond bionic coring bit” asresearch topic, especially for the problems, such as the uneven distribution ofdiamond grains and short life-span of drill bit. This research combines thecharacteristics of bionic diamond bit and diamond positioning arrangementtechnology to manufacture a high efficient and long-life diamond bit, the drill bitperforms well in wear resistance characteristics and avoiding the abnormal wear ofdiamond. The research contents include the choice of diamond, matrix formulationresearch; manufacturing of diamond positioned mould and bionic drill bitmanufacturing processes. The results obtained from the research are as follows:
1. The geometry morphology of mole cricket toe is chosen as the biologicalprototype of positioned diamond bionic coring bit. Through copying this biologicalmorphology, the bionic wedge groove is designed, and this method is proved to befeasible after tests. The performance of positioned diamond bionic coring bit is betterthan that of bionic diamond bit and common bit. That's because the positioneddiamonds make the groove array in good order and avoid the aggregation or blank of diamonds in the drill bit.
2、Static strength results show that the difference in static strength betweenimported diamonds and domestic diamonds is very small. To some extent, the staticstrength of domestic diamonds is higher than that of imported one; Under the vacuumcondition, in1200℃, the carbonization of diamonds occur only among thediamonds with internal defects; On the same size of diamonds, static strength ofdiamonds coated with Titanium is higher than common diamonds, and in hightemperature the diamonds coated with Titanium also have good antioxidant capacity.The thermal test results show that under the condition of N2as a separate gas,heat-resistant temperature of imported diamonds is1050℃, while that of domesticdiamond is1040℃.So it is easy to see that the thermal stability of the importeddiamonds is higher than the domestic one only by10℃. Magnetic test resultsshow that translation phenomenon of magnetic hysteresis loop happen in two types ofdiamonds. In conclusion, during the drilling process, diamond bits withstand not onlythe temperature, but also the impact and friction. Therefore it is necessary to considerthe factors of diamond static strength, thermal stability and magnetism to evaluate theoverall performance of the diamond.
3、In this study, for getting better properties of WC matrix composites, theRockwell Hardness and bending strength, etc. Of30WC matrix composites, preparedby10different formulas, were tested. These samples were manufactured by thevacuum hot-pressing sintering process using intermediate-frequency furnace under theconditions of13MPa (Sintering pressure), the heating time of6min and the holdingtime of5min. The influence of WC, ZQSn663copper, Mn, Co, and Ni on thehardness and bending strength properties of matrix was investigated by data analysis.The results indicated that the content of WC is the major factor to influence thehardness and bending strength of matrix. Internal logic existed between the matrix’shardness and bending strength. The matrix with high hardness always has highstrength. To get excellent performance of the matrix, the proportion of elements by mass should be controlled in formula: w(WC）<59.1%, w(ZQSn663)>25%,3%
5、According to the manufacturing processes of positioned diamond bionic bit,three new coring bits are designed and manufactured. By testing the drill-ability ofgranite, Ⅳ Formula is selected, and this formula would make the hardness of matrixbody reach38.6. The grain size of diamonds is30/35from imported diamonds. Thesintering parameters are listed as follows: temperature is970℃, and the temperaturerising gradient is uniform. Sintering pressure is14Mpa, and heat preservation time is8~10min. Experimental results show that the positioned diamond bionic bitperforms well in the low WOB and small torque drilling conditions. When the WOBis2000N, the ROP (rate of penetration) of positioned diamond bionic bit is1.433times as fast as bionic diamond bit, and it is3.160times as fast as common diamondbit. The ROP of bionic diamond bit is2.206times as fast as common bit.
引文
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