《弱化胎體耐磨損性的金剛石鉆頭》系作者近年來針對金剛石鉆頭在堅(jiān)硬致密弱研磨性地層鉆進(jìn)打滑問題的部分研究成果。其中詳細(xì)介紹了近年來國內(nèi)外孕鑲金剛石鉆頭的研究進(jìn)展，展開了對弱化胎體耐磨損性鉆頭的研究，探討了鉆頭的參數(shù)設(shè)計(jì)對胎體耐磨損性能的影響規(guī)律，總結(jié)了弱化胎體耐磨損性鉆頭的碎巖機(jī)理�！度趸ンw耐磨損性的金剛石鉆頭》通過弱化胎體的耐磨性能研究以提高鉆頭鉆進(jìn)效率，并為在金剛石鉆頭設(shè)計(jì)中的推廣這一新的思路提供了理論支撐。《弱化胎體耐磨損性的金剛石鉆頭》可供鉆探工程、地質(zhì)工程專業(yè)大專院校師生和相關(guān)生產(chǎn)單位的技術(shù)人員使用。
我國熱壓孕鑲金剛石鉆頭的研制始于20世紀(jì)60年代，經(jīng)歷了五十余年的發(fā)展歷史。由于熱壓孕鑲金剛石鉆頭的性能可調(diào)范圍廣，鉆進(jìn)效率高，對巖石的適應(yīng)能力強(qiáng)，故被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)找礦、工程勘查、建筑工程等領(lǐng)域。但是，在鉆進(jìn)過程中遇到堅(jiān)硬致密弱研磨性巖層的情況非常普遍，熱壓孕鑲金剛石鉆頭在該類地層鉆進(jìn)時易出現(xiàn)打滑不進(jìn)尺的現(xiàn)象，極大地影響了鉆頭的鉆進(jìn)效率。因此，研究解決金剛石鉆頭在該類地層鉆進(jìn)中打滑的問題仍然十分必要。
本書提出了一種弱化鉆頭胎體耐磨性的設(shè)計(jì)思路。該思路將胎體耐磨性弱化元素以硬質(zhì)顆粒的形式添加至鉆頭胎體中。由于耐磨性弱化顆粒具有一定的強(qiáng)度且與胎體的黏結(jié)力較弱，在鉆進(jìn)的過程中易于從胎體表面脫落，增加了鉆頭唇面的粗糙度。此外，殘留孔底的耐磨性弱化顆粒與巖粉共同研磨胎體，提高了巖粉的研磨能力，達(dá)到了促進(jìn)金剛石的新陳代謝速度、提高鉆頭鉆進(jìn)效率的目的。本書展開了以下研究工作：
1.從胎體配方、鉆頭切削齒結(jié)構(gòu)、金剛石參數(shù)、鉆進(jìn)仿真分析、鉆頭制作工藝及設(shè)備研究等方面詳細(xì)介紹了國內(nèi)外孕鑲金剛石鉆頭的研究進(jìn)展；闡述了進(jìn)行胎體耐磨性弱化研究的重要性，明確了主要的研究內(nèi)容，確定了研究思路和擬采用的技術(shù)路線。
2，結(jié)合堅(jiān)硬致密弱研磨性地層的特點(diǎn)，總結(jié)了金剛石鉆頭的碎巖機(jī)理；探討了孕鑲金剛石鉆頭的參數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)律，為弱化胎體耐磨性的鉆頭設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)；提出了一種室內(nèi)微鉆試驗(yàn)臺的改造方案，該方案在現(xiàn)有鉆機(jī)的基礎(chǔ)之上對其進(jìn)行了自動化改造，滿足了室內(nèi)鉆進(jìn)試驗(yàn)的技術(shù)指標(biāo)要求。
王佳亮，男，1986年生，博士，現(xiàn)為湖南科技大學(xué)海洋礦產(chǎn)資源探采裝備與技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室講師。主要從事金剛石碎巖工具、繩索取芯鉆具、深海取樣設(shè)備等方向的研究與教學(xué)工作。參與多項(xiàng)縱向及橫向課題，已在《有色金屬學(xué)報(bào)》《地球科學(xué)：中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)》《中南大學(xué)學(xué)報(bào)》《粉末冶金與材料科學(xué)工程》Journal of Central South University等核心期刊發(fā)表論文數(shù)篇。
張紹和，男，1967年生，博士，中南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。主要從事鉆探工程、超硬材料與制品、基礎(chǔ)工程等方面的教學(xué)和科研工作。先后主持和參加國家、省部級及其他科研項(xiàng)目30余項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文110余篇，出版專著和教材10部，獲得授權(quán)和申請專利40余項(xiàng)。
第1章 緒論
1．1 研究意義
1．2 基于打滑地層的金剛石鉆頭研究現(xiàn)狀
1．2．1 人工出刃方法研究
1．2．2 胎體配方研究
1．2．3 金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)研究
1．2．4 金剛石設(shè)計(jì)參數(shù)研究
1．2．5 鉆頭碎巖模擬仿真分析研究
1．2．6 鉆頭制作工藝及設(shè)備研究
1．3 研究內(nèi)容及思路
1．3．1 研究思路
1．3．2 研究內(nèi)容
1．3．3 技術(shù)路線
第2章 弱化胎體耐磨性鉆頭的參數(shù)設(shè)計(jì)研究
2．1 堅(jiān)硬致密弱研磨性巖層的含義
2．2 孕鑲金剛石鉆頭碎巖機(jī)理
2．2．1 外荷載在壓力接觸面上的分布及巖石內(nèi)部
應(yīng)力狀態(tài)
2．2．2 金剛石鉆進(jìn)機(jī)理
2．3 孕鑲金剛石鉆頭磨損機(jī)理
2．4 孕鑲金剛石鉆頭參數(shù)設(shè)計(jì)
2．4．1 金剛石參數(shù)設(shè)計(jì)
2．4．2 胎體耐磨性設(shè)計(jì)
2．4．3 胎體耐磨性弱化方式設(shè)計(jì)
2．4．4 切削齒齒型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2．5 本章小結(jié)
第3章 室內(nèi)試驗(yàn)臺的研制
3．1 試驗(yàn)臺基本功能
3．2 試驗(yàn)臺各子系統(tǒng)及功能設(shè)計(jì)
3．2．1 液壓給進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．2．2 冷卻及夾持系統(tǒng)
3．3 試驗(yàn)臺性能調(diào)試
3．4 本章小結(jié)
第4章 弱化胎體耐磨性鉆頭的室內(nèi)試驗(yàn)研究
4．1 鉆頭胎體成分設(shè)計(jì)
4．1．1 試驗(yàn)方法選擇
4．1．2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
4．1．3 試樣制備與性能測試
4．1．4 數(shù)據(jù)處理與分析
4．2 室內(nèi)鉆進(jìn)試驗(yàn)
4．2．1 試驗(yàn)磚材料優(yōu)選
4．2．2 胎體耐磨損性弱化顆粒材質(zhì)優(yōu)選
4．2．3 弱化顆粒材質(zhì)對鉆進(jìn)效率的影響
4．2．4 弱化胎體耐磨性鉆頭的參數(shù)優(yōu)化
4．3 本章小結(jié)
第5章 切削齒齒型結(jié)構(gòu)對鉆進(jìn)性能影響的仿真分析
5．1 切削齒齒型結(jié)構(gòu)優(yōu)選
5．2 有限元方法簡介
5．3 建模過程與求解
5．3．1 建立模型
5．3．2 設(shè)置材料屬性
5．3．3 網(wǎng)格劃分
5．3．4 定義接觸類型與求解
5．4 結(jié)果分析
5．4．1 鉆進(jìn)過程中巖石的應(yīng)力分析
5．4．2 平底鉆頭應(yīng)力分析
5．4．3 同心環(huán)齒型鉆頭應(yīng)力分析
5．4．4 花齒型鉆頭應(yīng)力分析
5．5 鉆進(jìn)效率對比分析
5．6 本章小結(jié)
第6章 現(xiàn)場鉆進(jìn)試驗(yàn)
6．1 礦區(qū)簡介
6．2 鉆頭設(shè)計(jì)與制造
6．2．1 石墨模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
6．2．2 鉆頭鋼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
6．2．3 鉆頭熱壓工藝參數(shù)設(shè)計(jì)
6．3 鉆進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果與分析
6．3．1 第一次現(xiàn)場鉆進(jìn)試驗(yàn)
6．3．2 試驗(yàn)結(jié)果
6．3．3 弱化胎體耐磨性鉆頭的碎巖機(jī)理
6．3．4 第二次現(xiàn)場試驗(yàn)
6．3．5 試驗(yàn)結(jié)果
6．3．6 分析與討論
6．4 本章小結(jié)
第7章 研究結(jié)論與建議
7．1 研究結(jié)論
7．2 進(jìn)一步研究建議
參考文獻(xiàn)
1.3.1研究思路
鉆頭在堅(jiān)硬致密弱研磨性地層鉆進(jìn)產(chǎn)生打滑的一個重要原因是孔底巖粉少，巖粉對胎體的研磨能力弱。因此本書以如何提高孔底巖粉含量，增加巖粉對胎體的研磨能力為指導(dǎo)思想，借鑒電鍍金剛石鉆頭胎體耐磨性弱化的機(jī)理以及從孔底投砂法中得到的啟示，研制弱化胎體耐磨性的金剛石鉆頭，并對其碎巖機(jī)理及設(shè)計(jì)參數(shù)展開研究分析。
電鍍金剛石鉆頭在電鍍的過程中不可避免地析氫，氫氣泡無法排除而滯留在胎體內(nèi)，造成胎體具有一定的孔隙度，孔隙弱化了胎體的耐磨性，為金剛石的自銳創(chuàng)造了良好條件；此外，電鍍金剛石鉆頭由于工藝特性使其唇面粗糙甚至表面產(chǎn)生節(jié)瘤，粗糙的唇面有利于殘留巖粉促進(jìn)金剛石新陳代謝。因此，電鍍鉆頭在中硬及以下地層鉆進(jìn)時，其效率遠(yuǎn)高于熱壓金剛石鉆頭。但是，電鍍鉆頭胎體硬度受配方工藝影響，調(diào)節(jié)范圍較小，限制了電鍍鉆頭的鉆進(jìn)地層范圍[76]。通過向孔底投置重晶石、石英粉、綠碳化硅等硬質(zhì)磨料，能夠有效增加孑L底巖粉含量及提高對胎體的研磨能力，從而促進(jìn)金剛石的出刃。但是孔底投砂法具有一定盲目性，無法有效控制對胎體的研磨程度且只有部分磨料能夠真正有效參與研磨胎體，其他磨料易造成鉆具非正常磨損。
若將孔底投砂法中的磨料直接由鉆頭胎體攜帶，在鉆進(jìn)的過程中隨金剛石的出刃同步出露，則能夠提高孔底的巖粉研磨能力，避免了常規(guī)投砂法的盲目性，對胎體的研磨程度相對容易控制。此外，磨粒易于從胎體表面脫落，使胎體表面形成一定的孔隙，增加了唇面的粗糙度。由電鍍鉆頭的生產(chǎn)實(shí)踐可知，唇面的粗糙度與殘留巖粉的能力成正比，唇面越粗糙越有利于殘留巖粉，提高金剛石新陳代謝速度。因此，這種假設(shè)是合理可行的。
弱化胎體耐磨性是指在保證胎體強(qiáng)度的前提下采用一定的工藝方法適當(dāng)降低胎體的耐磨性。胎體耐磨性經(jīng)弱化處理的金剛石鉆頭是在胎體中添加了一定材質(zhì)的胎體耐磨性弱化顆粒，弱化顆粒具有一定強(qiáng)度且與胎體黏結(jié)力較弱。在鉆進(jìn)過程中易于從胎體表面脫落，增加了胎體表面的粗糙度，殘留孔底的顆粒與巖粉共同研磨胎體，提高巖粉的研磨能力，以達(dá)到提高金剛石新陳代謝速度的目的。
前期的研究盡管取得了一定的成果，但還有很多未知的內(nèi)容值得進(jìn)一步研究和探索，如堅(jiān)硬致密弱研磨性巖石可鉆性能標(biāo)定、弱化胎體耐磨性鉆頭的參數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)律、鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)合理性的數(shù)值模擬檢測、鉆頭設(shè)計(jì)制造及使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)開發(fā)等。因此，進(jìn)一步深入研究胎體耐磨性經(jīng)弱化處理的鉆頭的工作原理、碎巖機(jī)理、參數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)律，并用數(shù)值模擬方法對其進(jìn)行分析和評判等，是一項(xiàng)非常有意義的重要工作。
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