科学技术的进步,极大地促进了钻探机具应用水平的提高,其在钻探工程中所发挥的作用越来越显著，开发高端钻探机具是保障实施国家重大战略的必要条件之一，但钻探机具关键零部件易于磨损、表面强度低仍是亟需解决的关键难题
表面涂层被誉为钻具的“铠甲”，其结构和性能决定着钻进效率和钻进能力。今年来，中国地质大学（北京）郑州研究院人工智能钻井研发中心课题组致力于钻探机具关键部件表面工程技术，成功制备海洋、极寒和空间钻具结构功能一体化涂层，实现了工业化应用，切实提高了钻探装备的服役性能和服役寿命。
图1 WC-10Co4Cr涂层在模拟海水钻井液中的腐蚀形貌及不同载荷下摩擦磨损形貌图
为解决海洋钻具易疲劳、腐蚀和磨损失效等工程问题，发明了非晶防腐耐磨和纳米晶/孪晶增强结构功能一体化涂层技术，全面提升了海洋钻具的钻进能力和服役寿命。通过优化深海钻具结构功能涂层理论模型，发明了选择性激光处理，超声表面滚压和超音速火焰喷涂复合表面处理技术。在海洋钻具关键部件（钻杆、钻铤、丝扣）和钻井液离心机关键部件（轴承、齿轮、芯轴和叶片等）表面成功制备总厚度约1 mm的“非晶-纳米晶-微米孪晶”涂层，使钻具表面硬度提升4倍，耐磨性提升2倍，疲劳强度提升10%，耐腐蚀寿命提升3倍。部分成果发表在Engineering Failure Analysis（2020, 109: 104338）和Ocean Engineering（2019, 190: 106449）等。相关技术获中国发明专利授权（ZL201711197734.3，ZL201910994478.3，ZL201910384952.0，ZL 202120600093.7）四项。
图2 浸润液体多孔表面形貌及及防污测试
为应对温度低于-10℃的钻探工况，解决因结冰导致的钻井液循环不畅、冰屑阻塞、钻井效率低，甚至卡钻等工程问题，研制了“金属陶瓷/PTFE”耐磨防结冰一体化涂层技术。发明了“一步喷涂法”，在极寒钻具表面成功制备金属陶瓷/PTFE涂层，使极寒钻具关键部件（钻杆、回扩器、分动器、板牙、短接、丝扣等）摩擦系数减低至0.11，磨损率降低了75.6%，表面接触角增加到125.1±1.8°（表现出优异的疏水性和防结冰特性）。部分成果发表在Journal of Tribology, （2021, 143(7)，2022, 144（1））和Engineering Failure Analysis（2020, 109: 104338），Journal of Thermal Spray Technology（2020, 29(3): 489-499），Journal of Bionic Engineering（2022, 19(1): 83-91）。
图3 经过超声表面滚压预处理和等离子体氮化(PN)处理的钛(Ti)的磨料磨损表面形貌
在空间钻探超高真空（10-10~10-12 Pa）、原子氧/紫、红外光辐照等工况下，为保证取样率、钻进效率与钻具服役寿命，发明了表面纳米化、化学热处理（离子渗氮、阳极氧化）复合表面处理技术。在空间钻具表面成功制备了减摩耐磨、防辐照一体化涂层，使钻具可在束流密度最高5×1015 atom/cm2·s，紫外辐照度（波长115~400 nm）不低于300W/m2的模拟空间条件下正常运行，使高真空条件下钻具摩擦系数降低30%，耐磨寿命提升6倍。部分成果发表在Materials（2019, 12(19): 3260）等。
