利用金刚石薄膜改善钻探机构的耐磨损性能
发布时间：2021-01-09 02:39
本文旨在探究典型钻井机具机构金刚石镀膜改性的方案,讨论金刚石薄膜在超深钻井工况下耐磨改性机理。通过宏观压入方法表征薄膜的压入硬度并通过分形维数定量表征薄膜的表面形貌,探究制备参数对薄膜耐磨损性能的影响来改善钻探机构耐磨性能。籍此,为利用金刚石薄膜改善钻探机构耐磨损性能的应用提供理论参考和数据支持。主要结论有:（1）通过分析典型钻探机具-液动钻井冲击器的工作原理及其在超深钻井工况下的失效特点,尝试在其易损部件表面沉积金刚石薄膜,通过摩擦磨损试验考察其在典型工作条件下薄膜的摩擦学性能。利用a-SiC/金刚石复合薄膜改善易损部件活塞的耐磨粒磨损性能。在模拟工况条件下,镀膜前后样品的对比研究结果显示,金刚石薄膜的具有优良的摩擦学性能,可用于活塞的改性。金刚石薄膜改善活塞耐磨损性能的机理是三方面协同作用的结果:（i）跑合期接触面平坦化;（ii）金刚石颗粒和钻井液的二相润滑作用和（iii）接触面转移膜的自润滑作用。（2）通过宏观压入P-h曲线获得金刚石薄膜压入硬度评价方法;对金刚石薄膜进行微米层级的压入试验,分别对不同沉积时间下的薄膜进行宏观压入获得硬度测量值。与纳米压痕测试手段不同的是,校准过程...
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Wassara型液动钻井冲击器结构图和磨损实物图（a.液动钻井冲击器结构图；
呈现出高度的饱和性（Guo,2014）。从图 1-2（b）可知为金刚石结构的晶体构型可以视为两个面心立方晶胞沿对角线位互套合（Krawitz,2001）。其最小重复单元为金刚石四面体的基本单出其最小单元在晶胞中紧密堆叠，这赋予了金刚石的超高硬度。C面密排情况的差异导致了金刚石各晶面存在一定的硬度差异。从图其（111）晶面为双原子面，面间距分别为√和√；其（110）和（1距分别为√和 （Butler, 2009）。因此，这样导致金刚石晶体结向产生差异，金刚石各晶面硬度存在较大差异，其各主要晶面中，（1度最高，（100）次之，（110）最次（Zhang,2000）。由于以上因刚石晶体具备高硬度，化学惰性及高熔点的特点。因此，在耐磨损石材料存在广泛的应用，如地质钻探机具，机加工刀具，钻具等（。
(1) 探究超深钻探应用场景下的效能。通过研究典型钻探机具的工作原理及失效特点，在典型钻探机构易损部件上制定出与其特质匹配的金刚石薄膜并利用摩擦磨损试验验证分析，探究利用金刚石薄膜提高典型钻探机具耐磨损性能的机制。(2) 尝试利用宏观压入测试表征金刚石薄膜硬度。建立通过宏观压入手段（压入载荷高于 2N）对金刚石薄膜硬度评价的方法，通过探究不同沉积时间下的金刚石膜层的压入硬度对压入硬度的评价方法进行验证。(3) 考察主要制备参数对金刚石薄膜分形维数和压入硬度的影响。尝试从SEM 图片中利用分形理论获得定量表述金刚石薄膜形貌特点的参数，并设计正交实验探究金刚石薄膜主要制备参数对其压入硬度和分形维数的影响。探究金刚石薄膜摩擦学系数同表面分形维数之间的关系。论文整体撰写思路如图 1-3 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]国土资源部印发“十三五”科技创新发展规划[J]. 地质装备. 2016(06)
[2]未来20年中国能源需求预测[J]. 何铮,李瑞忠. 当代石油石化. 2016(09)
[3]Numerical Simulation of Impact on Pneumatic DTH Hammer Percussive Drilling[J]. 卜长根,瞿叶高,程志强,刘宝林. Journal of Earth Science. 2009(05)
[4]载能粒子沉积用于钻探机具的硬质润滑薄膜[J]. 于翔,刘宝林,王成彪. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2009(S1)
[5]宏观深度测量压入仪器的研制[J]. 刘东旭,张泰华,郇勇. 力学学报. 2007(03)
博士论文
[1]高能射流式液动锤理论与实验研究[D]. 张鑫鑫.吉林大学 2017
[2]高能射流式液动锤冲击系统理论研究及关键结构优化分析[D]. 吴冬宇.吉林大学 2017
[3]螺杆钻具金属定子衬套线型设计及液压成形方法研究[D]. 石昌帅.西南石油大学 2014
硕士论文
[1]超深井钻具疲劳失效机理及材质优选技术研究[D]. 田刚.西南石油大学 2014
[2]大采深条件下采煤活动引起的覆岩移动变形及破坏规律研究[D]. 魏义强.太原理工大学 2010
[3]钻井井下钻柱振动特性分析及减振技术研究[D]. 周学芹.大庆石油学院 2010
[4]螺杆钻具万向轴力学特性分析及寿命预测[D]. 高晓刚.西安石油大学 2009
[5]科钻一井井下动力取心钻具组合有限元分析与井斜控制研究[D]. 王仁刚.中国地质大学 2006
本文编号：2965810
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Wassara型液动钻井冲击器结构图和磨损实物图（a.液动钻井冲击器结构图；
呈现出高度的饱和性（Guo,2014）。从图 1-2（b）可知为金刚石结构的晶体构型可以视为两个面心立方晶胞沿对角线位互套合（Krawitz,2001）。其最小重复单元为金刚石四面体的基本单出其最小单元在晶胞中紧密堆叠，这赋予了金刚石的超高硬度。C面密排情况的差异导致了金刚石各晶面存在一定的硬度差异。从图其（111）晶面为双原子面，面间距分别为√和√；其（110）和（1距分别为√和 （Butler, 2009）。因此，这样导致金刚石晶体结向产生差异，金刚石各晶面硬度存在较大差异，其各主要晶面中，（1度最高，（100）次之，（110）最次（Zhang,2000）。由于以上因刚石晶体具备高硬度，化学惰性及高熔点的特点。因此，在耐磨损石材料存在广泛的应用，如地质钻探机具，机加工刀具，钻具等（。
(1) 探究超深钻探应用场景下的效能。通过研究典型钻探机具的工作原理及失效特点，在典型钻探机构易损部件上制定出与其特质匹配的金刚石薄膜并利用摩擦磨损试验验证分析，探究利用金刚石薄膜提高典型钻探机具耐磨损性能的机制。(2) 尝试利用宏观压入测试表征金刚石薄膜硬度。建立通过宏观压入手段（压入载荷高于 2N）对金刚石薄膜硬度评价的方法，通过探究不同沉积时间下的金刚石膜层的压入硬度对压入硬度的评价方法进行验证。(3) 考察主要制备参数对金刚石薄膜分形维数和压入硬度的影响。尝试从SEM 图片中利用分形理论获得定量表述金刚石薄膜形貌特点的参数，并设计正交实验探究金刚石薄膜主要制备参数对其压入硬度和分形维数的影响。探究金刚石薄膜摩擦学系数同表面分形维数之间的关系。论文整体撰写思路如图 1-3 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]国土资源部印发“十三五”科技创新发展规划[J]. 地质装备. 2016(06)
[2]未来20年中国能源需求预测[J]. 何铮,李瑞忠. 当代石油石化. 2016(09)
[3]Numerical Simulation of Impact on Pneumatic DTH Hammer Percussive Drilling[J]. 卜长根,瞿叶高,程志强,刘宝林. Journal of Earth Science. 2009(05)
[4]载能粒子沉积用于钻探机具的硬质润滑薄膜[J]. 于翔,刘宝林,王成彪. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2009(S1)
[5]宏观深度测量压入仪器的研制[J]. 刘东旭,张泰华,郇勇. 力学学报. 2007(03)
博士论文
[1]高能射流式液动锤理论与实验研究[D]. 张鑫鑫.吉林大学 2017
[2]高能射流式液动锤冲击系统理论研究及关键结构优化分析[D]. 吴冬宇.吉林大学 2017
[3]螺杆钻具金属定子衬套线型设计及液压成形方法研究[D]. 石昌帅.西南石油大学 2014
硕士论文
[1]超深井钻具疲劳失效机理及材质优选技术研究[D]. 田刚.西南石油大学 2014
[2]大采深条件下采煤活动引起的覆岩移动变形及破坏规律研究[D]. 魏义强.太原理工大学 2010
[3]钻井井下钻柱振动特性分析及减振技术研究[D]. 周学芹.大庆石油学院 2010
[4]螺杆钻具万向轴力学特性分析及寿命预测[D]. 高晓刚.西安石油大学 2009
[5]科钻一井井下动力取心钻具组合有限元分析与井斜控制研究[D]. 王仁刚.中国地质大学 2006
本文编号：2965810
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