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商品簡介
作者簡介
序
目次
書摘/試閱
商品簡介
《弱化胎體耐磨損性的金剛石鑽頭》系作者近年來針對金剛石鑽頭在堅硬緻密弱研磨性地層鑽進打滑問題的部分研究成果。其中詳細介紹了近年來國內外孕鑲金剛石鑽頭的研究進展，展開了對弱化胎體耐磨損性鑽頭的研究，探討了鑽頭的參數設計對胎體耐磨損性能的影響規律，總結了弱化胎體耐磨損性鑽頭的碎巖機理。《弱化胎體耐磨損性的金剛石鑽頭》通過弱化胎體的耐磨性能研究以提高鑽頭鑽進效率，並為在金剛石鑽頭設計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鑽頭》可供鑽探工程、地質工程專業大專院校師生和相關生產單位的技術人員使用。
作者簡介
王佳亮，男，1986年生，博士，現為湖南科技大學海洋礦產資源探采裝備與技術工程實驗室講師。主要從事金剛石碎巖工具、繩索取芯鑽具、深海取樣設備等方向的研究與教學工作。參與多項縱向及橫向課題，已在《有色金屬學報》《地球科學：中國地質大學學報》《中南大學學報》《粉末冶金與材料科學工程》Journal of Central South University等核心期刊發表論文數篇。
張紹和，男，1967年生，博士，中南大學教授，博士生導師。主要從事鑽探工程、超硬材料與製品、基礎工程等方面的教學和科研工作。先後主持和參加國家、省部級及其他科研項目30餘項，發表學術論文110餘篇，出版專著和教材10部，獲得授權和申請專利40餘項。
張紹和，男，1967年生，博士，中南大學教授，博士生導師。主要從事鑽探工程、超硬材料與製品、基礎工程等方面的教學和科研工作。先後主持和參加國家、省部級及其他科研項目30餘項，發表學術論文110餘篇，出版專著和教材10部，獲得授權和申請專利40餘項。
序
我國熱壓孕鑲金剛石鉆頭的研制始於20世紀60年代，經歷了五十餘年的發展歷史。由於熱壓孕鑲金剛石鉆頭的性能可調範圍廣，鉆進效率高，對巖石的適應能力強，故被廣泛應用於地質找礦、工程勘查、建筑工程等領域。但是，在鉆進過程中遇到堅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時易出現打滑不進尺的現象，極大地影響了鉆頭的鉆進效率。因此，研究解決金剛石鉆頭在該類地層鉆進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計思路。該思路將胎體耐磨性弱化元素以硬質顆粒的形式添加至鉆頭胎體中。由於耐磨性弱化顆粒具有一定的強度且與胎體的黏結力較弱，在鉆進的過程中易於從胎體表面脫落，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，達到了促進金剛石的新陳代謝速度、提高鉆頭鉆進效率的目的。本書展開了以下研究工作：
1.從胎體配方、鉆頭切削齒結構、金剛石參數、鉆進仿真分析、鉆頭制作工藝及設備研究等方面詳細介紹了國內外孕鑲金剛石鉆頭的研究進展；闡述了進行胎體耐磨性弱化研究的重要性，明確了主要的研究內容，確定了研究思路和擬采用的技術路線。
2，結合堅硬致密弱研磨性地層的特點，總結了金剛石鉆頭的碎巖機理；探討了孕鑲金剛石鉆頭的參數設計規律，為弱化胎體耐磨性的鉆頭設計提供了理論基礎；提出了一種室內微鉆試驗臺的改造方案，該方案在現有鉆機的基礎之上對其進行了自動化改造，滿足了室內鉆進試驗的技術指標要求。
本書提出了一種弱化鉆頭胎體耐磨性的設計思路。該思路將胎體耐磨性弱化元素以硬質顆粒的形式添加至鉆頭胎體中。由於耐磨性弱化顆粒具有一定的強度且與胎體的黏結力較弱，在鉆進的過程中易於從胎體表面脫落，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，達到了促進金剛石的新陳代謝速度、提高鉆頭鉆進效率的目的。本書展開了以下研究工作：
1.從胎體配方、鉆頭切削齒結構、金剛石參數、鉆進仿真分析、鉆頭制作工藝及設備研究等方面詳細介紹了國內外孕鑲金剛石鉆頭的研究進展；闡述了進行胎體耐磨性弱化研究的重要性，明確了主要的研究內容，確定了研究思路和擬采用的技術路線。
2，結合堅硬致密弱研磨性地層的特點，總結了金剛石鉆頭的碎巖機理；探討了孕鑲金剛石鉆頭的參數設計規律，為弱化胎體耐磨性的鉆頭設計提供了理論基礎；提出了一種室內微鉆試驗臺的改造方案，該方案在現有鉆機的基礎之上對其進行了自動化改造，滿足了室內鉆進試驗的技術指標要求。
目次
第1章 緒論
1．1 研究意義
1．2 基於打滑地層的金剛石鉆頭研究現狀
1．2．1 人工出刃方法研究
1．2．2 胎體配方研究
1．2．3 金剛石鉆頭結構研究
1．2．4 金剛石設計參數研究
1．2．5 鉆頭碎巖模擬仿真分析研究
1．2．6 鉆頭制作工藝及設備研究
1．3 研究內容及思路
1．3．1 研究思路
1．3．2 研究內容
1．3．3 技術路線
第2章 弱化胎體耐磨性鉆頭的參數設計研究
2．1 堅硬致密弱研磨性巖層的含義
2．2 孕鑲金剛石鉆頭碎巖機理
2．2．1 外荷載在壓力接觸面上的分布及巖石內部
應力狀態
2．2．2 金剛石鉆進機理
2．3 孕鑲金剛石鉆頭磨損機理
2．4 孕鑲金剛石鉆頭參數設計
2．4．1 金剛石參數設計
2．4．2 胎體耐磨性設計
2．4．3 胎體耐磨性弱化方式設計
2．4．4 切削齒齒型結構設計
2．5 本章小結
第3章 室內試驗臺的研制
3．1 試驗臺基本功能
3．2 試驗臺各子系統及功能設計
3．2．1 液壓給進系統設計
3．2．2 冷卻及夾持系統
3．3 試驗臺性能調試
3．4 本章小結
第4章 弱化胎體耐磨性鉆頭的室內試驗研究
4．1 鉆頭胎體成分設計
4．1．1 試驗方法選擇
4．1．2 試驗設計
4．1．3 試樣制備與性能測試
4．1．4 數據處理與分析
4．2 室內鉆進試驗
4．2．1 試驗磚材料優選
4．2．2 胎體耐磨損性弱化顆粒材質優選
4．2．3 弱化顆粒材質對鉆進效率的影響
4．2．4 弱化胎體耐磨性鉆頭的參數優化
4．3 本章小結
第5章 切削齒齒型結構對鉆進性能影響的仿真分析
5．1 切削齒齒型結構優選
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 設置材料屬性
5．3．3 網格劃分
5．3．4 定義接觸類型與求解
5．4 結果分析
5．4．1 鉆進過程中巖石的應力分析
5．4．2 平底鉆頭應力分析
5．4．3 同心環齒型鉆頭應力分析
5．4．4 花齒型鉆頭應力分析
5．5 鉆進效率對比分析
5．6 本章小結
第6章 現場鉆進試驗
6．1 礦區簡介
6．2 鉆頭設計與制造
6．2．1 石墨模具結構設計
6．2．2 鉆頭鋼體結構設計
6．2．3 鉆頭熱壓工藝參數設計
6．3 鉆進試驗結果與分析
6．3．1 第一次現場鉆進試驗
6．3．2 試驗結果
6．3．3 弱化胎體耐磨性鉆頭的碎巖機理
6．3．4 第二次現場試驗
6．3．5 試驗結果
6．3．6 分析與討論
6．4 本章小結
第7章 研究結論與建議
7．1 研究結論
7．2 進一步研究建議
參考文獻
1．1 研究意義
1．2 基於打滑地層的金剛石鉆頭研究現狀
1．2．1 人工出刃方法研究
1．2．2 胎體配方研究
1．2．3 金剛石鉆頭結構研究
1．2．4 金剛石設計參數研究
1．2．5 鉆頭碎巖模擬仿真分析研究
1．2．6 鉆頭制作工藝及設備研究
1．3 研究內容及思路
1．3．1 研究思路
1．3．2 研究內容
1．3．3 技術路線
第2章 弱化胎體耐磨性鉆頭的參數設計研究
2．1 堅硬致密弱研磨性巖層的含義
2．2 孕鑲金剛石鉆頭碎巖機理
2．2．1 外荷載在壓力接觸面上的分布及巖石內部
應力狀態
2．2．2 金剛石鉆進機理
2．3 孕鑲金剛石鉆頭磨損機理
2．4 孕鑲金剛石鉆頭參數設計
2．4．1 金剛石參數設計
2．4．2 胎體耐磨性設計
2．4．3 胎體耐磨性弱化方式設計
2．4．4 切削齒齒型結構設計
2．5 本章小結
第3章 室內試驗臺的研制
3．1 試驗臺基本功能
3．2 試驗臺各子系統及功能設計
3．2．1 液壓給進系統設計
3．2．2 冷卻及夾持系統
3．3 試驗臺性能調試
3．4 本章小結
第4章 弱化胎體耐磨性鉆頭的室內試驗研究
4．1 鉆頭胎體成分設計
4．1．1 試驗方法選擇
4．1．2 試驗設計
4．1．3 試樣制備與性能測試
4．1．4 數據處理與分析
4．2 室內鉆進試驗
4．2．1 試驗磚材料優選
4．2．2 胎體耐磨損性弱化顆粒材質優選
4．2．3 弱化顆粒材質對鉆進效率的影響
4．2．4 弱化胎體耐磨性鉆頭的參數優化
4．3 本章小結
第5章 切削齒齒型結構對鉆進性能影響的仿真分析
5．1 切削齒齒型結構優選
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 設置材料屬性
5．3．3 網格劃分
5．3．4 定義接觸類型與求解
5．4 結果分析
5．4．1 鉆進過程中巖石的應力分析
5．4．2 平底鉆頭應力分析
5．4．3 同心環齒型鉆頭應力分析
5．4．4 花齒型鉆頭應力分析
5．5 鉆進效率對比分析
5．6 本章小結
第6章 現場鉆進試驗
6．1 礦區簡介
6．2 鉆頭設計與制造
6．2．1 石墨模具結構設計
6．2．2 鉆頭鋼體結構設計
6．2．3 鉆頭熱壓工藝參數設計
6．3 鉆進試驗結果與分析
6．3．1 第一次現場鉆進試驗
6．3．2 試驗結果
6．3．3 弱化胎體耐磨性鉆頭的碎巖機理
6．3．4 第二次現場試驗
6．3．5 試驗結果
6．3．6 分析與討論
6．4 本章小結
第7章 研究結論與建議
7．1 研究結論
7．2 進一步研究建議
參考文獻
書摘/試閱
1.3.1研究思路
鉆頭在堅硬致密弱研磨性地層鉆進產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思想，借鑒電鍍金剛石鉆頭胎體耐磨性弱化的機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，並對其碎巖機理及設計參數展開研究分析。
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，造成胎體具有一定的孔隙度，孔隙弱化了胎體的耐磨性，為金剛石的自銳創造了良好條件；此外，電鍍金剛石鉆頭由於工藝特性使其唇面粗糙甚至表面產生節瘤，粗糙的唇面有利於殘留巖粉促進金剛石新陳代謝。因此，電鍍鉆頭在中硬及以下地層鉆進時，其效率遠高於熱壓金剛石鉆頭。但是，電鍍鉆頭胎體硬度受配方工藝影響，調節範圍較小，限制了電鍍鉆頭的鉆進地層範圍[76]。通過向孔底投置重晶石、石英粉、綠碳化硅等硬質磨料，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，磨粒易於從胎體表面脫落，使胎體表面形成一定的孔隙，增加了唇面的粗糙度。由電鍍鉆頭的生產實踐可知，唇面的粗糙度與殘留巖粉的能力成正比，唇面越粗糙越有利於殘留巖粉，提高金剛石新陳代謝速度。因此，這種假設是合理可行的。
弱化胎體耐磨性是指在保證胎體強度的前提下采用一定的工藝方法適當降低胎體的耐磨性。胎體耐磨性經弱化處理的金剛石鉆頭是在胎體中添加了一定材質的胎體耐磨性弱化顆粒，弱化顆粒具有一定強度且與胎體黏結力較弱。在鉆進過程中易於從胎體表面脫落，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容值得進一步研究和探索，如堅硬致密弱研磨性巖石可鉆性能標定、弱化胎體耐磨性鉆頭的參數設計規律、鉆頭設計參數合理性的數值模擬檢測、鉆頭設計制造及使用神經網絡專家系統開發等。因此，進一步深入研究胎體耐磨性經弱化處理的鉆頭的工作原理、碎巖機理、參數設計規律，並用數值模擬方法對其進行分析和評判等，是一項非常有意義的重要工作。
……
鉆頭在堅硬致密弱研磨性地層鉆進產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思想，借鑒電鍍金剛石鉆頭胎體耐磨性弱化的機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，並對其碎巖機理及設計參數展開研究分析。
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，造成胎體具有一定的孔隙度，孔隙弱化了胎體的耐磨性，為金剛石的自銳創造了良好條件；此外，電鍍金剛石鉆頭由於工藝特性使其唇面粗糙甚至表面產生節瘤，粗糙的唇面有利於殘留巖粉促進金剛石新陳代謝。因此，電鍍鉆頭在中硬及以下地層鉆進時，其效率遠高於熱壓金剛石鉆頭。但是，電鍍鉆頭胎體硬度受配方工藝影響，調節範圍較小，限制了電鍍鉆頭的鉆進地層範圍[76]。通過向孔底投置重晶石、石英粉、綠碳化硅等硬質磨料，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，磨粒易於從胎體表面脫落，使胎體表面形成一定的孔隙，增加了唇面的粗糙度。由電鍍鉆頭的生產實踐可知，唇面的粗糙度與殘留巖粉的能力成正比，唇面越粗糙越有利於殘留巖粉，提高金剛石新陳代謝速度。因此，這種假設是合理可行的。
弱化胎體耐磨性是指在保證胎體強度的前提下采用一定的工藝方法適當降低胎體的耐磨性。胎體耐磨性經弱化處理的金剛石鉆頭是在胎體中添加了一定材質的胎體耐磨性弱化顆粒，弱化顆粒具有一定強度且與胎體黏結力較弱。在鉆進過程中易於從胎體表面脫落，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容值得進一步研究和探索，如堅硬致密弱研磨性巖石可鉆性能標定、弱化胎體耐磨性鉆頭的參數設計規律、鉆頭設計參數合理性的數值模擬檢測、鉆頭設計制造及使用神經網絡專家系統開發等。因此，進一步深入研究胎體耐磨性經弱化處理的鉆頭的工作原理、碎巖機理、參數設計規律，並用數值模擬方法對其進行分析和評判等，是一項非常有意義的重要工作。
……
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