《弱化胎体耐磨损性的金刚石钻头》系作者近年来针对金刚石钻头在坚硬致密弱研磨性地层钻进打滑问题的部分研究成果。其中详细介绍了近年来国内外孕镶金刚石钻头的研究进展，展开了对弱化胎体耐磨损性钻头的研究，探讨了钻头的参数设计对胎体耐磨损性能的影响规律，总结了弱化胎体耐磨损性钻头的碎岩机理。《弱化胎体耐磨损性的金刚石钻头》通过弱化胎体的耐磨性能研究以提高钻头钻进效率，并为在金刚石钻头设计中的推广这一新的思路提供了理论支撑。《弱化胎体耐磨损性的金刚石钻头》可供钻探工程、地质工程专业大专院校师生和相关生产单位的技术人员使用。
我国热压孕镶金刚石钻头的研制始于20世纪60年代，经历了五十余年的发展历史。由于热压孕镶金刚石钻头的性能可调范围广，钻进效率高，对岩石的适应能力强，故被广泛应用于地质找矿、工程勘查、建筑工程等领域。但是，在钻进过程中遇到坚硬致密弱研磨性岩层的情况非常普遍，热压孕镶金刚石钻头在该类地层钻进时易出现打滑不进尺的现象，极大地影响了钻头的钻进效率。因此，研究解决金刚石钻头在该类地层钻进中打滑的问题仍然十分必要。
本书提出了一种弱化钻头胎体耐磨性的设计思路。该思路将胎体耐磨性弱化元素以硬质颗粒的形式添加至钻头胎体中。由于耐磨性弱化颗粒具有一定的强度且与胎体的黏结力较弱，在钻进的过程中易于从胎体表面脱落，增加了钻头唇面的粗糙度。此外，残留孔底的耐磨性弱化颗粒与岩粉共同研磨胎体，提高了岩粉的研磨能力，达到了促进金刚石的新陈代谢速度、提高钻头钻进效率的目的。本书展开了以下研究工作：
1.从胎体配方、钻头切削齿结构、金刚石参数、钻进仿真分析、钻头制作工艺及设备研究等方面详细介绍了国内外孕镶金刚石钻头的研究进展；阐述了进行胎体耐磨性弱化研究的重要性，明确了主要的研究内容，确定了研究思路和拟采用的技术路线。
2，结合坚硬致密弱研磨性地层的特点，总结了金刚石钻头的碎岩机理；探讨了孕镶金刚石钻头的参数设计规律，为弱化胎体耐磨性的钻头设计提供了理论基础；提出了一种室内微钻试验台的改造方案，该方案在现有钻机的基础之上对其进行了自动化改造，满足了室内钻进试验的技术指标要求。
王佳亮，男，1986年生，博士，现为湖南科技大学海洋矿产资源探采装备与技术工程实验室讲师。主要从事金刚石碎岩工具、绳索取芯钻具、深海取样设备等方向的研究与教学工作。参与多项纵向及横向课题，已在《有色金属学报》《地球科学：中国地质大学学报》《中南大学学报》《粉末冶金与材料科学工程》Journal of Central South University等核心期刊发表论文数篇。
张绍和，男，1967年生，博士，中南大学教授，博士生导师。主要从事钻探工程、超硬材料与制品、基础工程等方面的教学和科研工作。先后主持和参加国家、省部级及其他科研项目30余项，发表学术论文110余篇，出版专著和教材10部，获得授权和申请专利40余项。
第1章 绪论
1．1 研究意义
1．2 基于打滑地层的金刚石钻头研究现状
1．2．1 人工出刃方法研究
1．2．2 胎体配方研究
1．2．3 金刚石钻头结构研究
1．2．4 金刚石设计参数研究
1．2．5 钻头碎岩模拟仿真分析研究
1．2．6 钻头制作工艺及设备研究
1．3 研究内容及思路
1．3．1 研究思路
1．3．2 研究内容
1．3．3 技术路线
第2章 弱化胎体耐磨性钻头的参数设计研究
2．1 坚硬致密弱研磨性岩层的含义
2．2 孕镶金刚石钻头碎岩机理
2．2．1 外荷载在压力接触面上的分布及岩石内部
应力状态
2．2．2 金刚石钻进机理
2．3 孕镶金刚石钻头磨损机理
2．4 孕镶金刚石钻头参数设计
2．4．1 金刚石参数设计
2．4．2 胎体耐磨性设计
2．4．3 胎体耐磨性弱化方式设计
2．4．4 切削齿齿型结构设计
2．5 本章小结
第3章 室内试验台的研制
3．1 试验台基本功能
3．2 试验台各子系统及功能设计
3．2．1 液压给进系统设计
3．2．2 冷却及夹持系统
3．3 试验台性能调试
3．4 本章小结
第4章 弱化胎体耐磨性钻头的室内试验研究
4．1 钻头胎体成分设计
4．1．1 试验方法选择
4．1．2 试验设计
4．1．3 试样制备与性能测试
4．1．4 数据处理与分析
4．2 室内钻进试验
4．2．1 试验砖材料优选
4．2．2 胎体耐磨损性弱化颗粒材质优选
4．2．3 弱化颗粒材质对钻进效率的影响
4．2．4 弱化胎体耐磨性钻头的参数优化
4．3 本章小结
第5章 切削齿齿型结构对钻进性能影响的仿真分析
5．1 切削齿齿型结构优选
5．2 有限元方法简介
5．3 建模过程与求解
5．3．1 建立模型
5．3．2 设置材料属性
5．3．3 网格划分
5．3．4 定义接触类型与求解
5．4 结果分析
5．4．1 钻进过程中岩石的应力分析
5．4．2 平底钻头应力分析
5．4．3 同心环齿型钻头应力分析
5．4．4 花齿型钻头应力分析
5．5 钻进效率对比分析
5．6 本章小结
第6章 现场钻进试验
6．1 矿区简介
6．2 钻头设计与制造
6．2．1 石墨模具结构设计
6．2．2 钻头钢体结构设计
6．2．3 钻头热压工艺参数设计
6．3 钻进试验结果与分析
6．3．1 第一次现场钻进试验
6．3．2 试验结果
6．3．3 弱化胎体耐磨性钻头的碎岩机理
6．3．4 第二次现场试验
6．3．5 试验结果
6．3．6 分析与讨论
6．4 本章小结
第7章 研究结论与建议
7．1 研究结论
7．2 进一步研究建议
参考文献
1.3.1研究思路
钻头在坚硬致密弱研磨性地层钻进产生打滑的一个重要原因是孔底岩粉少，岩粉对胎体的研磨能力弱。因此本书以如何提高孔底岩粉含量，增加岩粉对胎体的研磨能力为指导思想，借鉴电镀金刚石钻头胎体耐磨性弱化的机理以及从孔底投砂法中得到的启示，研制弱化胎体耐磨性的金刚石钻头，并对其碎岩机理及设计参数展开研究分析。
电镀金刚石钻头在电镀的过程中不可避免地析氢，氢气泡无法排除而滞留在胎体内，造成胎体具有一定的孔隙度，孔隙弱化了胎体的耐磨性，为金刚石的自锐创造了良好条件；此外，电镀金刚石钻头由于工艺特性使其唇面粗糙甚至表面产生节瘤，粗糙的唇面有利于残留岩粉促进金刚石新陈代谢。因此，电镀钻头在中硬及以下地层钻进时，其效率远高于热压金刚石钻头。但是，电镀钻头胎体硬度受配方工艺影响，调节范围较小，限制了电镀钻头的钻进地层范围[76]。通过向孔底投置重晶石、石英粉、绿碳化硅等硬质磨料，能够有效增加孑L底岩粉含量及提高对胎体的研磨能力，从而促进金刚石的出刃。但是孔底投砂法具有一定盲目性，无法有效控制对胎体的研磨程度且只有部分磨料能够真正有效参与研磨胎体，其他磨料易造成钻具非正常磨损。
若将孔底投砂法中的磨料直接由钻头胎体携带，在钻进的过程中随金刚石的出刃同步出露，则能够提高孔底的岩粉研磨能力，避免了常规投砂法的盲目性，对胎体的研磨程度相对容易控制。此外，磨粒易于从胎体表面脱落，使胎体表面形成一定的孔隙，增加了唇面的粗糙度。由电镀钻头的生产实践可知，唇面的粗糙度与残留岩粉的能力成正比，唇面越粗糙越有利于残留岩粉，提高金刚石新陈代谢速度。因此，这种假设是合理可行的。
弱化胎体耐磨性是指在保证胎体强度的前提下采用一定的工艺方法适当降低胎体的耐磨性。胎体耐磨性经弱化处理的金刚石钻头是在胎体中添加了一定材质的胎体耐磨性弱化颗粒，弱化颗粒具有一定强度且与胎体黏结力较弱。在钻进过程中易于从胎体表面脱落，增加了胎体表面的粗糙度，残留孔底的颗粒与岩粉共同研磨胎体，提高岩粉的研磨能力，以达到提高金刚石新陈代谢速度的目的。
前期的研究尽管取得了一定的成果，但还有很多未知的内容值得进一步研究和探索，如坚硬致密弱研磨性岩石可钻性能标定、弱化胎体耐磨性钻头的参数设计规律、钻头设计参数合理性的数值模拟检测、钻头设计制造及使用神经网络专家系统开发等。因此，进一步深入研究胎体耐磨性经弱化处理的钻头的工作原理、碎岩机理、参数设计规律，并用数值模拟方法对其进行分析和评判等，是一项非常有意义的重要工作。
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