CN106052930A - 一种金刚石钻头胎体对金刚石把持力的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金刚石钻头胎体对金刚石把持力的测试装置及方法，测试装置包括支撑机构、加热与保温系统、冷却系统、加载与测试系统、压力检测系统和数据传感系统，加载与测试系统用于测量圆环状试样发生破坏时的张裂载荷；加热与保温系统测量不同工作温度条件下钻头胎体对金刚石的把持力；冷却系统在测高温下钻头胎体对金刚石的把持力后，实现快速冷却，以缩短两次试验的时间间隔，提高装置的工作效率；压力检测系统和数据传感系统实现对所加载荷的精确测量与数据采集、储存。本发明可以实现钻头胎体对金刚石把持力的定量评价，从而使胎体配方的设计和制备工艺的优化更为科学和简便，这对于提高金刚石钻头的寿命和效率具有重要意义。

Description

一种金刚石钻头胎体对金刚石把持力的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及金刚石钻头应用领域，具体涉及一种金刚石钻头胎体对金刚石把持力的测试装置及方法，用于实现钻头胎体对金刚石把持力的定量评价。

背景技术

为解决浅部资源逐渐枯竭的问题以缓解资源供需矛盾和出于各类科学研究的需要，近年来深部钻探工作和干热岩钻探工作被广泛地开展。由于在深部钻探中，井底的温度会随钻深的增加而增大；在干热岩钻探中，钻头胎体的温度会更高。因此，钻头需要在不同温度条件下进行作业，而温度对钻头的性能影响明显，把持力会随温度的升高而减小。在这些钻探工作中，由于金刚石钻头的寿命和效率不足对钻探的效率和成本产生了重大的影响。而金刚石钻头的寿命和效率不足往往是由于钻头胎体对金刚石的把持力不足引起的。金刚石钻头的寿命和效率在金刚石钻头结构合理、胎体性质与地层相适应的情况下，取决于胎体对金刚石的把持力(亦称包镶力)。把持力增大，金刚石出刃高度可相应增加，钻头每转一圈的切入深度增加，进而使钻进效率增加；同时，金刚石出刃高度的增加也能改善底唇面工作状况、减小冲洗液和岩粉对胎体的冲蚀等，提高钻头使用寿命；另外，胎体对金刚石的把持力增加，金刚石脱落的比例降低，有效利用率增加，从而提高金刚石钻头的寿命。

目前国内外对金刚石把持力的测量和表征没有统一的方法，也没有相关的测试装置，多采用扫描电镜(SEM)形貌分析、能谱分析等定性分析方法和抗弯强度下降率(把持力系数)、拉伸强度下降率等半定量分析方法相结合来间接评价把持力，这些方法在实际应用中很不方便，而且不能很好的定量的表征把持力的大小。因此，需要提供一种钻头胎体对金刚石把持力的测试装置及方法，可以用来定量的评价把持力的大小，从而使胎体配方的设计和制备工艺的优化更为科学和简便，这对于提高金刚石钻头的寿命和效率具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种金刚石钻头胎体对金刚石把持力的测试装置及方法，实现钻头胎体对金刚石把持力的定量评价，从而使胎体配方的设计和制备工艺的优化更为科学和简便，对于提高金刚石钻头的寿命和效率具有重要意义。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种金刚石钻头胎体对金刚石把持力的测试装置，至少包括由底座和四个支架组成的支撑机构，由加热器、隔热仓和测温装置组成的加热与保温系统，由进水口、出水口、水泵、水管、水箱组成的冷却系统，由加载油缸、加载头、受载锥体、传力环、测试试样和试样支撑组成的加载与测试系统，以及压力检测系统和数据传感系统；所述加热器及隔热仓设置在底座的上方，测温装置设置在隔热仓上；所述进水口设置于隔热仓顶部，出水口设置于隔热仓底部，进水口通过水管连接到水泵、水箱上，出水口通过水管连接水箱；所述加载油缸设置在支架上，加载头布置于加载油缸下方；所述受载锥体连接固定在加载头底部中心，传力环内侧与受载锥体为锥面接触，传力环外侧与测试试样柱面接触，测试试样布置于试样支撑上，试样支撑设置在加热器上；所述压力检测系统和数据传感系统安装在加载油缸上，数据传感系统与计算机连接，用于实现对所加载荷的精确测量与数据采集、储存。

按上述方案，所述受载锥体为圆锥体，用于将来自加载油缸上的力施加在传力环之上，传力环与受载锥体锥面接触的锥角相同。

按上述方案，所述传力环由均匀对称的四部分组成，在加载过程中摩擦力的影响相互抵消，传力环用于将来自受载锥体竖直方向的力转换为测试试样所受到的径向方向的力。

按上述方案，所述测试试样为圆环状试样，由纯胎体以及含金刚石工作层的胎体小块两部分组成。

按上述方案，所述隔热仓采用双层不锈钢隔热仓，隔热仓中充满水，用于隔热以保护测试人员的安全。

本发明还提供了一种上述金刚石钻头胎体对金刚石把持力的测试装置的测试方法，包括如下步骤：

(1)按照设计的钻头胎体配方和烧结工艺制备测试试样；

(2)在测试装置中固定好试样支撑，将测试试样放在试样支撑之上，将传力环置于测试试样内侧，并使受载锥体与传力环、试样支撑的中心对齐；

(3)关上双层不锈钢隔热仓的仓门，若需要测高温下钻头胎体对金刚石的把持力，则启动加热与保温系统使测试试样处于所需温度下，同时打开水泵，启动冷却系统，用于隔热以及试验后实现快速冷却；若不需要，则直接在室温下测定；

(4)启动加载油缸，让加载油缸缓慢匀速的向下加载，加载头带动受载椎体向下运动，通过传力环对测试试样施力，直到测试试样张裂，测试装置处于卸载状态，测试完成；在这期间压力检测系统和数据传感系统进行压力数据的检测与采集工作；

(5)通过接在数据传感系统上的计算机处理系统得到相应的测试曲线以及张裂强度，通过张裂强度定量表征把持力的大小。

按上述方案，所述步骤(4)测试时，载荷通过受载锥体、传力环至测试试样内壁(将测试试样看作厚壁圆环内壁上受到均匀分布的压力作用，随着加载载荷的增加，圆环状测试试样必然发生破坏，而圆环破坏是由切向应力引起的，其值在内表面为最大)，测试试样破坏时最大切向应力满足

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}max}=\frac{r_1^2+r_2^2}{r_1^2-r_2^2}\·\frac{P(cos\mathrm{\α}-fsin\mathrm{\α})}{2{\mathrm{\πr}}_{2}h(fcos\mathrm{\α}+sin\mathrm{\α})}$

其中，σ_θmax是测试试样(圆环状试样)破坏时最大切向应力，即张裂强度；r₁是测试试样外半径；r₂是测试试样内半径；P是加载载荷；α是受载锥体斜面角；h是测试试样厚度；f是受载锥体与传力环之间的摩擦系数。

本发明的工作原理：由于胎体对金刚石的把持力比胎体自身强度小很多，故测试试样的破坏发生在胎体与金刚石界面。胎体对金刚石的把持力越强，则测试试样张裂时受到的载荷越大，张裂强度σ_θmax值也就越大，故可以用张裂强度σ_θmax来直接定量的表征胎体对金刚石把持力的大小。在测试试样的尺寸和其它如受载锥体与传力环等装置确定的情况下，只要测出通过压力检测系统测出所加载荷的大小就可以得到张裂强度σ_θmax值，从而可以定量表征把持力的大小。

本发明的有益效果：

1、目前缺乏钻头胎体工作温度对把持力影响方面的研究，本发明的加热与保温系统就是为了测定不同工作温度条件下钻头胎体对金刚石把持力的大小，方法简便易行，有利于推动钻头胎体对把持力的定量研究工作，对于提高金刚石钻头的寿命和效率具有重要意义；

2、优化胎体配方和制备工艺，从而提高金刚石钻头的质量，进而提高钻探效率、降低成本、缩短工期，具有重要意义，该装置和方法不仅可以用于金刚石钻头领域，也可以用于其它金刚石工具胎体对把持力的定量评价。

附图说明

图1为本发明金刚石钻头胎体对金刚石把持力的测试装置的结构示意图；

图2为本发明测试试样的上视图；

图中，1-底座，2-出水口，3-加热器，4-隔热仓，5-支架，6-进水口，7-加载头，8-加载油缸，9-数据传感系统，10-压力检测系统，11-受载锥体，12-传力环，13-测试试样，14-试样支撑，15-测温装置，16-纯胎体，17-胎体小块。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明技术方案进行详细的描述。

如图1～2所示，本发明所述的金刚石钻头胎体对金刚石把持力的测试装置，包括由底座1和四个支架5组成的支撑机构，由加热器3、隔热仓4和测温装置15组成的加热与保温系统，由进水口6、出水口2和水管、水泵、水箱组成的冷却系统，由加载头7、加载油缸8、受载锥体11、传力环12、测试试样13和试样支撑14组成的加载与测试系统，以及数据传感系统9和压力检测系统10；所述加热器3及隔热仓4设置在底座1的上方，测温装置15设置在隔热仓4上；所述进水口6设置于隔热仓顶部，出水口2设置于隔热仓底部，进水口6通过水管连接到水泵、水箱上，出水口2通过水管连接到水箱；所述加载油缸8设置在支架5上，加载头7布置于加载油缸8下方；所述受载锥体11连接固定在加载头7底部中心，传力环12内侧与受载锥体11为锥面接触，传力环12外侧与测试试样13柱面接触，测试试样13布置于试样支撑14上，试样支撑14设置在加热器3上；所述压力检测系统10和数据传感系统9安装在加载油缸8上，数据传感系统9与计算机连接，用于实现对所加载荷的精确测量与数据采集、储存。

受载锥体11为圆锥体，用于将来自加载油缸8上的力施加在传力环12之上，传力环12与受载锥体11锥面接触的锥角相同。

传力环12由均匀对称的四部分组成，在加载过程中摩擦力的影响相互抵消，传力环12用于将来自受载锥体11竖直方向的力转换为测试试样13所受到的径向方向的力。

测试试样13为圆环状试样，由纯胎体16以及含金刚石工作层的胎体小块17两部分组成，如图2所示。

隔热仓4采用双层不锈钢隔热仓，用于隔热以保护测试人员的安全。

本发明实施例金刚石钻头胎体对金刚石把持力的测试装置的测试方法，包括如下步骤：

(1)在使用该装置测试之前，需要制备测试试样13，测试试样13按照设计的钻头胎体配方和烧结工艺制备而成，测试试样13的内外径与钻头胎体尺寸一致或缩小，测试试样13的高度不高于传力环12的高度，也不能太小，以方便制备；

(2)测试试样13制备好后，将其放在试样支撑14之上；之后，将传力环12置于测试试样13内侧，并使受载锥体11与传力环12、试样支撑14的中心对齐；

(3)关上双层不锈钢隔热仓4的仓门，仓门上有观察孔，可以看到整个测试过程。若需要测高温下钻头胎体对金刚石的把持力，则启动加热与保温系统使测试试样13处于所需温度下，同时打开水泵，启动冷却系统，用于隔热以及试验后实现快速冷却；若不需要，则直接在室温下测定；

(4)启动加载油缸8，让加载油缸8缓慢匀速的向下加载，加载头7带动受载椎体11向下运动，通过传力环12对测试试样13施力，直到测试试样13张裂，装置处于卸载状态，测试完成；在这期间压力检测系统10和数据传感系统9进行压力数据的检测与采集工作；

(5)通过接在数据传感系统9上的计算机处理系统得到相应的测试曲线以及张裂强度，通过张裂强度定量表征把持力的大小。

本发明加载与测试系统为本发明装置的基础与核心，本发明对受载锥体11、传力环12、测试试样13的尺寸不做限定。试样支撑14可以固定在装置上，对固定方式不做限定。加热器3为热源，提供加热；隔热仓4和测温装置15可以实现保温与温度测量。冷却系统是为了在测高温下钻头胎体对金刚石的把持力后，实现装置的快速冷却，对具体冷却方式不做限定，以缩短两次试验的时间间隔，提高装置的工作效率。压力检测系统10和数据传感系统9是为了实现对所加载荷的精确测量与数据采集、储存。本发明实现不同工作温度温度条件下胎体对金刚石把持力的测定，对升温速度、加温极限等不做限定。对于测高温下钻头胎体对金刚石的把持力来说，测试完成后，可以使用冷却系统，实现装置的快速冷却，为下组测试做好准备。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，依本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种金刚石钻头胎体对金刚石把持力的测试装置，其特征在于，至少包括由底座和四个支架组成的支撑机构，由加热器、隔热仓和测温装置组成的加热与保温系统，由进水口、出水口、水泵、水管、水箱组成的冷却系统，由加载油缸、加载头、受载锥体、传力环、测试试样和试样支撑组成的加载与测试系统，以及压力检测系统和数据传感系统；所述加热器及隔热仓设置在底座的上方，测温装置设置在隔热仓上；所述进水口设置于隔热仓顶部，出水口设置于隔热仓底部，进水口通过水管连接到水泵、水箱上，出水口通过水管连接水箱；所述加载油缸设置在支架上，加载头布置于加载油缸下方；所述受载锥体连接固定在加载头底部中心，传力环内侧与受载锥体为锥面接触，传力环外侧与测试试样柱面接触，测试试样布置于试样支撑上，试样支撑设置在加热器上；所述压力检测系统和数据传感系统安装在加载油缸上，数据传感系统与计算机连接，用于实现对所加载荷的精确测量与数据采集、储存。

2.根据权利要求1所述的金刚石钻头胎体对金刚石把持力的测试装置，其特征在于，所述受载锥体为圆锥体，用于将来自加载油缸上的力施加在传力环之上，传力环与受载锥体锥面接触的锥角相同。

3.根据权利要求1所述的金刚石钻头胎体对金刚石把持力的测试装置，其特征在于，所述传力环由均匀对称的四部分组成，在加载过程中摩擦力的影响相互抵消，传力环用于将来自受载锥体竖直方向的力转换为测试试样所受到的径向方向的力。

4.根据权利要求1所述的金刚石钻头胎体对金刚石把持力的测试装置，其特征在于，所述测试试样为圆环状试样，由纯胎体以及含金刚石工作层的胎体小块两部分组成。

5.根据权利要求1所述的金刚石钻头胎体对金刚石把持力的测试装置，其特征在于，所述隔热仓采用双层不锈钢隔热仓，隔热仓中充满水，用于隔热以保护测试人员的安全。

6.一种上述权利要求1～5任一项所述的金刚石钻头胎体对金刚石把持力的测试装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)按照设计的钻头胎体配方和烧结工艺制备测试试样；

(2)在测试装置中固定好试样支撑，将测试试样放在试样支撑之上，将传力环置于测试试样内侧，并使受载锥体与传力环、试样支撑的中心对齐；

(3)关上双层不锈钢隔热仓的仓门，若需要测高温下钻头胎体对金刚石的把持力，则启动加热与保温系统使测试试样处于所需温度下，同时打开水泵，启动冷却系统，用于隔热以及试验后实现快速冷却；若不需要，则直接在室温下测定；

(4)启动加载油缸，让加载油缸缓慢匀速的向下加载，加载头带动受载椎体向下运动，通过传力环对测试试样施力，直到测试试样张裂，测试装置处于卸载状态，测试完成；在这期间压力检测系统和数据传感系统进行压力数据的检测与采集工作；

(5)通过接在数据传感系统上的计算机处理系统得到相应的测试曲线以及张裂强度，通过张裂强度定量表征把持力的大小。

7.根据权利要求6所述的金刚石钻头胎体对金刚石把持力的测试装置的测试方法，其特征在于，所述步骤(4)测试时，载荷通过受载锥体、传力环至测试试样内壁，测试试样破坏时最大切向应力满足

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}max}=\frac{r_1^2+r_2^2}{r_1^2-r_2^2}\·\frac{P(cos\mathrm{\α}-fsin\mathrm{\α})}{2{\mathrm{\πr}}_{2}h(fcos\mathrm{\α}+sin\mathrm{\α})}$

其中，σ_θmax是测试试样破坏时最大切向应力，即张裂强度；r₁是测试试样外半径；r₂是测试试样内半径；P是加载载荷；α是受载锥体斜面角；h是测试试样厚度；f是受载锥体与传力环之间的摩擦系数。