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目前,钻探设备已经在多个领域得到广泛的应用,但随着开采难度的增加,对钻探工具提出了更高的要求,以保障开采过程中的安全性。尤其在石油钻井中,钻杆和其接头部分在工作过程中起着十分重要的作用,但其工况条件比较恶劣,容易受到破坏,因此,要采取保护措施,增加其使用寿命。目前,采取的保护措施有多种,其实质都是使钻杆或接头与井壁或套管壁隔离,从而使破坏集中于保护部分。本文主要研究钻杆接头外壁加厚和钻杆接头耐磨带两种保护措施,并利用工程仿生学原理进行了改进。钻杆接头外壁加厚方法能使钻杆接头有较长的使用寿命,但是在工作过程中的磨损情况是没有变化的,因此本文利用工程仿生学原理,对钻杆接头进行仿生耦合处理,使其具有更好的性能。本文利用激光加工技术,在钻杆接头试样表面加工具有不同尺寸和分布间隔的凹坑形、条纹形和网格形仿生耦合单元体,形成仿生耦合表面,通过试验研究仿生耦合试样的性能。通过激光加工仿生耦合单元体,能使材料表面硬度增加,并与其形状、尺寸和分布间隔有关;对仿生耦合试样的耐磨性进行了试验研究,通过正交试验分析了影响仿生耦合试样耐磨性的主次因素,并确定了优水平及优搭配,发现影响耐磨性能的主要因素是单元体的形状,其次是单元体尺寸,最后是单元体的分布间隔。在相同条件下,网格形仿生耦合试样耐磨性最好,其次是条纹形,最后是凹坑形;在试验范围内,耐磨性随单元体尺寸的增加而增加,随分布间隔的增加而降低。观察了试样的磨损形貌,分析了磨损机理,认为仿生耦合试样能提高耐磨性的原因主要有三个:a.仿生耦合单元体本身提高了基体材料表面的耐磨性;b.激光加工使基体材料强化,从而提高耐磨性;c.仿生耦合结构改变了磨粒的运动方式,由滑动变为滚动,减轻划伤和犁沟磨损。钻杆接头耐磨带技术是应用比较广泛的钻杆接头保护技术,但其研究主要集中耐磨带焊丝配方上,本文利用仿生纤维增强原理,采用焊接方法加工含有碳纤维的仿生纤维增强耐磨带,并对其性能进行试验研究。含有碳纤维的仿生纤维增强耐磨带的表面硬度普遍高于普通耐磨带,随含量的增加,其硬度值升高。仿生纤维增强耐磨带的耐磨性能优于普通耐磨带,在一定范围内随碳纤维的含量增加,耐磨性能更佳。分析了仿生纤维增强耐磨带具有优良性能的机理,认为碳纤维的加入使得焊层组织连接更加紧密,硬度提高,耐磨性提高;同时在磨损过程中,表面基体磨损后,碳纤维在焊层表面形成仿生耦合结构,提高了耐磨性能。