21世纪是多事之秋,从阿富汗战争、伊拉克战争,到伊朗核危机、叙利亚危机、美伊霍尔木兹海峡军演,从克里米亚问题、乌克兰危机、美俄地中海军事演习,到沙特阿拉伯拉低油价、卢布贬值、俄财政危机,再到今天我国政府加快实施高铁连接中东和欧洲的战略,积极推动“新丝绸之路”建设,进行西北新疆—哈萨克斯坦输油管道、东北—俄罗斯石油管道、西南—缅甸石油管道的建设,无一不显示出石油能源的战略意义。随着勘探开发事业向深井、超深井发展,为了提高深井钻探的经济效益,选用合适的井底动力钻具以提高钻进时效成为了研究热点。孔底动力钻具主要包括涡轮钻具、螺杆钻具和电动钻具,其中涡轮钻具具有钻速快、不受温度制约、环境适应性好、易于现场调整、井眼质量高、定向性好、钻进稳定性高、可随钻测量,能够起到保护钻头和井下工具串的作用等优点。高速涡轮配合孕镶金刚石钻头能有效提高深部岩层钻进效率,然而,目前我国基于高速涡轮工况下孕镶金刚石钻头的研究甚少,该工况下钻头刀齿材料的研究更是屈指可数,且研究深度不够。因高速涡轮钻进的高转速／高线速度、低钻压／低比钻压和大泵量的工艺特点,对孕镶金刚石钻头刀齿材料性能提出了新的要求。本文基于高速涡轮钻进工艺条件,进行了孕镶金刚石钻头刀齿材料的研究。首先进行了三轮室内试验,优选最佳的孕镶金刚石钻头刀齿材料配方和烧结工艺。然后对孕镶金刚石钻头刀齿材料进行了改性研究,包括低钻压/低比钻压下钻进打滑时造孔剂的研究和高转速／高线速度下产生高温摩擦热时固体润滑剂的研究。最后进行了孕镶金刚石钻头的现场应用研究。三轮室内试验分别设计钻头10个、12个和12个,通过钻进试验研究了刀齿材料、金刚石参数和烧结工艺等对钻头性能的影响。三轮试验实际钻进钻头分别为8个(2个不进尺)、9个(3个不进尺)和12个(全部钻进),各轮共钻进回次分别为64回次、120回次和456回次,总进尺分别为8.12m、18.256m和65.725m,平均机械钻速分别为0.883m/h、1.451m/h和2.31 m/h。对比三轮试验结果可知,钻头钻进性能呈倍数递增,第三轮试验钻头性能最佳。由钻头刀齿材料可知,第一轮试验多采用WC基钻头,其含量高达40%,硬度较大,第二轮和第三轮试验采用较软的Cu-Sn基、Cu基和Co基钻头,在高转速/高线速度下金刚石磨损快,胎体较软有利于金刚石的出刃,提高钻头的机械钻速。且Co基胎体有较好的韧性、抗冲击性和高温适应性,能提高对金刚石的包镶强度,降低脱落,提高钻头性能。由金刚石参数可知,采用单一大粒径SPC110金刚石的钻头性能较差,由于粒径大,刀齿唇面单位面积金刚石颗粒少,难以实现金刚石的均匀分布,易造成拉槽现象,采用中小粒径混合的金刚石配方,有利于金刚石的均匀分布,且宜适当提高金刚石浓度,增加金刚石刻入岩石的几率,提高机械钻速。从烧结工艺可知,整体上第一轮试验烧结温度偏低,保温时间较短,第二轮和第三轮试验提高了烧结温度,延长了保温时间,有利于刀齿材料的合金化,发挥不同金属成分的协同作用,提高胎体性能。但烧结温度和烧结压力不宜过高,会发生胎体与金刚石的整体脱落,造成刀齿的掉块。由钻头结构可知,6齿6水口较4齿4水口钻头水口比表面积大,有利于刀齿的冷却散热和岩粉上返,保护刀齿和金刚石。三轮试验不断加强保径措施,减弱了钻头唇面内外圆弧现象,提高钻头寿命和时效。通过三轮室内试验的对比研究,可确立适用于高速涡轮工况高转速/高线速度下钻头刀齿材料的设计方案,包括：(1)确立相对较软的刀齿材料,如Cu-Sn基和Cu基钻头,优选Co基刀齿配方或提高刀齿材料中Co的含量至20%；(2)采用小粒径或中小粒径混合的金刚石配方,如SPC210与30/50金刚石混合,且提高金刚石浓度至120%；(3)提高钻头烧结温度和延长保温时间,确立烧结温度1050℃-1080℃,保温时间7min,降低烧结压力为15MPa;(4)采用6齿6水口的钻头结构,并加强保径。针对低钻压/低比钻压下,孕镶金刚石钻头出现钻进打滑不进尺的现象,采用向钻头刀齿材料中添加造孔剂的方法,以提高摩擦磨损时刀齿唇面的粗糙度,加速胎体的磨损,利于金刚石的出刃,提高钻速。选取了A型和X型(X1和X2型)造孔剂,并对其造孔机理进行了研究,结果表明,该2型造孔剂在造孔过程中均发生了化学反应,生成了气孔,形成永久性孔隙,具有双重造孔功能。研究添加造孔剂后刀齿材料的各项力学性能及耐磨性,结果表明,钻头刀齿中加入造孔剂后会降低刀齿材料的力学性能和耐磨性,但能显著提高钻速,综合考虑刀齿材料的力学性能和钻进性能,可优选造孔剂的添加量为3%。刀齿摩擦磨损后的形貌分析表明,加入的造孔剂具有造孔功能。研究了造孔剂造孔机理化学反应的物理化学行为,即对其进行热力学和化学动力学研究。热力学三大定律研究表明,造孔剂产生造孔作用的化学反应均能正向进行,可实现造孔功能。化学动力学研究表明造孔作用的化学反应速率与温度有关,温度升高有利于提高造孔速率,而热压烧结是一个有利于提高化学反应速率的高温条件。通过公式推导可以得出钻头刀齿材料中添加造孔剂后,刀齿摩擦磨损时可提高唇面的粗糙度,加速刀齿材料的磨损,利于新的金刚石出刃,提高机械钻速。基于高转速/高线速度的钻进工艺条件,孕镶金刚石钻头出现高温摩擦热的问题,采用向钻头刀齿材料中添加固体润滑剂石墨的方法,以降低刀齿唇面的摩擦系数,减少摩擦热。石墨特殊的层状结构,可使其同一层内的C原子具有优良的结合性,不易破坏,而层与层间的结合力却较弱,当有剪切力作用时,易发生滑移,满足固体润滑剂的要求。研究添加石墨后刀齿材料的各项力学性能及摩擦磨损性能,结果表明,刀齿材料中加入石墨后会降低刀齿的各项力学性能,同时降低摩擦副间的摩擦系数,通过分析摩擦磨损后刀齿材料的形貌得出石墨对刀齿具有润滑减阻的作用。从宏观和微观的角度分析探讨了石墨对孕镶金刚石钻头刀齿润滑的作用机理,综合考虑刀齿材料的力学性能和降摩减阻作用,可优选石墨的最佳添加量为5%。研究高速涡轮工况下孕镶金刚石钻头的摩擦特点,得出在碎岩过程中各钻进参数的作用,转速>钻压>泵量最后,本文进行了孕镶金刚石钻头现场应用的研究,包括灌口、元坝、普光和辽西四地。分析钻头的摩擦磨损情况表明,在这种工艺条件下,主要发生研磨性磨损和冲蚀性磨损,且在摩擦磨损中各钻进工艺参数的作用为,在金刚石的磨损中,高转速>或<大泵量>低钻压,在刀齿的磨损中,大泵量>或<高转速>低钻压,其中大泵量形成的冲蚀性磨损与钻头结构有关,当钻头底唇面不含PDC时,液流在底唇面下金刚石之间流动空间极小,胎体的冲蚀性磨损较弱,主要表现为连续性摩擦磨损,当钻头底唇面镶嵌PDC时,大泵量则会对胎体造成较强的冲蚀性磨损。由于全面孕镶金刚石钻头流道较大较深,刚体主要发生冲蚀性磨损。对孕镶金刚石钻头刀齿材料和金刚石配方的分析,结果表明现场应用情况得出的结论与三轮室内试验基本一致,且可在刀齿中加入部分大颗粒金刚石,以增加低钻压和高转速下刀齿的耐磨性和金刚石的攻击性,可进一步提高刀齿材料的强韧性。刀齿材料的制造工艺分析表明,可采用预合金粉末和热等静压工艺,将冷压成型和热压烧结工艺相结合。总体而言,本文基于高速涡轮的钻进工艺条件,进行了孕镶金刚石钻头刀齿材料的研究,确立了刀齿材料的设计方案,包括刀齿材料配方、金刚石参数和刀齿的制备工艺。基于高速涡轮的钻进工艺条件,进行了刀齿材料的改性研究,包括适用于高速涡轮工况低钻压／低比钻压下钻进打滑时A型和X型(X1和X2型)造孔剂的研究和该工况高转速/高线速度下产生高温摩擦热时固体润滑剂石墨的研究,最后进行了孕镶金刚石钻头的现场应用研究,基本达到了论文的预期目标。但本文的研究也存在一些不足,需进一步开展工作,主要包括：(1)三轮室内试验与现场应用条件存在一定差距,需要改进试验条件,改善试验环境,升级试验设备,使得室内试验与现场应用条件尽可能一致。(2)对刀齿材料进行改性研究时,加入的造孔剂和固体润滑剂在提高钻头钻速的同时降低了其力学性能,可进一步研究加入添加剂后,如何有效保持或提高刀齿材料的力学性能。(3)由于现场应用研究受限,本文共采集到4处现场应用情况的资料,需要增加现场应用的数量,以得出更具代表性和合理性的结论。