仿生非光滑表面PDC複合齒切削岩石防粘機理研究

《仿生非光滑表面PDC複合齒切削岩石防粘機理研究》是依託吉林大學，由高科擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：仿生非光滑表面PDC複合齒切削岩石防粘機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：高科
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

在油氣鑽井中，當PDC鑽頭鑽進遇到泥岩、頁岩時，切削出的泥質岩屑遇水膨脹後不能及時排離井底而黏附於鑽頭的本體和PDC切削齒上就會出現鑽頭泥包現象，輕者大幅度降低機械鑽速，重者發生停鑽或卡鑽等孔內事故。鑽頭表面所具有的水化層是形成泥包的主要因素，要阻止鑽頭表面形成泥包，最好的方法是消除鑽頭表面的吸附水層。常規PDC（聚晶金剛石複合片）為減少切屑粘附現象，將聚晶層表面拋光至鏡面，使得PDC成本大幅度提高，但防泥包效果不理想。本課題從仿生工程學的角度出發，根據土壤動物體表非光滑的結構，以ＰＤＣ齒為研究對象，利用仿生非光滑技術把生物體表非光滑形態套用到PDC的結構設計上，以此來減輕其切削粘附性、保持其切削刃的鋒利性、改善其排屑環境、降低其摩擦阻力、提高其壽命和切削效率，研製一種新型的防泥包仿生非光滑表面ＰＤＣ複合切削齒，使其既能高效破岩又能防止泥包。

結題摘要

在地質鑽探、煤田鑽探和油氣鑽井中，由於聚晶金剛石複合片（PDC）鑽頭出色的切削岩石速度和較長的使用壽命已經成為最常用的破岩工具之一。然而，常規PDC鑽頭有幾點內在的不足極大的限制了其發展速度。一是由於聚晶金剛石與硬質合金的線膨脹係數相差較大，使得聚晶金剛石與硬質合金結合界面間熱力學特性匹配不好，存在較大的殘餘熱應力，極易導致金剛石與硬質合金結合界面分層而失效；二是PDC表面大都為平面，為減少切屑黏附現象和質量檢查，一般採取拋光處理提高表面光潔度，磨成鏡面，成本高，但防粘效果並不明顯；三是隨著PDC工作刃部的不斷磨損而形成平面或弧面，與岩石接觸面積急增，對岩石切削產生的壓強急降，破岩速度降低，磨損加快，尤其對於深井、超深井鑽進，頻繁更換鑽頭將增加鑽井周期和鑽井成本。本課題引入仿生耦合理論，採用仿生學相似原理和拓撲方法，分別從聚晶金剛石和硬質合金材料、聚晶金剛石—硬質合金結合界面結構及聚晶金剛石表面非光滑形態三方面的耦合作用入手研究，經歷3年時間設計出多種、研製出一種具有持續高效、耐磨的新型仿生耦合PDC。經測試，切削效率和使用壽命都得到了較大的提高。同時，課題組針對目前PDC齒製作工藝存在的不足，提出了更加簡單、製備成本更底的製備方法和工藝，經初步試驗，效果明顯。