吉林大学学报(工学版) ›› 2016, Vol. 46 ›› Issue (5): 1540-1545.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb201605023

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高胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头

李梦1, 苏义脑2, 孙友宏1, 高科1   

  1. 1.吉林大学 建设工程学院, 长春 130021;
    2.中国石油集团钻井工程技术研究院, 北京 102206
  • 收稿日期:2015-07-27 出版日期:2016-09-20 发布日期:2016-09-20
  • 通讯作者: 高科(1977-,男,副教授,博士.研究方向:超硬材料,仿生钻头.E-mail:gaokenm@jlu.edu.cn
  • 作者简介:李梦(1988-,女,博士研究生.研究方向:金刚石复合材料,超硬材料,仿生钻头.E-mail:mli14@mails.jlu.edu.cn
  • 基金资助:
    中国地质调查局地质调查工作项目(12120114055001); 国土资源部公益性行业科研专项经费项目(SinoProbe-09-05); 吉林大学研究生创新研究计划项目(2015005).

High matrix bionic abnormal shape impregnated diamond bit

LI Meng1, SU Yi-nao2, SUN You-hong1, GAO Ke1   

  1. 1.College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun 130021,China
    2.China National Petroleum Corporation Drilling Research Institute, Beijing 102206, China
  • Received:2015-07-27 Online:2016-09-20 Published:2016-09-20

摘要: 为提高孕镶金刚石钻头的钻进速度和工作寿命,遵循仿生工程学相似原理,以土壤动物的爪趾为仿生原型,结合普通孕镶金刚石钻头异型唇面结构设计方法,通过无压浸渍烧结法制备了高胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头。高胎体仿生异型钻头的单齿单元由多个柱齿组合并呈阶梯状排布,基于强度理论和孕镶柱齿的受力模型确定柱齿最大高径比。通过有限元数值模拟对钻头与岩石接触面的应力进行分析,检验了仿生异型单齿结构设计的合理性。钻头的野外试验数据表明:相比于普通孕镶金刚石钻头,高胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头的平均钻进速度提高了20%;在不降低钻进速度的情况下,工作寿命提高一倍以上,大幅度减少了提下钻的频率,可缩短钻孔周期、节约钻探成本,具有较好的应用前景和较大的经济效益。

关键词: 工程仿生学, 金刚石钻头, 异型结构, 动物爪趾, 高胎体

Abstract: To improve the impregnate bit drilling rate and service life, combining bionic prototype of soil fauna claw toe with common bit abnormal surface, high-matrix bionic abnormal shape diamond bit is designed and manufactured by pressureless impregnation sintering. The unit cutting tooth of the bit consists of several columns ladder drill-teeth. The high-diameter ratio check calculation is used to ensure the strength of drill-tooth. Finite element analysis is conducted to analyze the stress between bit and rock, which is used to check the reasonability of unit cutting tooth strength. Field drilling test data show that the drilling rate of this novel diamond bit increases by 20%; under certain drilling rate, the service life is more than twice. Using this bionic diamond bit can significantly reduce the time of up-down drill, short the drilling cycles, save costs, and achieve good application prospect and profound economic effect.

Key words: engineering bionics, diamond bit, abnormal shape, claw toe, high-matrix

中图分类号: 

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