仿生非光滑表面PDC复合齿切削岩石防粘机理研究

在油气钻井中，当PDC钻头钻进遇到泥岩、页岩时，切削出的泥质岩屑遇水膨胀后不能及时排离井底而黏附于钻头的本体和PDC切削齿上就会出现钻头泥包现象，轻者大幅度降低机械钻速，重者发生停钻或卡钻等孔内事故。钻头表面所具有的水化层是形成泥包的主要因素，要阻止钻头表面形成泥包，最好的方法是消除钻头表面的吸附水层。常规PDC（聚晶金刚石复合片）为减少切屑粘附现象，将聚晶层表面抛光至镜面，使得PDC成本大幅度提高，但防泥包效果不理想。本课题从仿生工程学的角度出发，根据土壤动物体表非光滑的结构，以ＰＤＣ齿为研究对象，利用仿生非光滑技术把生物体表非光滑形态应用到PDC的结构设计上，以此来减轻其切削粘附性、保持其切削刃的锋利性、改善其排屑环境、降低其摩擦阻力、提高其寿命和切削效率，研制一种新型的防泥包仿生非光滑表面ＰＤＣ复合切削齿，使其既能高效破岩又能防止泥包。

在地质钻探、煤田钻探和油气钻井中，由于聚晶金刚石复合片（PDC）钻头出色的切削岩石速度和较长的使用寿命已经成为最常用的破岩工具之一。然而，常规PDC钻头有几点内在的不足极大的限制了其发展速度。一是由于聚晶金刚石与硬质合金的线膨胀系数相差较大，使得聚晶金刚石与硬质合金结合界面间热力学特性匹配不好，存在较大的残余热应力，极易导致金刚石与硬质合金结合界面分层而失效；二是PDC表面大都为平面，为减少切屑黏附现象和质量检查，一般采取抛光处理提高表面光洁度，磨成镜面，成本高，但防粘效果并不明显；三是随着PDC工作刃部的不断磨损而形成平面或弧面，与岩石接触面积急增，对岩石切削产生的压强急降，破岩速度降低，磨损加快，尤其对于深井、超深井钻进，频繁更换钻头将增加钻井周期和钻井成本。本课题引入仿生耦合理论，采用仿生学相似原理和拓扑方法，分别从聚晶金刚石和硬质合金材料、聚晶金刚石—硬质合金结合界面结构及聚晶金刚石表面非光滑形态三方面的耦合作用入手研究，经历3年时间设计出多种、研制出一种具有持续高效、耐磨的新型仿生耦合PDC。经测试，切削效率和使用寿命都得到了较大的提高。同时，课题组针对目前PDC齿制作工艺存在的不足，提出了更加简单、制备成本更底的制备方法和工艺，经初步试验，效果明显。