[01184013]地质钻探装备新结构及耐磨材料研究

传统钻具在硬岩地层旋挖钻进时存在钻进困难、钻具磨损严重、难以有效携带岩心等问题,从钻具及其配套装备的结构设计、制造技术及关键耐磨材料研究等方面综合考虑研制出高性能钻具及其配套设备是提升我国地质工程钻探装备水平的一条可行路径。本项目通过承担国家自然科学基金项目等课题,对硬岩地层旋挖钻进用钻具及其专用钻井液离心机的结构设计、制造技术及关键耐磨材料进行了创新性的开拓研究。主要创新性成果如下： （1）在深入系统地分析传统钻具技术特点基础上,提出了新型内螺旋筒式组合岩石钻具设计方案。该设计巧妙地在单筒体筒式岩石钻具内部设置了螺旋芯轴、安装切削工具的螺旋叶片和贯通开口,并优化了螺旋叶片的形状和数量、外筒体和螺旋叶片上切削工具的材料和排布、外筒体上贯通开口以及耐磨条的布置方式,利用外筒体上的切削工具与螺旋叶片上的切削工具的高度差和径向位置差实现了分级钻进、破碎功能,简化了钻进施工工序,显著提高了钻进效率;利用外筒体内表面、螺旋芯轴外表面及螺旋叶片组成的相对封闭的环形空间显著改善了取心效果。 （2）针对国内外缺乏地质钻探专用钻井液离心机的现状,提出了全新的单电动机钻井液离心机设计方案。该设计采用新型结构实现了单电动机同时驱动存在相对运动的转鼓和螺旋输送器的目标,并通过分体式设计和离心机的结构优化显著降低了钻井液离心机的体积和能耗,满足了地质钻探对钻井液离心机的特殊需要。 （3）为解决钻具上切削工具和耐磨条的磨损问题,通过项目组研制的高强度、高热稳定性及高耐磨性聚晶金刚石复合材料与WC基硬质合金粉体的有序排布及烧结成型合成了新型聚晶金刚石/硬质合金复合材料。研制的聚晶金刚石/硬质合金复合材料不仅具有金刚石的高硬度和耐磨性,整体耐热性和强度也得到显著改善,用于内螺旋筒式组合岩石钻具的耐磨条和切削工具上使其磨损大大降低,显著延长了内螺旋筒式组合岩石钻具的使用寿命。 （4）针对钻机和钻井液离心机关键摩擦副对其表面耐磨减摩涂层的苛刻要求,综合采用成分多元化、结构纳米复合化、梯度多层化等措施降低了涂层内应力、提高了涂层的膜/基结合力,研制出Cr/CrN、Ti/TiN、Cr/CrN/CrCN/CrC/Cr-DLC及Cr/CrC/梯度DLC-硫化物复合膜等多种高性能耐磨减摩涂层,研制的耐磨减摩涂层用在钻机和钻井液离心机轴承、齿轮上时显著降低了钻机和离心机能耗,大大延长了关键摩擦副的使用寿命。 项目研究在钻具、钻井液离心机及钻探装备用关键耐磨材料等方面均有突出的实质性特点和显著进步,形成6项国家发明专利,国家实用新型专利4项。 项目成果广泛用于多家单位的钻探施工,实现了规模化应用,已累积产生产值1亿元,利润3000万元,取得了显著的经济和社会效益。项目产业化后,将可批量制造完全具有自主知识产权的高性能钻具、地质工程专用钻井液离心机及其关键耐磨材料,对提升我国钻探装备及地质勘探行业竞争力具有重大作用。