硬脆性磨粒对金刚石钻头在硬岩钻进中的性能影响机制

With the development of green exploration under new normal and exploration engineering extend to livelihoods and unconventional energy exploration, it make high requests for drilling efficiency. This researchl aim at expound the impact mechanism of brittle grits for improve drilling efficiency, tribology, mic-cutting theory and rock breaking theoretical approaches were used to establish influence model of hard brittle particle parameter on wear resistance based on grindability test and regression analysis method; hard brittle particle in different position on single diamond cutting properties and diamond failure forms are considered to establish diamond cutting modes in typical position and cutting parameters modeling and assessment of micro diamond grain based on friction and wear test; synergistic mechanism of hard brittle particle in different position on diamond exposure performance are considered to establish representation mechanisms between particle position micro change and drilling efficiency macro change, revealing and establishing assessment system of comprehensive drilling performance. Research achievements in this study can enriches existing theory and technology and provide scientific criteria for hard brittle particle parameters quantitative expression and drilling performance prediction, it may have important value for enhance drilling efficiency, drcrease drilling period in order to minimize hazardous to environment.

随着新常态下勘探作业朝绿色钻探方向的发展以及向民生领域、非常规能源领域的延伸，其对钻进效率提出了更高的要求。为此，本项目以阐明硬脆性磨粒对钻头钻进性能提升的影响机理为研究目标，基于摩擦学、微切削学及岩石破碎学等理论，通过研磨性测试和回归分析方法建立硬脆性磨粒参数对金属基胎体耐磨损性能的预测模型；通过摩擦磨损试验对不同位置状态下的磨粒对单颗粒金刚石切削性能及其失效形式进行分析，建立典型位置状态下的金刚石切削受力模型及金刚石微观形貌参数化评价方法；通过室内微钻试验结合前述受力模型研究多种分布形态的磨粒对金刚石钻头钻进性能的协同影响机理，建立磨粒微观分布状态变化与宏观钻进性能差异的表征机制，构建多条件下钻头的钻进性能综合评价体系。研究成果将进一步丰富现有理论和技术，为实际钻头设计中的硬脆性磨粒参数定量表达及钻进性能预测提供科学判据，对提高钻进效率、缩短工程时间以期降低对环境的危害具有重要的意义。

本课题的意义在于进一步完善和丰富现有金刚石钻头理论和技术，为实际钻头设计中的硬脆性磨粒参数定量表达及钻进性能预测提供科学判据，为磨粒分布形态优化策略提供理论依据，同时也为该思路进一步扩展至其他金刚石工具应用领域提供理论储备及模型参考. 主要研究内容包括：分析硬脆性磨粒参数对WC基胎体耐磨损性能的影响规律；分析适用于金刚石钻头的预合金类金属基胎体力学性能及对研磨颗粒包镶性能影响；探讨不同位置状态下的硬脆性磨粒对金刚石切削性能的影响差异；探讨多种分布形态的硬脆性磨粒对金刚石钻头出刃性能的协同影响机理；开展适用于含硬脆性磨粒钻头的切削齿齿型结构和水路系统优化分析。. 主要研究结论包括：以碳化硅颗粒作为硬脆性磨粒时其对WC基胎体力学性能的影响大于棕刚玉及合金钢丸；当其含量不超过15%时则对胎体力学性能影响较小。当含量超过45%时，胎体的力学性能下降严重，其浓度宜控制在20%~40%。合金钢丸在烧结过程中会使胎体中部分元素的不均匀扩散与富集，内部形成了脆弱结合界面。CL192预合金粉末烧结温度在800℃-900℃时，力学性能随温度升高而提高，温度大于960℃后，胎体抗弯强度呈下降趋势。随着CL192粉末含量的增加，胎体对硬质磨粒的包镶能力增强。经过纳米氮化钒改性的铁铜基预合金胎体对硬质研磨颗粒的润湿性增强且对研磨颗粒的包镶效果提高较明显。硬脆性磨粒与金刚石颗粒发生一定比例的相互接触现象对钻头钻进效率的提升存在有益影响。初步认为其对金刚石切削性能的影响主要可归类为以下3种效应：微坑效应、局部磨损效应和把持力弱化效应。3种效应协同影响且随硬脆性磨粒在胎体中的浓度变化，三种效应的影响比重亦不相同。钻头切削齿采用设计有主、副水眼的锥型高胎体形式在钻进过程中能够有效避免冲洗液对岩心的直接冲刷，减少样品的扰动程度并一定程度上提高钻头的使用寿命，符合含硬脆性磨粒钻头的设计需求。