金刚石钻头参数设计规律

第35卷第2期2004年4月

中南大学学报(自然科学版)

J.CENT.SOUTH UNIV.(NATURAL SC IENCE)

Vol.35No12

April2004金刚石钻头参数设计规律

张绍和1,2,鲁凡1

(1.中南大学地学与环境工程学院,湖南长沙,410083;

2.中南大学粉末冶金国家重点实验室,湖南长沙,410083)

摘要:提出了用岩石对钻头金刚石的研磨能力大小(A值)和岩石对钻头胎体的研磨能力大小(B值)来表示岩石可钻性的方法,研究了金刚石锯片切割对比法测定A值的方法,岩石B值是岩石的胶结程度、矿物粒度、矿物成分等因素的综合反映。采用金刚石新陈代谢速度u来表示钻头性能,钻头性能与A,B值及作用在钻头唇面上压力p、

钻头线速度T之间的量化关系为u=

A w

B x p y T z

。确定了钻头的设计程序:根据A和B值,p和T来确定金刚石新陈代

谢速度,选定钻头的5个主要参数即金刚石质量、粒度和体积分数及胎体耐磨性、包镶强度。研究结果表明:采用A 和B值可表示岩石可钻性;通过测定A和B值,可较准确地量化出岩石的可钻性;u由岩石A,B值及p和T来确定;根据u值设计和选定钻头的5个参数;提高u可以提高钻头时效,降低u可以延长钻头寿命。

关键词:钻头;金刚石;胎体;新陈代谢

中图分类号:P634.4文献标识码:A文章编号:1672-7207(2004)02-0195-06

Designing method about parameters of impregnated diamond bit

Z HANG Shao-he1,2,LU Fan1

(1.School of Geoscience and Environment Engineering,Central South Uni versity,Changsha410083,China;

2.State Key Laboratory for Powder Metallurgy,Central South University,Changsha410083,China) Abstract:A ne w method on rock drillability based on value A and B,and the method for determining A and

B of rock are put for ward in this paper.The value A is a data when rock grinds dia monds of bit in drilling,

and the value B is a data when rock grinds matrix of bit in drilling.Value A is measured through cutting by diamond sa ws,and value B is related to the ce mentation,granularity,and component of mineral in rock.E-valuating the performance of bit can be expressed by the speed of dia mond metabolism(u).The u of bit is re-

lated to value A,B,the load on bit(p)and the line rate of bit(v),that is u=

A w

B x p y T z

.The procedure for

designing bit is to make sure the speed of diamond metabolism according to A,B,p and v.Those data are given about designing parameter of bit by the speed of diamond metabolism.The results show that the new method of rock drillability is good in reason,and it can be expressed the roc k drillability in quantity.The u is ensured by A,B,p and v.And the parameters of bit are chosen by u.The drilling efficiency can be in-creased if u is enhanced,and the life of bit can be prolonged if u is reduced.

Key words:bit;diamond;matrix;metabolism

探矿工程领域中钻头参数设计是与钻进的岩石性质及钻进工艺密切相关的一项重要工艺技术,是影响钻进效率和成本的主要因素。但由于孕镶金刚石钻头的参数设计是一个十分复杂的系统工程,它

收稿日期:2003-04-10

作者简介:张绍和(1967-),男,湖北鄂州人,中南大学副教授,博士,从事超硬材料与制品、难切磨削材料加工等方面的研究论文联系人:张绍和,男,博士,副教授;电话:0731-*******(O);E-mail:zhangs haohe@

涉及的条件参数很多。钻头参数的确定是建立在专家的研究成果和实践经验基础上的,没有固定的公式用于计算推导,这均使金刚石钻头的设计和使用效果不十分理想。为此,作者通过讨论岩石可钻性,探讨孕镶金刚石钻头的参数设计方法和技巧。

1 岩石可钻性

1.1 岩石可钻性的表示方法

岩石可钻性是表示岩石被钻进时所表现出来的难易程度。现有的岩石可钻性表示方法种类繁多,较为代表性的有:压入硬度法、点载法、凿碎比功法、纵波速度法、综合法等[1,2]。

钻头在钻进岩石过程中,钻头磨损包括金刚石的磨损和胎体的磨损,因而对于孕镶金刚石钻头用岩石对钻头金刚石的研磨性能大小(A 值)和岩石对钻头胎体的研磨性能大小(B 值)来表示岩石的可钻性,是较为合理和科学的

[3,4]

。

1.2 岩石可钻性的测量方法

如何准确测量岩石对钻头金刚石的研磨性能大小(A 值)和岩石对钻头胎体的研磨能力大小(B 值)是一个比较困难的问题,现行岩石分级法中的测量方法有2种。

第1种为力学性能指标法,主要有压入硬度法、点载法等。力学性能指标法的优点在于测量手段标准化,即在每次测量后,测量手段不起变化;其缺点在于其模拟性差。简单的力学性能指标不能反映岩石钻进时岩石破碎的复杂过程,测量结果与实际体现的结果误差很大。

第2种为模拟法,主要有微钻法、切槽法等。模拟法的优点在于它反映了岩石破碎的过程,但它是以微型小钻头等作为测量标准来评价岩石可钻性的。而微型小钻头在测量过程中,由于本身被磨损,因而其性能会发生变化,即作为标准的本身不标准,所以测量结果误差很大。

综上所述,现行岩石可钻性在测量方法和手段上存在着标准化和模拟化的矛盾,能标准化的手段没有模拟性,有模拟性的手段不能标准化。因此,只有研究出一种测量方法,它既能标准化又有模拟性,才能真正解决岩石可钻性分级问题。1.3 岩石A 值的测定

A 值反映了岩石对孕镶钻头中金刚石的研磨能

力的大小,它可通过金刚石锯片的切割对比法来测定

[5,6]

。

测定A 值的对比法为:用金刚石锯片同时切割瓷棒与岩样,以它们的切割体积来衡量岩样被金刚石锯片切割的难易程度。岩样的切割体积大于瓷棒的切割体积,说明岩样容易被金刚石磨削,也就是岩样的A 值低于瓷棒的A 值。岩样的切割体积较瓷棒的切割体积大得越多,岩样的A 值较瓷棒的A 值就低得越多。这样,岩样的A 值是以瓷棒为标准进行比较的,不是以锯片为标准确定的。

瓷棒是用瓷砖加工而成的,是人造岩石,由专门厂家提供,可保证性能稳定。将岩石与瓷棒比较,为可钻性中岩石A 值分级找到了可靠的标准。这个方案的特点在于:它不是以金刚石锯片切割岩样的快慢来确定可钻性A 值,而是以锯片同时切割出的体积比来确定;它不是以锯片为标准,而是以瓷棒为标准。瓷棒性能稳定,测量误差小,同时满足模拟性的要求。该方法解决了以前岩石可钻性分级难以解决的标准化与模拟化的矛盾问题。

测定岩石A 值的装置主要由4部分组成:机械传动部分、油压给进部分、冷却水路部分和控制电路部分,其工作原理如图1所示

[7]

。

1)测定岩样;2)电镀金刚石锯片;3)标准岩样

图1 A 值测定仪工作原理图

Fig.1 Principal diagram to measure A 经测定,A 值可按下式计算得出:

A =V b

V c

@8,

即

A =D b H b d b

D c H c d c

@8。(1)

其中:V b 为标准岩样上切割出的体积;V c 为被测岩样上切割出的体积;D b 为标准岩样的直径;D c 为被测岩样的直径;H b 为标准岩样的切割深度;H c 为被测岩样的切割深度;d b 为标准岩样的切缝宽度;d c 为被测岩样的切缝宽度。

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