热压孕镶金刚石钻头在盐水泥浆中的腐蚀磨损行为及机理研究

Wear mechanism of diamond bit is the theoretical foundation for designing and selecting matrix formula of diamond bit. So far studies about the wear of impregnated diamond bit mainly concerned the effect of mechanic factors, neglecting the effects of corrosion and corrosion-wear synergism from drilling fluid. Considering the significant contribution of corrosion-wear synergism to the mass loss of diamond bit in saltwater drilling fluid, this project will study the electrochemical properties and two-body, three-body tribocorrosion behaviors of impregnated diamond bit and its matrix; classify the rules and mechanisms influencing the frictional wear, corrosion and tribocorrosion of diamond bit by components of matrix material and diamond parameters; investigate the effects of drilling parameters and additives of drilling fluid on the tribocorrosion of diamond bit and its mechanism; construct mechanism map of bit tribocorrosion; and reveal the effects of matrix tribocorrosion on the drilling performance of impregnated diamond bit. The results of this work can support theoretically the formula design and application of diamond bit and selection of additives for saltwater drilling fluid, improve the design theory of impregnated diamond bit and increase the efficiency of technology and economy in drilling practice.

金刚石钻头的磨损机理是金刚石钻头配方设计和选型的理论基础。目前有关热压孕镶金刚石钻头磨损的研究主要关注力学因素的影响，忽视泥浆对钻头的腐蚀作用及腐蚀-磨损的协同作用。鉴于使用盐水泥浆钻进时腐蚀-磨损协同作用在钻头质量流失中所起的显著作用，本课题拟研究热压孕镶金刚石钻头及其胎体材料在盐水泥浆中的电化学特性和二体、三体磨损腐蚀行为，厘清胎体材料各成分和金刚石参数对材料摩擦磨损、腐蚀和腐蚀-磨损协同作用的影响规律及其机理；探究钻进规程、冲洗液添加剂对钻头腐蚀磨损的影响及机理，构建钻头腐蚀磨损机制图，并揭示胎体材料腐蚀磨损对孕镶金刚石钻头钻进性能的影响。课题的研究可以为热压孕镶金刚石钻头胎体配方的设计和钻头的使用以及盐水泥浆添加剂的选择提供理论支撑，有助于完善孕镶金刚石钻头的设计理论，提高钻探工作的技术经济效益。

随着地质勘探从内陆向冻土区、海洋等复杂区域扩展，盐水冲洗液的使用日渐普遍。孕镶金刚石钻头在其中的腐蚀磨损显著影响了它的性能。本项目研究了孕镶钻头胎体材料在盐水冲洗液中的腐蚀特性和腐蚀机理；研究了胎体材料成分、磨粒、缓蚀剂等对胎体材料耐磨性和耐腐蚀磨损性的影响，表征了腐蚀-磨损交互作用在胎体质量流失中的作用，揭示了腐蚀对胎体材料表面形貌、硬质颗粒失效形式的影响；研究了含金刚石复合材料在盐水冲洗液中的腐蚀磨损特性及胎体材料腐蚀磨损对孕镶金刚石钻头钻进性能的影响，分析了钻头性能的变化机理。研究结果表明：随着盐度的增大，腐蚀电流从0.01805 mA/cm2增大到0.04579 mA/cm2，PDC总体积损失量逐渐增大，腐蚀与磨损的协同作用显著提高；胎体材料的磨痕分形维数与其质量损失具有良好的相关性；随着663Cu含量的增长，胎体的腐蚀量呈下降趋势，而Fe和碳化钨含量的增加会增加试样腐蚀量；腐蚀与磨损协同作用对胎体质量损失的贡献，占比最高达到了30%以上；在发生磨粒磨损的瞬间，噪声电流立即出现一个急剧的正向移动，表明原本完整的氧化膜在机械力作用下被破坏去除；加入5%的铬，可以降低胎体的腐蚀磨损失重量约60%；苯并三唑的加入使胎体腐蚀电流密度和磨损量明显降低（从0.4008g到0.3051g），因为它有明显的缓蚀作用，并减少了腐蚀磨损作用；由于TiC能在腐蚀磨损过程中形成稳定的TiO2钝化膜，TiC基胎体的腐蚀-磨损协同作用只有WC基胎体的50%；低锌Fe-Zn镀层的主要损失形式是机械磨损，高锌含量的Fe-Zn镀层的主要损失形式为腐蚀诱导磨损；腐蚀磨损会导致胎体材料流失速度明显增大，使金刚石颗粒提前脱落，从而导致钻头寿命的降低。项目的研究可以为孕镶金刚石钻头胎体配方的设计和钻头的选型以及盐水冲洗液添加剂的选择提供更好的理论支撑，也可以为选矿机械、化学机械抛光修整器等的设计提供借鉴。