農(nóng)業(yè)機(jī)械鉆土打洞觸土部件仿生防粘減阻技術(shù)

本申請項(xiàng)目擬采用學(xué)習(xí)土壤洞穴動(dòng)物體表幾何結(jié)構(gòu)特征和疏水性質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu)與超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料相集成的仿生幾何結(jié)構(gòu)技術(shù)，研究鉆土打洞部件鼠道犁和液體沃土器，在保證所要求土壤洞道或液體沃土質(zhì)量前提下，具防粘和減阻功能，達(dá)到提高農(nóng)機(jī)鉆土打洞部件節(jié)能增效之目的，具有重要理論價(jià)值和實(shí)際意義。鉆土打洞部件由犁鏟和擴(kuò)孔器或注液器組成，本申請項(xiàng)目旨在建立減阻犁鏟設(shè)計(jì)的仿生原理和構(gòu)建技術(shù)，并構(gòu)建幾何結(jié)構(gòu)表面與UHMWPE材料集成的擴(kuò)孔器和注液器仿生防粘減阻技術(shù)，是對農(nóng)機(jī)觸土部件高效節(jié)能仿生理論與技術(shù)的重要拓展，研究思路創(chuàng)新；仿生技術(shù)在農(nóng)機(jī)化工程領(lǐng)域具自身特色；其成果具有明確應(yīng)用前景。

本申請項(xiàng)目擬采用學(xué)習(xí)土壤洞穴動(dòng)物體表幾何結(jié)構(gòu)特征和疏水性質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu)與超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料相集成的仿生幾何結(jié)構(gòu)技術(shù)，研究鉆土打洞部件鼠道犁和液體沃土器，在保證所要求土壤洞道或液體沃土質(zhì)量前提下，具防粘和減阻功能，達(dá)到提高農(nóng)機(jī)鉆土打洞部件節(jié)能增效之目的，具有重要理論價(jià)值和實(shí)際意義。鉆土打洞部件由犁鏟和擴(kuò)孔器或注液器組成，本申請項(xiàng)目旨在建立減阻犁鏟設(shè)計(jì)的仿生原理和構(gòu)建技術(shù)，并構(gòu)建幾何結(jié)構(gòu)表面與UHMWPE材料集成的擴(kuò)孔器和注液器仿生防粘減阻技術(shù)，是對農(nóng)機(jī)觸土部件高效節(jié)能仿生理論與技術(shù)的重要拓展，研究思路創(chuàng)新；仿生技術(shù)在農(nóng)機(jī)化工程領(lǐng)域具自身特色；其成果具明確應(yīng)用前景。提出幾何結(jié)構(gòu)與UHMWPE材料仿生集成的防粘、減阻技術(shù)應(yīng)用于鉆土打洞部件，在內(nèi)容上具創(chuàng)新性；在技術(shù)上具集成創(chuàng)新性；將防粘減阻這一國際前沿問題，發(fā)展為仿生幾何結(jié)構(gòu)與材料集成應(yīng)用在鉆土打洞部件，在發(fā)展上具前沿性。

水鉆粘土叫AB泥，由于他得粘性很強(qiáng)，所以他也被當(dāng)做塑鋼泥。AB水鉆泥屬國內(nèi)最新開發(fā)的新產(chǎn)品，其主要原料均由國外進(jìn)口，硬度高，附著力不錯(cuò)。耐酸耐堿耐腐蝕、耐水泡。粘接對象廣泛，性能超群。本品無毒、無味、無腐蝕，無刺激性，使用方便安全。適用于粘接水鉆、珠寶、工藝品、頭飾、制鞋、金屬、玻璃器皿、光學(xué)儀器、特種燈泡、瓷器、大理石、玉器、鉆石、晶體、寶石、竹木家具、樂器、電器零部件、有機(jī)玻璃、鐳射玻璃、商標(biāo)、銘牌、表面罩光及多種塑料制品（非極性塑料除外）。

粘土具有吸水特性，甚至?xí)c水發(fā)生水合作用，產(chǎn)生膨脹。地層中常含有一定數(shù)量的粘土。主要有高嶺石、蒙脫石、伊利石、綠泥石。這些粘土在注水、酸化、永力壓裂、礫石充填過程中碰到水或水基物質(zhì)就會(huì)產(chǎn)生膨脹，然后進(jìn)一步分散(如蒙脫石、綠泥石) 或直接分?jǐn)?shù)(如高嶺石伊利石) 形成直徑小于10 m的細(xì)小微粒粘土膨脹和微粒的移動(dòng)會(huì)降低地層的滲透率或堵塞井服的通路，這都會(huì)減少油井的產(chǎn)量，嚴(yán)重?fù)p害油管線和油泵。

粘土彭脹的原因是粘土中可交換的陽離子如鈉離子在水中解離形成擴(kuò)散雙電層，使片狀結(jié)構(gòu)表面帶負(fù)電，由于靜電斥力，帶負(fù)電的片狀結(jié)構(gòu)自行分開而引起粘土膨脹。

粘土膨脹會(huì)引起井壁垮塌，在最小水平主應(yīng)力的作用下會(huì)發(fā)生井壁崩落，造成井壁質(zhì)量下降，不利于后續(xù)的起下鉆和下套管以及其他井筒作業(yè)。再就是，粘土膨脹后，就會(huì)產(chǎn)生井眼（不是井筒）縮徑，嚴(yán)重的話有可能會(huì)使泥質(zhì)成分緊緊箍住鉆具或套管等工具，極大提高摩阻，發(fā)生卡鉆或下不去工具的情況。還有，若在近鉆頭附近發(fā)生，那么有可能會(huì)引起鉆頭泥包，就是鉆頭被一大堆泥巴緊緊包住，堵塞水眼，無法傳遞水功率和給鉆頭降溫，造成鉆速下降和鉆頭過熱，這是PDC 和TSP 鉆頭最怕的，因?yàn)榻饎偸遣荒蜔岬?；此外，鉆頭泥包如果發(fā)生在牙輪鉆頭上，會(huì)造成鉆頭自潔能力下降，重復(fù)切削巖石，嚴(yán)重磨損鉆頭，降低鉆速，提高鉆頭成本，頻繁起下鉆換鉆頭，這樣的話會(huì)過多地抽汲、激動(dòng)井筒，易引發(fā)井涌（或噴）井漏的事故。

縮徑的主要原因是鉆遇粘土層中含有大量的蒙脫石等易膨脹粘土礦物, 土工實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 部分粘土層中含量高達(dá)40%。該類粘土膨脹性強(qiáng), 主要原因是這類粘土晶層上下 面皆為氧原子, 各晶層之間以分子間力連接, 連接力弱, 水分子易進(jìn)入晶層之間, 引起晶格膨 脹。

采用鉆井法施工通過膨脹性粘土層時(shí), 由于這些地層遇水后體積膨脹, 易使井筒直徑縮小, 造成鉆頭在鉆進(jìn)過程中提升困難和卡鉆現(xiàn)象。在膨脹性粘土層中鉆進(jìn)易出現(xiàn)泥包鉆頭現(xiàn)象:鉆進(jìn)過程中刀具刮下來的土屑不能被鉆頭的吸收口及時(shí)排除, 粘糊在鉆頭的刀具上, 堵塞吸收口及鉆頭的內(nèi)腔, 甚至包裹刀盤, 使鉆頭無法繼續(xù)正常鉆進(jìn)。采取有效防范措施, 解決好井筒縮徑和泥包鉆頭現(xiàn)象,不僅縮短了工程建設(shè)工期,還為企業(yè)帶來效益。

為取到高質(zhì)量的不擾動(dòng)土，要采用一套正確的取土技術(shù)：鉆進(jìn)方法，軟土最好采用泥漿循環(huán)回轉(zhuǎn)法；可塑-堅(jiān)硬的粘性土，如采用沖擊法，取土前的鉆進(jìn)進(jìn)尺不得超過0.3m，黃土取土前必須清孔；取土方法：壓人法優(yōu)于擊入法，擊入法應(yīng)用重錘少擊法取樣，黃土用快速壓入法或重錘—擊法；包裝和保存，使用鍍鋅鐵皮襯筒裝樣時(shí)，兩端加蓋不允許壓迫土柱，蠟封要全面保證質(zhì)量，避免日曬，注意防凍，包裝用專用土樣箱要卡緊、防震。對一些軟土、飽和粉性土，如會(huì)產(chǎn)生水土分離現(xiàn)象時(shí)，宜進(jìn)行工地試驗(yàn)，土樣應(yīng)在一周內(nèi)運(yùn)抵實(shí)驗(yàn)室，三周內(nèi)開土試驗(yàn)。