[01302234]清洁能源钻井机具及工程化应用

非常规能源勘探（如超深部、致密岩、外太空等）开发技术的发展,对高温、真空、水润滑等极端工况下具有低磨损、优异摩擦性能的聚晶金刚石（Polycrystalline Diamond,PCD）材料提出了更高和迫切的要求。目前PCD的摩擦学研究过多地强调固有物理属性和磨损性能,而忽视全面摩擦性能及表面界面材料物理化学特性的作用。因此,本项目提出系统深入研究极端工况对PCD摩擦学性能的影响因素和作用机理,通过设计在高温、大气、真空、水润滑工况下的摩擦学试验,深入了解摩擦表面的石墨化、表面氧化和表面悬键钝化效应单独和复合作用的规律,揭示工况条件--摩擦表面结构演化和化学钝化--摩擦学性能之间的作用机制,实现对极端工况下PCD摩擦学性能的理论预测和控制,为设计满足极端工况要求的PCD超硬材料及应用技术提供理论和技术支持。经过几年的试验研究,优化高温高压工艺使芯部CVD 聚晶金刚石在高温高压作用下生成纳米晶和纳米孪晶结构,硬度达到120 GPa,实现了接近天然金刚石的硬度,并且制造成本增加不大。工程应用方面,把超硬聚晶金刚石材料作为耐磨的硬质点,制备了钻头、截齿、修正笔等工具,已取得优异的应用效果。在山东胶东地区招远-莱芜区域金矿区招远市前陈矿区开展现场钻探应用,应用单位为山东省第六地质矿产勘查院（原山东省地矿局第六地质大队）,主要评价新型孕镶超硬聚晶金刚石钻头现场使用性能。对比应用在同一地区的聚晶金刚石钻头和无添加物钻头,超硬聚晶金刚石钻头和聚晶金刚石钻头的进尺即使用寿命均要明显高于无添加物钻头,而超硬聚晶金刚石钻头相对无添加物钻头的使用寿命要高出20%。所研发的超硬聚晶金刚石产品已在钻头、切削齿、耐磨带、截齿等钻探机具推广应用。