Design and test of the impregnated diamond drill bit assisted by frictional heat
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摘要: 为提高钻进效率，合理利用钻进过程中产生的热量，本文采用摩擦热能辅助机械能碎岩（简称：热-机碎岩）的方法，将氮化硅作为摩擦元件引入孕镶金刚石钻头中，以提高钻头工作层的钻进性能。本文通过对钻头水口、摩擦元件的尺寸计算，钻头胎体、结构的设计，制造了一种新型热-机碎岩孕镶金刚石钻头（简称：热-机碎岩钻头），并与常规六水口钻头和三水口钻头开展了室内钻进试验对比。结果表明，与六水口钻头和三水口钻头相比，热-机碎岩钻头加入摩擦元件后能够因摩擦生热而使岩石产生弱化作用，钻头钻速提高，在相同钻井液流量下最高可比六水口钻头的机械钻速高33.3%。热-机碎岩钻头胎体的磨损程度比三水口钻头小，热-机碎岩钻头可用于强研磨性地层的钻进。Abstract: In order to improve drilling efficiency and make proper use of the heat generated during drilling， this paper investigates the thermo-mechanical rock fragmentation method by which ceramic material is added as a friction element to the impregnated diamond bit to improve the mechanical properties of the working layer. A new type of thermo-mechanical diamond bit was manufactured by calculating the size of the water ports and friction elements， and designing the bit matrix and structure， and compared with the conventional six-water-port and the three-water-way bits（the same structure as that of the thermo-mechanical diamond bit except for the friction element in the matrix） in lab drilling test. The results showed that， compared with the six-water-port and the three-water-port bits， the thermo-mechanical diamond bit with the friction element can generate heat and weaken the rock， and increase the drilling speed. At the same flow rate， the maximum ROP was 33.3% higher than that of the six-water-port bit. The matrix of the thermomechanical diamond bit had a small degree of wear than the three-water-port bit， and the thermo-mechanical diamond bit can be used for drilling highly abrasive formations.
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[1] 沈立娜，阮海龙，李春，等.坚硬致密“打滑”地层新型自锐金刚石钻头的研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2014，41（11）：57-59.
[2] [2] Rossi Edoardo， Jamali Shahin， Wittig Volker， et al. A combined thermo-mechanical drilling technology for deep geothermal and hard rock reservoirs［J］. Geothermics， 2020，85：101771.
[3] [3] 赵秉成，陈晨，房治强，等.非常规碎岩技术的研究进展［J］.中国矿业，2010，19（4）：87-88，112.
[4] [4] 闫铁，杜婕妤，李玮，等.高效破岩前沿钻井技术综述［J］.石油矿场机械，2012，41（1）：50-55.
[5] [5] 刘柏禄，潘建忠，谢世勇.岩石破碎方法的研究现状及展望［J］.中国钨业，2011，26（1）：15-19.
[6] [6] 金雪萌，黄宇渊，袁钟涛，等.高效破岩新方法研究进展及其应用前景分析［J］.石油化工应用，2019，38（5）：1-6.
[7] [7] Rossi Edoardo， Kant Michael A.， Madonna Claudio， et al. The effects of high heating rate and high temperature on the rock strength： feasibility study of a thermally assisted drilling method［J］. Rock Mechanics and Rock Engineering， 2018，51（9）：2957-2964.
[8] [8] 张辉，蔡志翔，姜敞，等.深部岩石高效破碎方法研究［J］.西部探矿工程，2018，30（9）：75-79.
[9] [9] Rossi Edoardo， Jamali Shahin， Schwarz Dennis， et al. Field test of a combined thermo-mechanical drilling technology. mode Ⅱ： flame-assisted rotary drilling［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering，2020，190：106880.
[10] [10] 张祖培，张书刚.热能-机械碎岩机理及其应用［J］.探矿工程，1997（3）：22-24.
[11] [11] 徐金鉴，姚天骄，王子祥，等.热机碎岩技术研究［J］.资源信息与工程，2017，32（5）：108-110.
[12] [12] 赵建康，孙友宏，张祖培.摩擦热-机械碎岩钻进技术试验研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2004，31（12）：36-39.
[13] [13] 高科，张祖培，孙友宏，等.热机碎岩钻头摩擦元件材料研究［J］.矿冶工程，2005（2）：85-87.
[14] [14] 吴金刚，谭忠盛，吴景华.规划求解法研究热机碎岩胎体配方［J］.北京交通大学学报，2006（1）：63-65，70.
[15] [15] 赵建康，孙友宏，张祖培.热机碎岩钻进工艺中钻进规程参数的理论分析［J］.地质与勘探，2001（2）：94-96.
[16] [16] 吴景华，孙友宏，李军.热机碎岩钻进工艺的试验研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2008，35（1）：9-11.
[17] [17] 吴景华，孙友宏.热机碎岩钻具设计与工程试验研究［J］.长春工程学院学报（自然科学版），2011，12（4）：32-34.
[18] [18] 汤凤林，沈中华，段隆臣，等.关于金刚石钻头底出刃锐化处理的试验研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2017，44（9）：58-64.
[19] [19] 刘晓阳.孕镶金刚石-针状合金复合式取心钻头的应用研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2009，36（S1）：377-381.
[20] [20] 李成龙，赵江，段隆臣.CaF2/hBN自润滑Fe基孕镶金刚石钻头性能研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2018，45（11）：78-82.
[21] [21] 刘宝昌，曹鑫，计胜利，等.孔底流场和温度场数值模拟与试验研究——以取心孕镶金刚石钻头为例［J］.金刚石与磨料磨具工程，2018，38（5）：33-38.
[22] [22] 钱磊，王晓川，康勇，等.岩石取芯切削钻进过程温度分析与试验研究［J］.中南大学学报（自然科学版），2020，51（5）：1402-1409.
[23] [23] 王殿江，袁公昱.孕镶金刚石钻头工作温升的实验研究［J］.探矿工程，1991（6）：1-3.
[24] [24] 罗江.温度应力诱发的岩石裂纹扩展研究［D］.大连：大连理工大学，2018.
[25] [25] 熊继有，钱声华，孙文涛，等.石油工程中岩石裂纹扩展与破坏机理研究［J］.地下空间，2002（2）：157-160，189.
[26] [26] 蔡双有.大体积混凝土裂缝控制技术在工程中的应用研究［J］.科技经济导刊，2021，29（23）：76-77.
[27] [27] 韩哲.摩擦热能辅助碎岩孕镶金刚石钻头研究［D］.长春：吉林大学，2020.
[28] [28] 寇绍全，
O.Alm.微裂隙和花岗岩的抗拉强度［J］.力学学报，1987（4）：366-373. [29] [29] 朱振南，田红，董楠楠，等.高温花岗岩遇水冷却后物理力学特性试验研究［J］.岩土力学，2018，39（S2）：169-176.
[30] [30] 蒋青光，张绍和.深部岩芯钻探孕镶金刚石钻头参数设计机理探讨［J］.西部探矿工程，2012，24（12）：58-62.
[31] [31] 高玉彬，陈洋.钻进坚硬致密岩层的金刚石钻头试验研究［J］.超硬材料工程，2021，33（3）：1-6.
[32] [32] 孙亚光，贺胜利，刘荣安，等.氮化硅陶瓷的制备与应用［J］.中国陶瓷工业，2016，23（5）：31-34.
[33] [33] 王磊，陈佰辉，汪洪民，等.青海野马泉矿区钻头水口改进的研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2013，40（9）：47-51.
[34] [34] 汤凤林，彭莉，
Чихоткин В. Ф.，等.关于提高金刚石钻头胎体耐磨性的试验研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2016，43（1）：7-13. [35] [35] 汤凤林，
Нескоромных В. В.，宁伏龙，等.金刚石钻进岩石破碎过程及其与规程参数关系的研究［J］.钻探工程，2021，48（10）：43-55. [36] [36] 汤凤林，
Чихоткин В. Ф.，段隆臣，等.机械钻速与金刚石底出刃、钻进规程参数关系的试验研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2019，46（12）：73-79. [37] [37] 汤凤林，
Чихоткин В. Ф.，高申友，等.关于金刚石钻进规程参数合理配合的分析研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2015，42 （10）：76-80. -
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