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水泥灌浆全过程物联网监测系统研究

人民长江 2024年

作者：周治刚丁晔黄帆谭松成李昌平长江设计集团有限公司长江岩土工程有限公司水资源工程与调度全国重点实验室中国地质大学(武汉)工程学院中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院

在水利水电工程建设中，帷幕灌浆工程量大，需采用智能灌浆全过程物联网监测系统替代常规灌浆记录仪，以规范施工操作。本文设计了一种基于制浆机、灌浆泵及储浆罐的水泥灌浆全过程物联网监测系统，集成智能传感器、PLC、物联网网关模... 详细信息

在水利水电工程建设中，帷幕灌浆工程量大，需采用智能灌浆全过程物联网监测系统替代常规灌浆记录仪，以规范施工操作。本文设计了一种基于制浆机、灌浆泵及储浆罐的水泥灌浆全过程物联网监测系统，集成智能传感器、PLC、物联网网关模块等设备，利用物联网网关云服务器数据爬取技术，实现进浆及返浆流量、进浆密度、压力等数据的采集和处理，提供触摸屏人机交互及数据存储，并实现远程物联透传显示及控制。该系统在南水北调中线雄安调蓄库灌浆试验工程中进行了应用研究，结果表明系统运行稳定，数据实时性好，为实现全过程智能灌浆和管控奠定了基础。

关键词：水泥灌浆物联网监测智能传感器 PLC控制远程监控

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孕镶金刚石钻头磨损研究现状与发展趋势

地质科技通报 2024年第3期43卷 200-217页

作者：段隆臣孙武成王志明谭松成高辉方小红中国地质大学(武汉)工程学院武汉430074 中国地质大学(武汉)地球深部钻探与深地资源开发国际联合研究中心武汉430074

孕镶金刚石钻头广泛应用于各种硬岩钻进,尤其是深部硬岩钻探钻井的工程实践活动中,其碎岩机制表现为金属胎体包裹的金刚石出刃后压入、刻划和破碎岩石。金刚石钻头的磨损形式反映了孔底钻头-岩石的相互作用过程,以及磨粒(包括岩屑、胎... 详细信息

孕镶金刚石钻头广泛应用于各种硬岩钻进,尤其是深部硬岩钻探钻井的工程实践活动中,其碎岩机制表现为金属胎体包裹的金刚石出刃后压入、刻划和破碎岩石。金刚石钻头的磨损形式反映了孔底钻头-岩石的相互作用过程,以及磨粒(包括岩屑、胎体碎屑和金刚石碎屑等)在孔底的存在状态,它决定了金刚石钻头的钻进效率和使用寿命。目前关于孕镶金刚石钻头磨损理论、方法的研究大部分属于定性判断,且常局限于区域特殊情况,无法形成统一或可借鉴的实用指导体系。以地质钻探领域的孕镶金刚石钻头磨损相关研究文献为主,讨论了孕镶金刚石钻头磨损的研究现状。首先结合地质钻探工业实践和行业规程归纳了钻头的非正常磨损类型,然后从磨损图像、钻进信号2个方面介绍了钻头磨损评价方法,从钻头整体、金刚石和金属胎体3个方面梳理了钻头钻进过程磨损机理与影响因素,另外列举了主流的钻头磨损性能调控方法,介绍了磨损分析方程的研究进展,并探讨了机器学习方法如何辅助钻头磨损研究。孕镶金刚石钻头在深部硬岩钻探中有极大的潜力,而其磨损性能是决定其最终使用效果的关键。为此,对人工智能方法辅助数据分析、微观尺度计算模拟、增材制造和材料处理改性等研究方向进行了分析展望,探索先进的金刚石钻头的磨损监测分析和调控方法,以期满足地质深部钻探和地外星系钻探等远程监控钻进的需求。

关键词：孕镶金刚石钻头岩石破碎钻头磨损磨损机理磨损评价机器学习

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基于有限元分析的组合式金刚石钻头磨损规律与设计研究

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煤田地质与勘探 2023年第9期51卷 164-170页

作者：杨展谭松成杨凯华方小红中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院湖北武汉430074 中国地质大学(武汉)工程学院湖北武汉430074

在能源勘探与开发过程中,除了取心钻进方式之外,全面(不取心)钻进也占有较大比例。不取心钻进可以减少提钻取心所消耗的大量提下钻时间,进而增加纯钻时间、提高钻进效率和降低钻进成本。传统不取心钻头在钻探过程中容易出现钻头唇面不... 详细信息

在能源勘探与开发过程中,除了取心钻进方式之外,全面(不取心)钻进也占有较大比例。不取心钻进可以减少提钻取心所消耗的大量提下钻时间,进而增加纯钻时间、提高钻进效率和降低钻进成本。传统不取心钻头在钻探过程中容易出现钻头唇面不均衡磨损的现象,为查明和改善这种不均衡磨损规律,提出采用组合式不取心钻头改善钻头偏磨现象。首先采用数值模拟方法对一二级组合不取心孕镶金刚石钻头进行了钻进花岗岩的数值模拟分析,模拟结果显示,由钻头外缘到中心,应力值由大逐渐变小,磨损量与之相对应。在靠近水口处的钻头外缘,胎体应力值和磨损量最大,最大应力为282.14 MPa,最大磨损深度为1.1×10~(-5)mm。而在靠近钻头中心处,钻头胎体应力和磨损量值最小,分别为0.002 MPa和1.3×10~(-6)mm。在钻头唇面半径为55 mm处,钻头磨损速度出现拐点。根据数值模拟结果,设计了二级组合式不取心钻头,由外环钻头、中心钻头和相应的水路系统组成,其中外环钻头规格为?95/48 mm,中心钻头规格为?46/16 mm,水路系统由中心孔、4条主水路、4条副水路和环状间隙水路组成。以常钻遇的可钻性为7~8级岩石为基础,对钻头胎体配方、金刚石参数和烧结工艺进行了设计,提高外环钻头胎体耐磨性、金刚石浓度、小粒径金刚石比例,同时增大烧结温度和提高烧结压力,以降低外钻头磨损量,保证钻头内外磨损一致。采用所设计的二级组合式不取心钻头结构,试制了?75/16 mm不取心钻头,并在可钻等级为8级的花岗岩上进行了室内钻进试验,试验结果表明,钻头磨损均匀,钻进时效约1.84 m/h,胎体消耗高度约1 mm,能满足硬岩全面钻进的需要。本研究为不取心孕镶金刚石钻头设计、研制和施工提供了借鉴。

关键词：不取心金刚石钻头不均衡磨损二级组合钻头数值模拟

提高烧结压力对孕镶金刚石钻头性能的影响研究

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煤田地质与勘探 2023年第6期51卷 194-199页

作者：杨展谭松成方小红杨凯华中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院湖北武汉430074 中国地质大学(武汉)工程学院湖北武汉430074

传统的热压孕镶金刚石钻头胎体配方多为单质金属体系,采用WC或YG8作为骨架材料,Cu合金作为粘结材料,Ni、Co、Fe和Mn等金属作为中间材料。受配方中粘结材料和骨架材料成分及含量的影响,其适宜的烧结压力有限(≤16 MPa),且烧结温度则相对... 详细信息

传统的热压孕镶金刚石钻头胎体配方多为单质金属体系,采用WC或YG8作为骨架材料,Cu合金作为粘结材料,Ni、Co、Fe和Mn等金属作为中间材料。受配方中粘结材料和骨架材料成分及含量的影响,其适宜的烧结压力有限(≤16 MPa),且烧结温度则相对较高(≥930℃),常造成金刚石钻头胎体实际密度与理论密度之比偏低(≤98%),且高烧结温度会对金刚石产生热损伤,从而使钻头难以同时兼顾机械钻速和使用寿命。采用混料回归试验方法优选了2种全预合金成分的孕镶金刚石钻头胎体配方,并以钻头胎体的硬度(HRC)、磨损量和相对密度作为评价指标,分别开展了上述2种配方的烧结温度和烧结压力的单因素试验,以及配方2的烧结温度(930、940、950℃)和烧结压力(17、18、19、20 MPa)优化试验。试验结果表明,钻头胎体试样的最高压入硬度可达30.1(HRC),对应磨损量和相对密度分别为134 mg和99.1%。基于此,采用配方2及其优选的热压烧结工艺参数,试制了3只ø75/49 mm规格的普通双管钻头,并在河南洛阳栾川某金矿钻探现场进行了野外钻进试验,其平均机械钻速达到2.02 m/h,平均使用寿命达到121.4 m。同机台使用的其他厂家的金刚石钻头,其平均机械钻速为1.81 m/h,单只钻头平均使用寿命为89 m。野外钻进试验结果表明,相较于其他厂家的常规孕镶金刚石钻头,采用全预合金配方体系和优化配合的烧结压力与烧结温度制备的孕镶金刚石钻头具有明显的优势,可以同时兼顾高效与长寿命的钻进效果。

关键词：孕镶金刚石钻头热压预合金胎体配方烧结工艺

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基于自然图像的钻探岩心识别

煤田地质与勘探 2023年第9期51卷 64-71页

作者：高辉吴振坤柯雨谭松成何思琪段隆臣中国地质大学(武汉)工程学院湖北武汉430074 中国地质大学(武汉)地球深部钻探与深地资源开发国际联合研究中心湖北武汉430074 中国地质大学(武汉)自动化学院湖北武汉430074 中国地质大学(武汉)未来技术学院湖北武汉430074

传统的现场岩心识别与编录主要依赖技术人员的经验,不确定性因素较多,使用手机或相机拍摄自然图像是采集岩心信息最为便捷的方式。通过搜集大量的岩心样本,采用薄片鉴定的方式确定岩心的类型和名称,然后在不同的光照、尺度条件下拍摄岩... 详细信息

传统的现场岩心识别与编录主要依赖技术人员的经验,不确定性因素较多,使用手机或相机拍摄自然图像是采集岩心信息最为便捷的方式。通过搜集大量的岩心样本,采用薄片鉴定的方式确定岩心的类型和名称,然后在不同的光照、尺度条件下拍摄岩心图像,形成图像和名称标记相对应的卷积神经网络的训练数据集。为解决数据增强和不同训练批次在不同测试数据集上产生的识别准确率的差异性问题,提出基于多训练模型的岩心联合识别方法,同时采用多个模型对图像进行识别,综合确定识别结果。选择8个数据集对模型进行测试,使用4个模型联合识别的准确率比单模型无数据增强时最大提升20.34%,平均提升9.13%;比单模型有数据增强时最大提升4.41%,平均提升2.75%,对每个测试集的识别准确率均有明显提升,总的识别准确率达91.56%,有效避免了使用单模型识别时对部分数据集识别效果好,而对部分数据集识别效果差的问题。为了在现场快捷使用岩心识别模型,采用TensorFlow Lite框架研发了岩心识别手机APP,通过手机拍摄图像,并进行识别。在河北省保定市博野县地热勘探中的测试结果表明,该APP的现场识别准确率可达85%,较实验室测试时有所降低,说明野外的拍摄环境与岩心状态比实验室测试时更加复杂,不过,其依然可以作为一个辅助工具为现场工作人员提供重要的参考。研究表明,通过选用更复杂的卷积神经网络、不断扩大岩心图像数据集、采用更有效的数据增强方法和策略、建立某个区域的专有岩心识别模型等手段,可以进一步提升岩心图像的识别准确率,为智能钻探的决策提供更有效的信息。

关键词：自然图像岩心识别深度学习卷积神经网络智能钻探

MoS2对热压Fe基金刚石钻头胎体性能的影响研究

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煤田地质与勘探 2023年第4期51卷 170-178页

作者：章文姣谭松成潘秉锁金鑫孔祥清龙尚琳辽宁工业大学土木建筑工程学院辽宁锦州121001 中国地质大学(武汉)工程学院湖北武汉430074 中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077

金刚石钻头是勘探工作中的常见破岩工具,但金刚石热稳定性较差,在钻进过程中会不断产生热量,干旱缺水条件下钻头自冷却对钻进效率的提高具有非常重要的意义。为降低干钻条件下钻头胎体与岩石界面间的摩擦因数从而减少钻进过程中金刚石... 详细信息

金刚石钻头是勘探工作中的常见破岩工具,但金刚石热稳定性较差,在钻进过程中会不断产生热量,干旱缺水条件下钻头自冷却对钻进效率的提高具有非常重要的意义。为降低干钻条件下钻头胎体与岩石界面间的摩擦因数从而减少钻进过程中金刚石的热损伤,在热压Fe基金刚石钻头胎体中添加二硫化钼(MoS2),研究MoS2含量对Fe基钻头胎体相对密度、洛氏硬度、抗弯强度以及与白刚玉砂轮干磨时的磨损量和摩擦因数的影响,并用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)等测试仪器分析了抗弯强度和摩擦磨损试验后的试样断口和表面的形貌及物相成分。试验结果表明,在试验范围内,Fe基胎体相对密度与MoS2含量关系不大,但是与未添加MoS2的Fe基胎体相比,其相对密度提高了约2.5%,达98%以上。Fe基胎体洛氏硬度随着MoS2含量的增加先增大后减小,在MoS2体积分数为8%时胎体硬度最大,洛氏硬度HRB值达101.3。Fe基胎体抗弯强度随着MoS2含量的增加先增大后减小,在MoS2体积分数为2%时胎体抗弯强度最大,达1140 MPa。Fe基胎体磨损量随着MoS2含量的增加先减小后增大,在MoS2体积分数为4%时磨损量最小,为0.376 g。Fe基胎体与岩石界面间的摩擦因数则随着MoS2含量的增加而逐渐下降,在MoS2体积分数为10%时摩擦因数最小,为0.325。抗弯强度断裂试样断口形貌和物相分析表明,MoS2的加入降低了Fe基胎体显微组织的连续性。摩擦磨损试验后试样形貌分析表明,MoS2的加入降低了摩擦磨损过程中的粘着磨损和塑性变形。研究成果为减少干钻条件下金刚石磨损和热损伤,提高胎体耐磨性,延长钻头寿命奠定了理论基础。

关键词： MoS2 金刚石钻头热压Fe基胎体机械性能摩擦学性能

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铁基非晶粉末对金刚石工具胎体的影响

金刚石与磨料磨具工程 2022年第2期42卷 180-185页

作者：李鸣凤方小红段隆臣谭松成中国地质大学工程学院武汉430074

将不同质量分数(分别为0,5%,10%和15%)的铁基非晶粉末加入铁基预合金粉末胎体中,通过热压烧结制成胎体试样后,测试其洛氏硬度、抗弯强度及磨损率。当不添加非晶粉末时,普通胎体的洛氏硬度、抗弯强度和磨损率分别为104.6 HRB,610 MPa和3... 详细信息

将不同质量分数(分别为0,5%,10%和15%)的铁基非晶粉末加入铁基预合金粉末胎体中,通过热压烧结制成胎体试样后,测试其洛氏硬度、抗弯强度及磨损率。当不添加非晶粉末时,普通胎体的洛氏硬度、抗弯强度和磨损率分别为104.6 HRB,610 MPa和3.3;加入10%的非晶粉末后,其洛氏硬度和抗弯强度分别提高至107.7 HRB和965 MPa,比原胎体分别提高了3.0%和58.2%,磨损率降低至0.9,降低了72.7%;加入15%的非晶粉末后,其洛氏硬度和抗弯强度分别提高至110.0 HRB和790 MPa,分别提高了5.2%和29.5%,磨损率降低至0.6,降低了81.8%。因而铁基非晶粉末的加入可以显著提高胎体试样的机械性能和耐磨性。此外,铁基非晶粉末的DSC及XRD测试发现,在500~700℃时,铁基非晶粉末会产生晶体化相变,NiSi相中融入了B元素转化成NiSiB相,CrFe相中融入了Si元素形成SiCrFe相,都起到改善胎体结构、提高胎体性能的目的。

关键词：铁基非晶粉末铁基预合金粉末胎体力学性能 NiSi相 CrFe相

MoS对热压Fe基金刚石钻头胎体性能的影响研究

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煤田地质与勘探 2022年

作者：章文姣谭松成潘秉锁金鑫孔祥清龙尚琳中国地质大学(武汉)工程学院中煤科工西安研究院(集团)有限公司辽宁工业大学土木建筑工程学院

金刚石钻头是勘探工作中的常见破岩工具，但钻头内金刚石热稳定性较差，在钻进过程中会不断产生热量，干旱缺水条件下钻头自冷却对钻进效率的提高具有非常重要的意义。为降低干钻条件下钻头胎体与岩石界面间的摩擦系数而减少钻进过程中...

金刚石钻头是勘探工作中的常见破岩工具，但钻头内金刚石热稳定性较差，在钻进过程中会不断产生热量，干旱缺水条件下钻头自冷却对钻进效率的提高具有非常重要的意义。为降低干钻条件下钻头胎体与岩石界面间的摩擦系数而减少钻进过程中金刚石的热损伤，在热压Fe基金刚石钻头胎体中添加二硫化钼(MoS)，研究MoS含量对Fe基钻头胎体相对密度、洛氏硬度、抗弯强度、以及与白刚玉砂轮干磨时的磨损量和摩擦系数的影响，并用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)等测试仪器分析了抗弯强度和摩擦磨损试验后的试样断口和表面的形貌及物相成分。试验结果表明，在试验范围内，Fe基胎体相对密度与MoS含量关系不大，但是与未添加MoS的Fe基胎体相比，其相对密度提高了约2.5%，达98%以上。Fe基胎体洛氏硬度随着MoS含量的增加先增大后减小，在MoS体积分数为8%时胎体硬度最大，洛氏硬度HRB值达101.3。Fe基胎体抗弯强度随着MoS含量的增加先增大后减小，在MoS体积分数为2%时胎体抗弯强度最大，达1 140 MPa。Fe基胎体磨损量随着MoS含量的增加先减小后增大，在MoS体积分数为4%时磨损量最小，为0.376g。Fe基胎体与岩石界面间的摩擦系数则随着MoS含量的增加而逐渐下降，在MoS体积分数为10%时摩擦系数最小，为0.325。抗弯强度断裂试样断口形貌和物相分析表明，MoS的加入降低了Fe基胎体显微组织的连续性。摩擦磨损试验后试样形貌分析表明，MoS的加入降低了摩擦磨损过程中的粘着磨损和塑性变形。研究成果为减少干钻条件下金刚石磨损和热损伤，提高胎体耐磨性，延长钻头寿命奠定了理论基础。

关键词：

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孕镶钻头胎体对金刚石机械把持力的评价方法

金刚石与磨料磨具工程 2022年第6期42卷 656-661页

作者：赵小军段隆臣谭松成方小红中石化江钻石油机械有限公司武汉430223 中国地质大学工程学院武汉430074

传统的孕镶钻头胎体对金刚石的把持力来源于机械把持力。金刚石表面的残余压应力是评价胎体对金刚石机械把持力的重要指标。本文中,对现有的金刚石表面压应力计算方法进行比较和评价,发现经验公式、弹性力学方程表征公式的计算结果与实... 详细信息

传统的孕镶钻头胎体对金刚石的把持力来源于机械把持力。金刚石表面的残余压应力是评价胎体对金刚石机械把持力的重要指标。本文中,对现有的金刚石表面压应力计算方法进行比较和评价,发现经验公式、弹性力学方程表征公式的计算结果与实际值差别很大,公式形式不够合理,而基于弹塑性力学理论的力学计算公式与有限元数值模拟方法具有很好的有效性。对WC基金刚石复合材料烧结后的冷却过程分析发现,钻头胎体在烧结后的冷却过程中发生了塑性变形,金刚石颗粒周围形成塑性变形区域;塑性变形吸收了一部分能量,缓解了金刚石—胎体之间的热错配应力,释放了一部分金刚石表面的静压应力;冷却完成后,金刚石表面会产生残余压应力,而这种残余压应力是胎体对金刚石机械把持力的主要来源。

关键词：金刚石表面压应力弹塑性模型塑形区半径解析计算