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新型钻头

发布时间: 2020-11-21 10:18:33

⑴ 麻花钻头常用的规格有哪几种

螺旋槽有2槽、3槽或更多槽,但以2槽最为常见。麻花钻可被夹持在手动、电动的手持式钻孔工具或钻床、铣床、车床乃至加工中心上使用。钻头材料一般为高速工具钢或硬质合金。

麻花钻是通过其相对固定轴线的旋转切削以钻削工件的圆孔的工具。因其容屑槽成螺旋状而形似麻花而得名。

麻花钻用途为工业制造上使用最广泛的一种钻头,我们一般使用的就是麻花钻头.钻头的长径比当工艺人员为特定的孔加工任务选择最合适的钻头类型时,需要计算钻头的长径比。

长径比为被加工孔的深度与钻头直径之比,例如,钻头直径为12.7mm,需要加工的孔深度为38.1mm,则其长径比为3:1。当长径比约为4:1或更小时,大多数标准麻花钻头的排屑槽均能较顺利地排出钻头切削刃切除的切屑。

而当长径比超出上述范围时,则需采用专门设计的深孔钻头才能实现有效的加工。麻花钻标准产品均采用国家标准,并等效采用国际标准。

一旦被加工孔的长径比大于4:1,标准麻花钻就很难将切屑顶离切削区并排出孔外,切屑很快会阻塞钻头排屑槽,此时需要停止钻削,从孔中退出钻头,清除排屑槽中的切屑,然后重新下钻继续切削,上述操作需重复多次才能加工出要求的孔深,这种钻削方式通常称为“啄击”法。

采用“啄击”法加工深孔会缩短刀具寿命,降低加工效率,影响被加工孔的质量。每一次将钻头从孔中退出,清除切屑后重新插入孔中时,都有可能偏离孔的中心线,从而使孔径变大,超出规定的尺寸公差范围。

为了解决深孔加工难题,近年来钻头制造商开发出了两种新型深孔加工钻头——普通抛物线型钻头和宽刃抛物线型钻头。

(1)新型钻头扩展阅读:

麻花钻头缺点

麻花钻头的几何形状虽比扁钻合理,但尚存在着以下缺点:

(1)标准麻花钻主切削刃上各点处的前角数值内外相差太大。钻头外缘处主切削刃的前角约为+30°;而接近钻心处,前角约为-30°,近钻心处前角过小,造成切屑变形大,切削阻力大;而近外缘处前角过大,在加工硬材料时,切削刃强度常嫌不足。

(2)横刃嫌长,横刃的前角是很大的负值,达-5 4°~-6 0°,从而将产生很大的轴向力。

(3)与其他类型的切削刀具相比,标准麻花钻的主切削刃很长,不利于分屑与断屑。

(4)刃带处副切削刃的副后角为零值,造成副后刀面与孔壁间的摩擦加大,切削温度上升,钻头外缘转角处磨损较大,已加工表面粗糙度恶化。

麻花钻的使用保养

1、麻花钻在使用时先将横把部件螺栓接头插入钻头部条活动连接螺母定向槽内,逆时针方向旋紧连接螺母,即可插入预定钻孔地区用手加压以顺时针向旋入土壤中,每旋约200~250毫米即向上提拨钻孔(若过深提拨时会很费力而不方便)、剔下钻头螺旋中土、此土即为离该地段距离的土样。

2、逐次往复工作至1米时需继续往深处钻取,应顺时针方向旋松钻头部分连接部分连接螺母卸下横把,把附加第二节钻杆部分螺栓头部分连接插入钻头部件活动连接螺时针方向旋紧连接螺母,再将横把部件与钻杆同上(1)比接好继续工作,三,四,五节同上直至工作完止。

3、麻花钻杆是用蒲壁无缝钢管制成,故不宜在坚硬土质的地区进行使用。

4、每次使用完毕后应洗净、擦干,涂上防锈油脂,以防生锈。

⑵ 民间这个钻头是有多牛,竟可以申请专利

我国专利法规定的专利类型有三种:发明专利、实用新型专利、外观设计专利。

  • 发明专利

    针对产品、方法或者产品、方法的改进所提出的新的技术方案,可以申请发明专利;

  • 实用新型专利

    针对产品的形状、构造或者其结合所提出的适于实用的新的技术方案,可以申请实用新型专利;

  • 外观设计专利

    针对产品的形状、图案或者其结合以及色彩与形状、图案的结合所作出的富有美感并适于工业应用的新设计,可以申请外观设计专利。

⑶ 新型耐磨切削齿Quantec系列PDC钻头

一、内容概述

Hughes Christensen公司应用新型设计工艺制造的Quantec系列优质PDC钻头(图1)采用了与具体钻井工程相匹配的新型耐磨齿和钻头结构,能获得更高的平均机械钻速、更好的稳定性与耐用性,并能降低钻井成本。这种钻头的金刚石体积控制设计还能提高钻头的机械和水力效率。

图1 Quantec系列PDC钻头

该公司的SmoothCut切削深度控制专利技术使钻头能够更平稳地钻进,从而减轻切削齿(尤其是在钻夹层地层时)的早期磨损。这种新型钻头还融合了负载平衡切削结构技术,此切削结构中含有弦降控制技术以及侧向运动缓解技术,以减轻钻头的振动并提高其对回旋的抵抗能力。在钻头上应用的热稳定聚晶齿能够使钻头在最具研磨性的环境中最大程度发挥保径能力。计算流体力学技术的应用能保证钻头最好的岩屑清除效果,同时还能在钻井液流量、切削齿冷却和抗冲蚀性之间达到最佳的平衡。

所采用的D技术集成了EZSteer和LGC等一系列用于进行持续定向控制的技术,应用该技术可提高机械钻速,优化井眼质量,延长工具寿命。EZSteer技术是一种控制切割深度的专利技术,可以有效地控制钻头反扭矩的生成,对承压面的控制精准,可使对PDC钻头的控制如同普通钻头,因此保留了PDC钻头的钻速优势。LGC技术是一种优化钻头长度、几何形状和切削齿的技术,使D技术PDC钻头所钻井眼更加平滑、标准。

二、应用范围及应用实例

在美国怀俄明州Pinedale地区的背斜小井眼区段,带有夹层的砂岩和页岩、高钻井液密度以及过高的压力都会导致很高的围压,钻井作业商曾使用多家钻头公司的5刀翼PDC钻头来钻S形井眼的底部井段。其中一个作业商选用了休斯公司ϕ152.4mm的QuantecQ405和Q505钻头钻这一小井眼井段,钻时平均值比邻井少了72h,每个井队1年能够节省将近140万美元。

三、资料来源

黄蕾蕾,薛启龙.2010.国外钻头技术新进展.石油机械,(4)

⑷ 据说,中国石化西南工程院自主研发出新型钻头,请问新型钻头的具体情况是怎样的能够降低多少成本

12月11日,由西南工程技术研究院自主研制的个性化新型孕镶金刚石钻头“T1-SP281”在羊深1井须家河组四段应用取得突破,该钻头进尺117米,平均机械钻速1.79米每小时,同比进口金刚石钻头提高47.93%。

针对低渗气致密气藏深层须家河高研磨性地层,该钻头创新性设计采用了柱状立式和卧式孕镶齿混合布齿,强化钻头抗研磨和攻击性能。在入井前,技术人员深入钻头制造厂、钻井公司、科研高校,充分论证了钻头入井技术措施和应急预案,并根据工况实时优化了钻井参数。本钻头在羊深1井为第二次入井试验,合计钻井进尺262.36米,主要钻遇了页岩和砂岩,及少量砾石层,进一步验证了钻头在须家河井段的适应性。

近年来,西南工程院紧密围绕“降本增效、钻井提速提效”狠下功夫。新型孕镶金刚石钻头“T1-SP281”自主研制和提高钻速方面的突破,打破了深层须家河组地层依赖进口钻头的局面,单只钻头成本降低了30%,在提速、降本增效方面摸索出一条自主创新的路子。

⑸ DPI-ReedHycalog公司新型小井眼双心钻头

一、内容概述

DPI-ReedHycalog公司开发了一种新型小井眼(ϕ250.8mm或更小)双心钻头。它能减小在切线段井斜角,增大对钻柱振动的抵抗能力,改善其磨损状况。这种钻头由导眼体、扩眼体和中扩眼体组成。中扩眼体可提高其几何稳定性。为了使中扩眼体起到应有作用,导眼体和扩眼体之间的直径差就必须足够大。但随着双心钻头直径的变小,这个直径差就越来越小,在导眼体和扩眼体之间就没有空间设置中扩眼体。为此,DPI-ReedHycalog公司将中扩眼体设计成导眼体的一部分,使中扩眼体的优点保存下来了,导眼体的直径也足够大。

二、应用范围及应用实例

这种新型ϕ215.9mm×241.3mm CSD+322双心钻头在南得克萨斯某井使用,以8.53m/h的机械钻速钻完了全部井段的371.86m,是同地区双心钻头效果最好的。上述新型井底钻井工具都有其独特之处,适应于双心钻井作业、旋转导向钻井和套管钻井作业等各种场合,满足钻井市场的需要,并可提高钻井效率,值得借鉴。

三、资料来源

黄蕾蕾,薛启龙.2010.国外钻头技术新进展.石油机械,(4)

申守庆(编译).2009.国外钻头公司隆重推出贴近需求的新品(二).石油与装备,(5)

⑹ 铣刀与钻头有什么区别

区别一、用途不同

铣刀主要用于在铣床上加工平面、台阶、沟槽、成形表面和切断工件等;

钻头是进行石油钻井工作的重要工具之一,一般用于钻孔。

区别二、类别不同

铣刀分为尖齿铣刀和铲齿铣刀;钻头分为金刚石钻头、牙轮钻头与刮刀钻头。

铣刀,是用于铣削加工的、具有一个或多个刀齿的旋转刀具。工作时各刀齿依次间歇地切去工件的余量。

在钻井过程中钻头是破碎岩石的主要工具,井眼是由钻头破碎岩石而形成的。一个井眼形成得好坏,所用时间的长短,除与所钻地层岩石的特性和钻头本身的性能有关外,更与钻头和地层之间的相互匹配程度有关 。

(6)新型钻头扩展阅读:

钻头研发历程:

1969~1975年郑州三磨所分别生产了几种不同直径的JR20SN一2聚晶体,首先用于保径的孕镶钻头和扩孔器的制造,钻进矿山7级以下的地层;

在上世纪80年代初期我国自主研发的PDC尚未成功之前,6×6mm聚晶体曾大量用于石油、天然气钻井的取芯钻头和西瓜皮式的全面钻进钻头;

80年代末一直到现在,PDC制造厂对PDC进行了一系列的改进与创新,使PDC的各项性能得到了很大提高,而各大钻头公司随着能源市场的景气、原油价格的不断创新高,他们与石油公司一起积极开发了一系列新型PDC钻头,改善了使用效果与扩大了使用领域;

90年代起,从钻头水力学角度出发,通过完善钻井泥浆以控制页岩中钻头泥包现象获得了成功,使解决钻进页岩夹层存在的问题获得了突破性进展。

⑺ 我做机械加工,正在研制一种革命性的新型钻头,可自己没有个这设备及财力进行开发,该怎么办,怎么办呢

如何让人相信你的是革命性的,发个邮件到tianna011@sina.com.

⑻ 普通钻头与群钻有何区别

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群钻

群钻,是将标准麻花钻的切削部分修磨成特殊形状的钻头。群钻是中国人倪志福于1953年创造的,原名倪志福钻头,后经本人倡议改名为“群钻”,寓群众参与改进和完善之意。标准麻花钻的切削部分由两条主切削刃和一条横刃构成,最主要的缺点是横刃和钻心处的负前角大,切削条件不利。群钻是把标准麻花钻的切削部分磨出两条对称的月牙槽,形成圆弧刃,并在横刃和钻心处经修磨形成两条内直刃。这样,加上横刃和原来的两条外直刃,就将标准麻花钻的“一尖三刃”磨成了“三尖七刃”。

群钻简介

修磨后钻尖高度降低,横刃长度缩短,圆弧刃、内直刃和横刃处的前角均比标准麻花钻相应处大。因此,用群钻钻削钢件时,轴向力和扭矩分别比标准麻花钻降低30~50%和10~30%,切削时产生的热量显著减少。标准麻花钻钻削钢件时形成较宽的螺旋形带状切屑,不利于排屑和冷却。群钻由于有月牙槽,有利于断屑、排屑和切削液进入切削区,进一步减小了切削力和降低切削热。由于以上原因,刀具寿命可比标准麻花钻提高2~3倍,或生产率提高 2倍以上。群钻的三个尖顶,可改善钻削时的定心性,提高钻孔精度,为了钻削铸铁、紫铜、黄铜、不锈钢、铝合金和钛合金等各种不同性质的材料,群钻又有多种变型,但“月牙槽”和“窄横刃”仍是各种群钻的基本特点。

普通麻花钻受其固有结构的限制,其几何形状存在着某些缺陷。通过对其切削部分的修磨,可以得到一定改善。“群钻”就是一种行之有效的修磨形式。如果采用比普通高速钢性能更好的新型刀具材料,或变革麻花钻的结构,在此基础上再将钻头切削部分修磨成“群钻”钻型,则钻孔效果将进一步提高。新刀具材料的研制技术和刀具的制造技术有了很大的发展,故使变革麻花钻的材料和结构成为可能。此外,随着被钻孔材料和钻孔条件日益多样化,“群钻”的钻型也有了很多发展,形成了一个系列。

⑼ 新型热压孕镶金刚石钻头设计与研究

安徽地矿局313队探矿工程技术研究所依托承担的“高效长寿命金刚石钻头研制”项目,结合深部钻探对金刚石钻头的特殊要求,研制了下述三种新型钻头。

(一)热压直角梯形齿孕镶金刚石钻头

1.钻头结构设计

这类钻头的切削单元是直角梯形齿。与等腰梯形相比,直角梯形齿的横截面积小,在相同钻压下可增大钻进比压。直角梯形齿可分解为长方体和三角体两部分。长方体是破碎岩石主体,而三角体支撑着长方体并参与破碎岩石,提高了切削齿的抗弯强度。直角梯形钻头如图6-24所示。该型钻头已获国家实用新型专利(专利号ZL201320108265.4)。

图6-24 直角梯形齿钻头外形

(1)直角梯形齿受力分析

设直角梯形齿的直角边高为H,梯形顶部宽为L,梯形斜角为α,受垂直钻压P和回转力W的作用(图6-25)。为了方便计算分析,忽略直角梯形齿钻头在孔底的振动、弯曲等交变应力作用。

图6-25 直角梯形齿受力分析示意图

直角梯形ABCD如图6-26所示,假设B端面承受均布的轴向压力,其合力P作用在对称位置。钻进中,该钻齿可视为左端齿根部固定,右端自由的一根悬臂梁。在回转力矩和钻压同时作用下,悬臂梁承受轴向压缩和弯曲。按材料力学分析,梁组合变形时危险横截面在固定端A截面。

图6-26 平面直角梯形齿受力分析

一般钻齿的α角较大,故该变截面梁左端横截面上的弯曲变形中性轴可近似认为在该截面上下对称位置,即y=h1/2;A横截面上的内力有:

轴力(压缩)N=P;剪力(弯曲)Q=F;

弯矩(弯曲)M=P·e-F·(l-x)x=0=P·e-F·l

若忽略剪力Q对材料强度的影响,则该截面上各点的正应力为:

深部岩心钻探技术与管理

式中:A=b·h1=b·(h+l/tanα);

e=h1/2-h/2=(h1-h)/2=(h+l/tanα-h)/2=l/2tanα;

Iz=b

/12;

h2=l/tanα;

h1=h+h2=h+l/tanα。

图6-27 钻齿A端横截面

假设A端横截面为矩形(图6-27),则A横截面上各点的正应力为:

深部岩心钻探技术与管理

A横截面上最大拉应力位于上边缘线各点,最大压应力位于下边缘线各点,两者绝对值相等。则:

深部岩心钻探技术与管理

将h1代入化简后得:

深部岩心钻探技术与管理

深部岩心钻探技术与管理

深部岩心钻探技术与管理

利用推导出的式(6-5),再结合钻头的规格、结构、胎体力学性能和所钻岩石的物理力学性能,就可以设计直角梯形齿钻头的齿形规格。

(2)直角梯形齿结构设计分析

考虑到钻头胎体的抗压强度一般都很高,远远超过钻压引起的轴向应力,即梯形切削齿的抗压强度能满足钻进要求,所以,对梯形切削齿的轴向压力不作过多分析。设直角梯形齿的尺寸如下:梯形顶宽h,梯形齿厚度b,梯形底角α,直角梯形高l。以规格Φ77/48mm的热压金刚石钻头为例,b=(77-48)/2=14.5mm。而l由工作层高和过水间隙确定,若工作层高10mm,过水间隙取3mm,则l为13mm。剩下的变量就只有α角和梯形顶宽h。式(6-3)可写成:

深部岩心钻探技术与管理

将上面数据代入式(6-6),得:

深部岩心钻探技术与管理

梯形顶宽h决定了钻头与岩石的初始接触面积,对可钻性Ⅶ~Ⅸ级岩石,选择h值在8~12mm之间。以岩石可钻性Ⅷ级h=10mm为例,式(6-7)可写成:

深部岩心钻探技术与管理

梯形底角α可根据岩石力学性质和钻头规格在55°~70°之间选择。在h值一定的条件下,α越小,直角梯形齿的抗弯能力越大,但受到钻头水口的限制。因此,设计直角梯形齿钻头时,只要知道F力和α角的大小就可以得出梯形齿的应力σ,只要梯形齿的实际抗弯强度大于σ,这个梯形齿就是安全的。其中,F力主要取决于岩石抗剪强度和齿与孔底的摩擦力。一般采用试算法决定α角。

例如,对于钻进Ⅷ级花岗岩的Φ77/48mm钻头取α=60°进行试算,已知岩石抗剪强度约为315MPa,得出梯形齿承受的应力约为553MPa,显然低于钻头胎体要求的最低抗弯强度(700MPa)。因此,这个设计是安全的。

2.钻头金刚石参数设计

1)直角梯形齿由长方体M和三角体N两部分组成(图6-28),它们的胎体成分及性能相同,而M部分的金刚石浓度较高,N部分较低。钻进初期,只有BDFG平面与岩石接触,面积小,比压大,钻进硬而致密的岩石效率高。随着钻头磨损,接触面积逐渐增大,钻速将有所下降。但由于N部分的耐磨性较低,钻速降幅不很大(在15%~18%范围内)。此时,N部分的作用是支撑破岩主体M部分,增大其抗弯强度和抗冲击韧性,并起辅助碎岩作用。因此,该类钻头的设计主要在于根据岩石性质确定M与N两部分的比例及其性能。

图6-28 金刚石分布示意图

2)对硬、中等至较强研磨性岩石,可设计使长方体M与三角体N的胎体性能相同。而对硬至坚硬、弱研磨性岩石应选长方体M的胎体较硬、金刚石浓度较高;三角体N部分的胎体较软、金刚石浓度较低。

3)通过改变长方体M、三角体N的比例及α角的大小,可以调节钻头的性能和钻进效果。长方体M越小,α角越大,钻进速度将越高,反之亦然。

4)该类钻头可供调节的结构参数有:长方体M、三角体N、α角、金刚石和胎体性能参数。一般钻头水口取6~8mm;α角取75°~65°;M∶N=3∶2或5∶3。金刚石粒度、品级和浓度的基本规律与普通钻头相同。对硬至坚硬、弱研磨性岩石,长方体M的金刚石品级SMD35,浓度60%~65%,粒度:40/50目占50%~60%,50/60目占40%~50%。而三角体N的金刚石品级SMD30~SMD35,浓度45%~50%;粒度:50/60目占45%~50%,40/50目占50%~55%。对硬、中等至较强研磨性岩石,两部分的性能相同,金刚石品级SMD30~SMD35,浓度75%~85%,粒度:30/35目占20%~25%,40/50目占50%~60%,50/60目占20%~25%。

5)该型钻头的钻进规程参数应依据岩石硬度与研磨性来确定。对中硬、完整度较差的岩层,钻压与转速宜偏低,以防切削齿切入岩石过深而憋钻。而对硬而致密岩层可采用较高的钻压和转速,以获得高钻速。

(二)热压孕镶碎聚晶金刚石钻头

碎聚晶材料是聚晶体合成过程中产生的次品,但因其高硬度与高磨耗比性能不变而同样具有利用价值。大多数碎聚晶粒为径高比接近1的圆柱体,可以用来制造孕镶钻头。对于中硬至硬、中等研磨性岩石具有好的适应性。

1.碎聚晶粒破碎岩石原理

与普通孕镶粗颗粒金刚石钻头相似,碎聚晶粒在孕镶钻头胎体中成无序排列。接近圆柱体的碎聚晶粒在热压胎体中可能有三种随机分布的基本形态:直立、横卧和与孔底成一定角度(图6-29),其破碎岩石的机理与效果也有所差异。

1)直立状碎聚晶粒。直立状碎聚晶粒破碎岩石的原理与完整聚晶体基本相同,在钻压P作用下切入岩石一定深度,并在水平力Q作用下剪切破碎岩石[图6-29(a)]。钻压越大,切入越深,产生的剪切体越大,破碎效果越好。

图6-29 碎聚晶在胎体中不同形态与破碎岩石的情形

2)成一定角度的碎聚晶粒。钻进初期,成一定角度的碎聚晶粒与岩石接触面积最小[图6-29(b)],具有一定的尖棱角,容易切入岩石,钻进效率高。随着碎聚晶粒的锐角逐渐变钝,钻速逐步下降,但总的钻进效率还是较高的。

3)横卧状态碎聚晶粒。横卧状态碎聚晶粒破碎岩石的原理与直立状碎聚晶粒不同,钻进初期横卧碎聚晶粒与岩石的接触面积比直立状小得多[图6-29(c)],钻进效率高。随着钻进时间的推移,碎聚晶粒与岩石的接触面积逐渐变大钻速有所下降,但总的钻进效率仍较高。横卧状碎聚晶粒不易崩刃,钻进比较平稳。当碎聚晶粒磨损过半后,与孔底接触面积逐步减小,又将出现钻速提高的阶段。

以上三种随机分布的碎聚晶粒的破岩机理和效果各有所长,可以实现优势互补,可以在可钻性Ⅷ级以下(含部分Ⅷ级)较完整岩石(如大理岩、灰岩、玄武岩、砂岩等)中保持较稳定、较高的钻进速度。它比碎合金粒钻头适应的岩层更广,只要胎体性能设计合理,还可用于钻进硬、脆、碎的较强研磨性岩层。

2.碎聚晶孕镶钻头的胎体性能设计

碎聚晶的粒度比金刚石单晶粗,而比碎合金粒细。因此,胎体性能应介于普通金刚石钻头和碎合金粒钻头之间,具备中等硬度、中等耐磨性。硬度设计为HRC25~HRC30;而耐磨性可设计为(0.55~0.6)×10-5,采用MPX-2000型摩擦磨损试验机测试时,其耐磨性可设计为420mg~450mg。

由于碎聚晶粒的抗压强度高,磨耗比为2万~8万,甚至更高,从理论上讲它可以钻进任何岩石,但由于其颗粒较粗,切入岩石阻力大,破碎硬岩的时间效应明显,所以钻进的岩石级别受到一定限制,适于钻进Ⅷ级以下、中等至较强研磨性、完整至较完整的岩层。

3.碎聚晶参数设计

由金刚石破碎岩石原理可知,粗粒金刚石多用于钻进较软的和低研磨性岩石。碎聚晶钻头中一般选取直径Φ1.5~Φ2.5mm,高2~2.5mm,即径高比接近1的碎聚晶。这种粒度接近于表镶钻头中天然金刚石的粒度,由于其硬度与磨耗比远不如天然金刚石,所以只能制造孕镶钻头。对可钻性Ⅵ级及其以下的岩石体积浓度取20%,而对Ⅵ~Ⅷ级岩石取25%。考虑到随机混料时难以保证粗粒碎聚晶在钻头胎体中均匀分布,必须采用如图6-30所示的制粒机,边旋转边喷撒金属粉料和黏结剂,使碎聚晶颗粒裹上一层厚厚的金属膜,以达到胎体中颗粒均匀分布之目的。

图6-30 制粒机

4.碎聚晶钻头结构设计

在生产实践中,人们都希望新钻头下孔后便能有效钻进,而传统的孕镶碎聚晶钻头必须要有个初磨过程才能进入正常钻进。为改变这种状况,可把碎聚晶钻头设计成表镶与孕镶结合的结构,即第一层为有序排列的表镶形式,而后续工作层为无序排列的孕镶形式。按照这个思路,石墨模具也设计成普通模具和第一层表镶模具(如图6-31所示)两部分。取心式碎聚晶金刚石钻头的结构如图6-32所示。

图6-31 取心式碎聚晶钻头

用第一层模具

图6-32 取心式碎聚晶钻头结构示意图

1—钻头钢体;2—钻头胎体材料;3—孕镶碎聚晶;4—表镶碎聚晶;5—单晶金刚石;6—钻头保径材料;7—钻头水口

在热压碎聚晶钻头结构中,除了碎聚晶主磨料外,还孕镶有品级SMD30、粒度30/40目、浓度20%~25%的单晶金刚石。这部分金刚石不仅参与破碎岩石,更重要的是可以保持工作层平衡磨损,提高钻头的使用效果。孕镶碎聚晶钻头已获得国家实用新型专利,专利号:ZL201320109451.X。

(三)添加氧化铝空心球的热压金刚石钻头

氧化铝空心球是粉末冶金材料中的一种造孔剂,硬度不高,脆性大,基本不与胎体其他材料发生反应,把它随胎体材料与金刚石一起混合均匀后装入模具中热压烧结(图6-33),可起到提高胎体材料孔隙度,弱化耐磨性的作用。

图6-33 氧化铝空心球的作用机理示意图

1—金刚石;2—氧化铝空心球

由于氧化铝空心球的抗压强度远低于金刚石,在热压过程中部分被压碎的空心球将形成薄弱点阵,随着胎体磨损这些薄弱点阵很容易脱落,并在底唇面留下许多空穴,使之变得粗糙,摩擦系数提高,胎体磨损加快,金刚石出刃效果更好。加之与孔底接触面减少,有利于提高在硬而致密岩石中的钻进效率。添加氧化铝空心球的热压金刚石钻头已获国家实用新型专利,专利号ZL201220651088.X。

1.氧化铝空心球的参数设计

(1)氧化铝空心球的粒度

市场上不同粒度的氧化铝空心球如图6-34、图6-35所示。空心球的粒度对弱化胎体耐磨性和强度具有明显影响。浓度一定时,空心球粒度小,比表面积大,意味着分散性好,在胎体唇面形成的空穴小且多,弱化胎体耐磨性的效果将提高。但如果粒度太小形成的孔隙过小,对胎体的弱化效果并不明显。而粒度过大,分散性变差,同样不利于弱化胎体。因而空心球的粒径应选择0.2~1.0mm,相当于70目~20目的金刚石粒径。岩石越硬、越致密,空心球的粒度应越粗,使磨损后的底唇面越粗糙,胎体耐磨性下降越多,有利于工作金刚石出刃,提高钻进速度。

图6-34 粗粒氧化铝空心球

图6-35 混合粒度氧化铝空心球

(2)氧化铝空心球的浓度

空心球在胎体中的浓度高则胎体的弱化程度也高,但浓度过高会降低胎体的强度,影响金刚石钻头的正常使用。而空心球的浓度过低则对弱化胎体耐磨性作用不大。一般认为其体积浓度12%~18%比较合理。岩石越硬、越致密,胎体中空心球的含量应越高,使胎体耐磨性下降得明显,金刚石的出刃效果更好。

(3)氧化铝空心球参数的试验研究

取氧化铝空心球粒度0.3mm、0.6mm、0.9mm三种规格,浓度10%、20%、30%三种水平进行试验设计。胎体配方:FeCuNi占40%,FeCu30占40%,CuSn10占20%。按试验设计分别烧结出胎块并测试耐磨性,其对胎体弱化的效果见表6-5。根据表中数据绘制的柱状图见图6-36。

表6-5 钻头胎体耐磨性弱化试验设计表

图6-36 氧化铝空心球粒度及含量与耐磨性的关系

粒径:A—0.3mm;B—0.6mm;C—0.9mm

由图6-36可以看出,随着氧化铝空心球的浓度增加,胎体的磨损量增大,耐磨性呈下降趋势。而不论含量如何变化,只要空心球的粒度增加,胎体的耐磨性呈增加趋势。可见,氧化铝空心球的浓度对胎体弱化具有显著影响,而空心球的粒度同样是影响胎体性能的重要因素。

2.钻头金刚石参数的设计

含氧化铝空心球热压金刚石钻头主要为坚硬致密的“打滑”岩石设计。必须明确,在坚硬致密岩石中尽管采用高转速,也不可能取得较高的钻速,只有实现微压入以微体积破碎方式破碎岩石,才能取得好的破碎效果。

(1)金刚石粒度设计

在硬而致密岩石中粗粒金刚石钻头极难自锐,钻进效率反而很低。因而必须选择较细粒的金刚石,但如果太细,金刚石与胎体接触面积甚小,很快随胎体磨损而掉粒。因而多选择50/60目与60/70目的金刚石。

(2)金刚石浓度设计

一般认为钻进坚硬致密岩石的钻头应采用低的金刚石浓度,但究竟浓度多低合适还需要研究。虽然在相同钻压条件下,低浓度的每颗金刚石上压力增大,更容易切入岩石。但浓度过低钻进效率和钻头寿命也会随之下降。所以,金刚石的浓度应存在一个优化值。设计浓度时,还必须考虑添加材料的造孔作用,由于造孔后胎体的孔隙度增加,应适当降低金刚石的浓度,以保证其包镶强度不受影响。另外,金刚石的浓度与粒度有相互依存关系。金刚石的粒度越细,其浓度也应适当降低。

(3)金刚石品级设计

坚硬致密岩石的抗压入硬度很高,所以必须使用高品级的金刚石,单颗金刚石的抗压碎强度不能低于300N,金刚石的TTi值能达到85%。

综上所述,金刚石参数设计如下:粒度采用50/60目~60/70目,其中50/60目占40%,60/70目占60%;浓度为60%~70%;金刚石品级不低于SMD35

⑽ 采用不同形状PDC 片的钻头试验效果

考虑到复合片经(沿不同方向)切割和磨锐后,必然对新形成的切削刃质量有一定影响。为了查明新切削刃的耐磨特性,曾采用不同形状PDC片的钻头在Ⅷ~Ⅸ级砂岩和Ⅸ级辉长岩中进行钻进台架试验,以测定切削刃沿高度方向的耐磨性。

为此,制造了7个直径76mm的试验钻头,每个钻头上焊了4片同型号的复合片。参加试验的复合片有5种形状:包括一片直径13.5mm的完整圆柱形复合片和4片形状如表3-5中编号为№1、№2、№3和№5的复合片。

复合片以新形成的切削刃定位在钻头端部或内、外侧面,以便切削破碎岩石。

表3-6列出了焊有试验复合片的钻头结构图。

№1号钻头的端面宽度13.5mm,焊有4片完整的圆柱形复合片。

№2号钻头的端面宽度13.5mm,焊有4片表3-5中的№1形复合片。

№3号钻头的端面宽度11.2mm,焊有4片№2形复合片,该复合片有两个新切削刃,让一个朝向端部,而另一个朝向外侧或内侧面。№4号钻头焊有№3形复合片,其朝向端部的刃宽为13.4mm。

表3-6 复合片钻头结构示意图

在上述钻头中,钻头端面上的复合片都没有相对错位分布,因此孔底仍处于槽内封闭式切削模式。

№5号钻头焊有№3形复合片,其刃部朝向内外侧面。钻头端部的宽度9mm,与常规地质勘探用钻头相对应。这时复合片交替安装在外径或内径方向上,以实现孔底半封闭的切削方式。

№6号和№7号钻头焊有№5形复合片,也像№5号钻头一样采用半封闭式切削方式,钻头端部的宽度也是9mm。№6号钻头的复合片被做成端部和内外侧切削刃。№7号钻头只是把复合片依次排放在钻头内外侧,用复合片自身的切削刃作为端部切削刃。

钻头首先以125r/min的转速在砂岩上进行磨合,接着在转速250r/min和轴向载荷5~10kN的条件下进行试验。最后用该钻头在10~20kN载荷下钻进辉长岩岩块。

表3-7列出了在砂岩上的试验结果。由表3-7可以看出,复合片直径较小且以半封闭式和边角处封闭式切削方式工作的№5、№6、№7号钻头显示出更高的钻进速度。装有半圆形复合片,切削刃朝向端部的№4钻头钻速有所下降。其原因在于复合片很快被磨钝。

表3-7 非整形复合片钻头在n=250r/min条件下钻进Ⅷ~Ⅸ级砂岩的试验结果

表3-8列出了在辉长岩中钻进的钻速情况和复合片磨损情况的试验结果。试验表明,机械钻速也有类似于砂岩的结果。在耐磨性方面,№2和№3形复合片效果更好。但由于复合片朝向端部的刃尖部分出现碎裂,使其磨损量有所增大。磨损量增大主要集中在位于环形钻头体端面中线处的小尺寸切削刃上。钻头体端面中线部分的复合片磨损强度比偏离中线5~6mm的№2、№3形复合片大2~3倍。这可解释为,中线部分的复合片承受的压力和振动载荷最大,而排粉和冷却条件最差。

表3-8 非整形复合片钻头在n=250r/min条件下钻进Ⅸ级辉长岩的试验结果

根据试验结果,可绘制出磨损强度曲线图(图3-16),由图可看出,布置在距离中线5~6mm地方的复合片将具有更高的使用寿命。于是可以得出结论,尺寸为11.2mm的№2、№3形复合片工作性能最好,而且应该把它们设计成半封闭式或边角封闭的切削方式。

根据试验结果及其总结的复合片钻头结构特征,乌克兰超硬材料研究所设计并制造了一批新型PDC试验钻头,并把它们与批量生产的КГ-84МС型钻头一起用于生产试验。根据生产试验的对比结果(表3-9)可以看出,焊有№2形复合片的钻头可使钻进效率提高0.5~2倍。

图3-16 复合片切削刃磨损程度与其到钻头体端面中线距离的关系

表3-9 镶有直径8mm和13.5mm复合片的新型钻头生产试验结果

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