本文關(guān)鍵詞：高溫條件下金剛石鉆頭鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究

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【摘要】：地球是人類賴以生存的家園,地球資源是經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷向前發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。地球深部探索是解決人類資源、能源和環(huán)境問(wèn)題的必由之路。目前,深部油氣勘探最深已達(dá)到10km,深部科學(xué)鉆探最深更是超過(guò)12km。而隨著深度的增加,地層溫度不斷上升,按照30℃/km的地殼平均地溫梯度計(jì)算,超10km的鉆井井底地層溫度將超過(guò)300℃。埋藏于幾千米地下、溫度在150℃以上的干熱巖作為開(kāi)采潛力巨大的清潔能源,被各國(guó)視為解決能源與環(huán)境問(wèn)題的關(guān)鍵化石燃料替代能源。然而,無(wú)論是超深油氣勘探、超深科學(xué)鉆探還是干熱巖的勘探開(kāi)發(fā),都需要在高溫地層中鉆進(jìn)。金剛石鉆進(jìn)是一種先進(jìn)的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù),在油氣勘探和地質(zhì)勘查工作中應(yīng)用廣泛,也是目前科學(xué)鉆探、深部油氣勘探和干熱巖勘探開(kāi)發(fā)中所采取的主要鉆進(jìn)方式。隨著溫度的升高,巖石的性質(zhì)會(huì)發(fā)生很大的變化,例如強(qiáng)度降低、塑性增強(qiáng),可鉆性發(fā)生變化;同時(shí)高溫對(duì)鉆進(jìn)技術(shù)也會(huì)產(chǎn)生很大影響,例如鉆井液攜粉能力降低、井壁失穩(wěn)、鉆頭磨損加劇等。另一方面,金剛石材料受熱容易產(chǎn)生熱損傷從而導(dǎo)致耐磨性下降。但到目前為止,針對(duì)金剛石鉆頭鉆進(jìn)高溫地層的研究少見(jiàn)報(bào)道,金剛石鉆頭在高溫地層中鉆進(jìn)碎巖的特征與規(guī)律尚未有深入的專門研究。本文以深部油氣勘探、深部科學(xué)鉆探以及干熱巖鉆井中,金剛石鉆頭需要在高溫地層中進(jìn)行碎巖鉆進(jìn)為研究的出發(fā)點(diǎn),立足于金剛石鉆頭材料、巖石、循環(huán)介質(zhì)、鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置以及實(shí)驗(yàn)方法5個(gè)要素,研究了溫度對(duì)金剛石鉆進(jìn)的影響,揭示了不同溫度條件下孕鑲金剛石鉆頭和PDC鉆頭鉆進(jìn)不同巖石的特征和一般規(guī)律,并對(duì)高溫下金剛石鉆頭碎巖與磨損機(jī)理進(jìn)行了分析和探討。論文主要的研究工作和相關(guān)結(jié)論如下:(1)綜合測(cè)試和分析了多種金剛石鉆頭材料高溫條件下的性能變化規(guī)律熱重分析結(jié)果表明:單晶金剛石、聚晶金剛石和PDC三種材料在700℃左右開(kāi)始發(fā)生明顯的熱失重效應(yīng)。實(shí)時(shí)高溫強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表明:在0~350℃實(shí)時(shí)溫度下,隨著溫度升高,孕鑲材料的抗彎強(qiáng)度先升高后降低,斷裂前變形量先減小后增高,100℃時(shí)強(qiáng)度提高約10%,350℃時(shí)強(qiáng)度降低約10%。0~1000℃高溫后的強(qiáng)度和耐磨性研究結(jié)果表明:單晶金剛石顆粒靜壓強(qiáng)度隨溫度升高不斷降低,600℃高溫后強(qiáng)度降低接近30%,800℃后降低40%,1000℃時(shí)氧化殆盡;孕鑲金剛石材料高溫后強(qiáng)度隨溫度升高不斷上升,800℃后升高20%,1000℃熔融;PDC材料耐高溫能力在800℃以下;孕鑲材料耐磨性隨溫度升高逐減弱,600℃之前趨勢(shì)緩慢,600℃之后加速下降,800℃后耐磨性降低30%;PDC材料耐磨性隨溫度上升緩慢降低,600℃時(shí)降低了10%左右。(2)研制了可模擬0~300℃高溫地層鉆進(jìn)的試驗(yàn)裝置分析和提出了高溫鉆進(jìn)試驗(yàn)裝置的功能需求和參數(shù)指標(biāo)要求,并根據(jù)指標(biāo)要求計(jì)算了裝置加熱需求功率和液壓傳動(dòng)需求功率,完成了高溫鉆進(jìn)試驗(yàn)裝置各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和加工,為后續(xù)的高溫鉆進(jìn)試驗(yàn)提供了關(guān)鍵設(shè)備條件,為后續(xù)實(shí)驗(yàn)和研究奠下了基礎(chǔ)。(3)完成了高溫鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)材料方法以及相關(guān)計(jì)算工作選擇花崗巖、玄武巖和砂巖三種巖石樣品,對(duì)其常溫和高溫可鉆性進(jìn)行了測(cè)試;設(shè)計(jì)制造了φ59mm的孕鑲金剛石鉆頭和PDC鉆頭各兩只;篩選并測(cè)試了高溫循環(huán)介質(zhì);運(yùn)用多相流體力學(xué)的相關(guān)知識(shí),對(duì)巖粉凈化方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算,得出了巖粉濾網(wǎng)設(shè)置的最佳高度和沉淀靜置時(shí)間等重要參數(shù);運(yùn)用Solidworks Flow Simulation的熱傳導(dǎo)計(jì)算功能,對(duì)巖石在循環(huán)介質(zhì)的加熱過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算,獲得了將巖石內(nèi)部溫度加熱至穩(wěn)定均勻所需的時(shí)間參數(shù)。(4)開(kāi)展了金剛石鉆頭高溫鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)孕鑲金剛石鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:300℃實(shí)時(shí)高溫下,孕鑲金剛石鉆進(jìn)花崗巖、玄武巖以及砂巖的鉆進(jìn)速度有不同程度提高,其中花崗巖提高25%,玄武巖提高7%,砂巖提高50%;從扭矩?cái)?shù)據(jù)分析,花崗巖高溫下扭矩上升25%,玄武巖下降11%,砂巖增加18%;從破碎比功角度分析,花崗巖的破碎比功基本不受高溫影響,而玄武巖高溫下的破碎比功降低了20%,砂巖降低26%;從磨損角度分析,高溫下鉆頭唇面的磨損會(huì)加劇。PDC鉆進(jìn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:PDC鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:與常溫相比,300℃高溫條件下PDC鉆進(jìn)砂巖的鉆進(jìn)速度大幅提高,提高幅度達(dá)到240%,破巖比功降低超過(guò)50%。PDC鉆頭鉆進(jìn)花崗巖和玄武巖時(shí),鉆進(jìn)速度較低,隨溫度的升高逐漸下降,300℃下鉆進(jìn)花崗巖降低了20%,鉆進(jìn)玄武巖時(shí)速度僅為常溫時(shí)的1/6。在破碎比功方面,高溫條件下PDC鉆進(jìn)花崗巖比功為常溫時(shí)的4倍以上;高溫鉆進(jìn)玄武巖時(shí),破碎比功達(dá)到為常溫時(shí)的10倍以上。總體結(jié)果表明,孕鑲金剛石鉆頭適合于在300℃高溫硬巖地層的鉆進(jìn)。300℃條件下PDC鉆頭依然不適用于鉆進(jìn)花崗巖和玄武巖等硬巖。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：P634.41

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中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 李糧綱,史曉亮;地應(yīng)力鉆測(cè)的金剛石鉆頭研制[J];地質(zhì)與勘探;2000年02期

2 蔡家品;熱壓雙保溫工藝在薄壁金剛石鉆頭制造中的應(yīng)用[J];地質(zhì)裝備;2000年01期

3 嚴(yán)成容;探索拾零(三)——孕鑲?cè)嗽旖饎偸@頭自由談[J];探礦工程(巖土鉆掘工程);2005年07期

4 嚴(yán)成容;;探索拾零(四)——談?dòng)矌r孕鑲金剛石鉆頭原創(chuàng)性的新進(jìn)展[J];探礦工程(巖土鉆掘工程);2007年02期

5 徐良;孫友宏;高科;;仿生孕鑲金剛石鉆頭高效碎巖機(jī)理[J];吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版);2008年06期

6 馮玉國(guó);朱家東;;模糊物元分析在金剛石鉆頭綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J];探礦工程(巖土鉆掘工程);2008年04期

7 鄧海兵;朱琦;葉明友;蔣紅;;超聲波在電鍍金剛石鉆頭工藝中的應(yīng)用與研究[J];探礦工程(巖土鉆掘工程);2008年05期

8 姚正民;楊文清;;孕鑲金剛石鉆頭在寶雞地區(qū)的應(yīng)用[J];陜西煤炭;2009年02期

9 黎立朝;牛明遠(yuǎn);;高時(shí)效金剛石鉆頭的研究現(xiàn)狀[J];河南建材;2011年03期

10 沈立娜;阮海龍;;國(guó)內(nèi)外金剛石鉆頭的部分技術(shù)進(jìn)展[J];探礦工程(巖土鉆掘工程);2011年05期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 李焰;;薄壁金剛石鉆頭胎體配方研究[A];中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院“九五”科技成果匯編[C];2001年

2 楊凱華;楊昌銳;張紹和;;弱包鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密巖層的研究[A];巖土鉆掘技術(shù)在資源、環(huán)境和工程建設(shè)中的應(yīng)用與發(fā)展學(xué)術(shù)論文集[C];2001年

3 薛軍;于松波;;關(guān)于薄壁金剛石鉆頭金剛石濃度的設(shè)計(jì)問(wèn)題[A];巖土鉆掘技術(shù)在資源、環(huán)境和工程建設(shè)中的應(yīng)用與發(fā)展學(xué)術(shù)論文集[C];2001年

4 賈美玲;;金剛石鉆頭制造新技術(shù)探討[A];巖土鉆掘技術(shù)在資源、環(huán)境和工程建設(shè)中的應(yīng)用與發(fā)展學(xué)術(shù)論文集[C];2001年

5 樓日新;袁學(xué)武;;適合溪洛渡地層條件的金剛石鉆頭的研制[A];探礦工程（巖土鉆掘工程）技術(shù)與可持續(xù)發(fā)展研討會(huì)論文集[C];2003年

6 賈美玲;蔡家品;趙爾信;;新型鑲齒式金剛石鉆頭及工藝研究應(yīng)用[A];“十五”重要地質(zhì)科技成果暨重大找礦成果交流會(huì)材料二——“十五”地質(zhì)行業(yè)獲獎(jiǎng)成果資料匯編[C];2006年

7 羅文來(lái);何鋒;李運(yùn)海;張延軍;莫睿;;一種卵石層鉆進(jìn)用金剛石鉆頭的研制與試驗(yàn)[A];2011中國(guó)材料研討會(huì)論文摘要集[C];2011年

8 田龍;;鉆進(jìn)極硬地層時(shí)金剛石鉆頭的另一種設(shè)計(jì)方法[A];中國(guó)核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報(bào)告——中國(guó)核學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（第一卷·第1冊(cè)）[C];2009年

9 薛軍;;孕鑲金剛石鉆頭切削刃在碎巖過(guò)程中顯微面積的研究[A];第四屆全國(guó)巖石破碎學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集[C];1989年

10 楊凱華;王達(dá);張曉西;;科學(xué)深鉆金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)與性能分析[A];第十三屆全國(guó)探礦工程（巖土鉆掘工程）學(xué)術(shù)研討會(huì)論文專輯[C];2005年

中國(guó)重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 孫海濤;江鉆金剛石鉆頭研發(fā)進(jìn)入收獲期[N];中國(guó)石化報(bào);2011年

2 彭政舞邋龔光明;太皮金剛石鉆頭助松藻礦月進(jìn)尺突破2萬(wàn)米[N];經(jīng)理日?qǐng)?bào);2008年

3 石建芬　曹海峰;江鉆金剛石鉆頭國(guó)內(nèi)外銷售額大增[N];中國(guó)石化報(bào);2011年

4 記者 胡德沛;克銳達(dá)實(shí)施三步走戰(zhàn)略[N];中國(guó)石油報(bào);2002年

5 本報(bào)數(shù)據(jù)研究部 林奇;鉆井模板助推勘探提速 金剛石鉆頭需求將激增[N];上海證券報(bào);2014年

6 通訊員 胡先鋒 記者 張可春 王金法;金剛石鉆頭勝利闖“禁區(qū)”[N];中國(guó)石化報(bào);2001年

7 本報(bào)通訊員 佟伯俠;巧奪天工的科技“大拿”[N];地質(zhì)勘查導(dǎo)報(bào);2009年

8 蔣玉奎 張建東 楊明奇;一個(gè)“金剛鉆”，鉆過(guò)500米[N];地質(zhì)勘查導(dǎo)報(bào);2007年

9 記者 王錦榕;福建局上年鉆探進(jìn)尺逾20萬(wàn)米[N];中煤地質(zhì)報(bào);2012年

10 本報(bào)記者 張芳;江鉆品牌是怎么打造的[N];中國(guó)石油報(bào);2001年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 龐豐;基于高速渦輪鉆進(jìn)工藝條件的孕鑲金剛石鉆頭刀齒材料的研究[D];中國(guó)地質(zhì)大學(xué);2015年

2 李夢(mèng);無(wú)硬質(zhì)相胎體仿生異型齒孕鑲金剛石鉆頭研究[D];吉林大學(xué);2017年

3 吳海東;高溫條件下金剛石鉆頭鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究[D];吉林大學(xué);2017年

4 王照智;仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭耐磨增效機(jī)理研究[D];吉林大學(xué);2017年

5 潘秉鎖;稀土對(duì)提高電鍍金剛石鉆頭性能的研究[D];中國(guó)地質(zhì)大學(xué);2003年

6 楊俊德;金剛石鉆頭和金剛石鋸片磨損機(jī)理、設(shè)計(jì)及性能測(cè)試研究[D];中南大學(xué);2004年

7 章文姣;釬焊—熱壓多層有序排列金剛石鉆頭的研究[D];中國(guó)地質(zhì)大學(xué);2012年

8 田永常;直流電鍍鐵基金剛石鉆頭制造工藝與機(jī)理研究[D];中國(guó)地質(zhì)大學(xué);2014年

9 馬銀龍;金剛石定位仿生取芯鉆頭研究[D];吉林大學(xué);2013年

10 方小紅;超聲波電鍍鎳基金剛石鉆頭工藝與機(jī)理研究[D];中國(guó)地質(zhì)大學(xué);2008年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 霍宇翔;超聲波技術(shù)在電鍍金剛石鉆頭制造中的應(yīng)用研究[D];成都理工大學(xué);2006年

2 周國(guó)棟;金剛石鉆頭釬焊燒結(jié)工藝及結(jié)合界面研究[D];中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京);2015年

3 肖麗輝;主副交替水口高胎體孕鑲金剛石鉆頭的研制[D];中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京);2012年

4 劉文川;釬焊金剛石鉆頭的室內(nèi)鉆進(jìn)與沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)[D];中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京);2016年

5 陳章文;適合金川礦區(qū)的特種孕鑲金剛石鉆頭研制[D];中南大學(xué);2008年

6 何龍飛;可再生溝槽式仿生金剛石鉆頭的試驗(yàn)研究[D];吉林大學(xué);2009年

7 張義東;金剛石鉆頭熱壓燒結(jié)工藝研究[D];中南大學(xué);2010年

8 伍亦文;金剛石鉆頭釬焊過(guò)程熱動(dòng)力學(xué)仿真[D];中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京);2012年

9 左艷霞;強(qiáng)研磨硬脆地層金剛石鉆頭的研究應(yīng)用[D];中南大學(xué);2012年

10 唐友軍;仿生孕鑲金剛石鉆頭散熱性能研究[D];吉林大學(xué);2014年

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