自20世纪70年代初美国GE公司成功制造出聚晶金刚石复合体以来，PDC引起了世界各国的广泛关注，掀起了世界范围内PCD(Polycrystalline Diamond)和PDC(PolycrystallineDiamond Compax)复合材料的研究热潮。有人开始把PDC镶焊在钻头的胎体上，制造成一类新型的碎岩工具——PDC钻头，从此金刚石聚晶复合片(PDC)钻头开始在钻井工程中使用。PDC钻头是一种切削型钻头，切削齿具有自锐优点，破碎岩石时无牙轮钻头的压持作用，切削齿切削时的切削面积较大，是一种高效钻头。由于PDC钻头在设计技术和切削效果上的显著优势，其在国内用量和钻井总进尺中所占比例逐年上升，逐渐取代牙轮钻头而在石油钻井中占据统治地位。有具体数据表明：在2000年PDC钻头的钻井进尺占总钻井进尺的26％，2003年增加为50％，而2006年PDC钻头的钻井进尺已经占到总钻井进尺的60％。近年来，随着世界油气资源勘探开发不断向海洋、沙漠、高原等复杂地质条件和恶劣自然环境发展，对钻头工作性能提出了更高的要求，其工作性能的好坏直接影响钻井质量、钻井效率和钻井成本。如何提高钻头的工作性能，以满足石油天然气勘探开发钻井的需要是目前国内外钻井领域急需解决的重要课题。　　 石油钻井成本高，PDC钻头的性能显著影响着钻井成本，钻井过程中任何钻头的质量事故都将造成极大的损失，因此钻头的工作状态与失效形式不容忽视。石油钻进过程中，PDC钻头面临高转速、高钻压、强研磨性岩层等恶劣的环境，其将加速钻头磨损失效。石油钻井钻头的主要损坏机制经常被认为是由于PDC切削齿的切削和研磨磨损所致。然而，事实上钻头的损坏不仅仅是由于单纯的高压磨损，而还包括钻井泥浆液固双相流的冲蚀磨损。根据现场调研，PDC钻头的失效主要有冲蚀、磨损、掉齿等三种形式。除了PDC本身的质量之外，冲蚀也是影响PDC钻头性能和寿命的重要原因之一，尤其是在海洋钻井中。在海洋钻井中通常采用海水钻井液，它对PDC钻头胎体材料有强冲蚀腐蚀作用，而钻头往往是某些特定区域磨损速率高而导致切削齿的脱落。海洋石油钻井耗资巨大，钻头质量从很大程度上影响着钻井成本，因此PDC钻头的耐冲蚀性对于提高钻头质量、降低钻井成本具有重要意义。　　 目前，国内对材料的冲蚀磨损研究较少，并且报道的文献大多是对碳钢、不锈钢以及复合镀层的冲刷腐蚀行为进行研究和探讨，关于石油钻井中PDC钻头胎体材料的冲蚀磨损研究的报道极少。并且，目前国内在钻井液对PDC钻头胎体材料的冲蚀磨损方面主要侧重于机械冲刷和井底流场的研究，除本课题组外未见考虑携带岩屑的钻井液对钻头胎体材料的电化学腐蚀以及机械冲刷和电化学腐蚀的相互作用的研究报道。本论文的目的是提高对钻头常用胎体材料C40钻基合金的冲蚀磨损过程的了解，主要集中于其在恶劣环境下的机械磨损、电化学腐蚀以及冲蚀腐蚀行为。研究材料冲蚀腐蚀易感性的主要环境影响参数，确定材料磨损的基本机制，探索冲蚀腐蚀和纯腐蚀条件下的磨损机制。并且通过实验探索胎体材料失效的主要因素，为后续的PDC钻头的几种常用胎体材料进行对比试验提供参考，为优化PDC钻头胎体设计制造提供基础。　　 为了模拟钻进过程中钻头胎体遭受钻井液冲蚀的工况，并研究胎体在冲蚀作用下的机械冲刷、电化学腐蚀和冲刷-腐蚀交互作用所产生的磨损分量，本论文在综合分析目前各种冲蚀磨损试验机的优缺点及制造成本的基础上，研制了一台双喷嘴闭路循环系统的冲蚀磨损试验台。采用闭路循环设计，可实现对试样的连续冲蚀。并且，双喷嘴可同时进行有阴极保护和无阴极保护即自由腐蚀状态下的冲蚀研究。该冲蚀磨损试验台能便捷地与电化学工作站连接，从而可在试样冲蚀的同时进行各种电化学测试。实验表明，该冲蚀磨损试验台性能稳定、操作方便，适合于钻头胎体材料的冲蚀磨损研究。　　 本论文主要是研究海水钻井液对C40钴基合金胎体材料的冲蚀磨损，因此海水钻井液的温度和盐度是重要因素。为了研究的方便，本文采用含砂盐水模拟海水钻井液在井底对钻头胎体材料的冲蚀情况。实验条件为：含砂量500mg/L，喷射角90°，冲击速度17m/s，温度为18℃和50℃两种，盐度为3.5％NaCl和0.5％NaCl两种，实验时间4小时。实验结果表明：当在恒温下将溶液中NaCl浓度从0.5％增加到3.5％(盐度增加)、或是在恒盐度下将温度从18℃升高至50℃，材料的冲蚀磨损失大幅度增加，腐蚀电流密度增加；当采用阴极保护后，温度和盐度改变对材料的冲蚀失重基本无影响。阴极保护下的失重可看成是纯冲刷磨损失重。可见，温度和盐度的提高对纯冲刷磨损失重基本无影响，而对电化学腐蚀有加剧作用(腐蚀电流密度增加和阻抗降低证实了这一点)，其冲蚀磨损失重的增加主要是由于腐蚀速度增加引起的。　　 钻井液作为钻井介质，同时也是使钻头胎体发生冲蚀磨损的介质。因此如何选择钻井液的配方不仅要具有传统意义上的功能，同时也要考虑对钻头胎体的冲蚀所产生的负面影响。液固两相流中固相的含量和性质对胎体的冲蚀磨损有重要影响。本文进行了含砂量变化的情况下的固液冲蚀实验。实验参数：温度为18℃，喷射角为90°，冲蚀液为3.5％的NaCl溶液，砂含量范围为0-1800mg/L。研究表明：当砂含量低于100mg/L时总失重非常小，而当砂含量超过100mg/L时总失重迅速增加，当砂含量从100mg/L增加至500mg/L时，经4h的冲蚀失重从0.6mg增加至4.2mg。当砂含量低于100mg/L时总失重非常小，可见在低固相(或可忽略不计)盐溶液环境下，C40钴基合金有非常好的抗冲蚀性。本文还对比研究了在静态、液相冲蚀以及液固冲蚀下材料的电化学特性。腐蚀电位Ecorr测量实验表明：在液相冲刷条件下阴极反应为控制步骤，在液-固冲刷条件下阳极反应为控制步骤。阳极极化曲线表明：C40钴基合金在静态条件下表现出钝性，而在冲蚀-腐蚀条件下其行为转变为伪活性。　　 当钻头在井底工作时，钻井液对钻头不同部位的喷射角度不同，这将导致钻头胎体遭受非均匀冲蚀磨损。本文研究了固定条件下喷射角变化对冲蚀腐蚀的影响。实验同定条件为室温、盐度3.5％NaCl、砂含量500mg/L、冲击速度17m/s。喷射角以15°的幅度变化：15°，30°，45°，60°，75°和90°。实验表明：当喷射角从15°增至90°时，冲蚀磨损失重先增加后减小，当喷射角为75°时冲蚀磨损最严重;施加阴极保护后，其失重均减小，但变化趋势不变。可见，喷射角对机械冲刷有明显影响，对电化学腐蚀却影响甚微。　　 C40钴基合金胎体材料一般采用冷压浸渍法制造，该类材料不同于金属熔炼法或浇注法生产的金属或合金材料，有其特殊性。这种胎体材料是假合金，具有多种不同性质的组元、相对较高的孔隙度等特点。本文采用利用现代测试方法(金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪等)对试样冲刷前后的表面形貌和结构进行了分析，探索其在冲蚀条件下的磨损机制。研究表明：粘结金属钴首先腐蚀，并且腐蚀开始于粘结金属钴与碳化物的界面上，暴露出的碳化物可能被冲刷去除或残留。液-固冲蚀下的腐蚀磨损宏观形貌显示，在距离中心停滞区域一定距离的外围环带上发生了严重腐蚀磨损，其原因是该区域剪应力较高、喷射角较小。并且在整个中心磨蚀下陷区呈现有规则的波纹，这种磨损形貌与用过的钻头的损坏形貌相似。可将该波纹状磨损形貌与碳化物规则排列相联系，是由于富钴胎体的腐蚀，而使碳化物在表面上突出形成的。这非常有启示意义，可用于实验室模拟钻头在作业中出现的磨损行为。　　 往往冲蚀腐蚀总失重TWL不仅是纯磨损E和纯腐蚀C之和，而是远远大于它，这是由于磨损与腐蚀的交互作用所致。当进行冲蚀实验时采用阴极保护，可测量由于纯机械磨损而引起的失重E。通过静态下的阳极极化曲线测量出腐蚀电流密度，再利用法拉第定律计算出纯电化学腐蚀而引起的失重C。而磨损与腐蚀的交互作用S，则通过公式S=TWL-(E+C)计算出。通过各种条件下的冲蚀实验，分别计算出其总失重、纯冲刷磨损、纯腐蚀及交互作用分量。从几种代表性条件下的冲蚀磨损失重分配结果可以看出，在液固冲蚀情况下，直接腐蚀机制和间接腐蚀机制(交互作用)对材料的冲蚀腐蚀总损耗有非常重要的作用，如在50℃、普通冲蚀条件下其腐蚀相关失重(C+S)超过总失重的70％。　　 在对C40钴基合金冲蚀磨损性能的详细广泛的研究基础上，本论文还对另外一种国内常用的WC基胎体材料进行了针对性更强的实验研究，并对这两种不同类型的胎体材料的冲蚀磨损性能进行对比。研究结果表明，在研究范围内，相比于C40胎体材料，WC基胎体材料的抗冲蚀磨损性能要弱些。WC基胎体材料中，随着胎体材料中Cu-Sn合金含量的增加，在泥浆冲蚀下胎体材料的抗冲蚀性下降，而镍和碳化钨含量的增加将降低胎体材料的冲蚀磨损。碳化钨作为胎体材料中的骨架材料，其含量不能超过某一上限值，否则胎体材料的抗冲击韧性和抗弯强度都会随之急剧下降。　　 综上所述，本文对PDC钻头C40钴基胎体材料的冲蚀磨损进行了大量实验研究，探讨了温度、盐度、含砂量和喷射角对材料冲蚀磨损的影响，就该材料在静态和液固冲蚀下的腐蚀磨损机制进行了一定程度的揭示。不仅测量出了在一定冲蚀条件下的总冲蚀失重，还分别计算出其纯冲刷磨损、纯腐蚀及交互作用分量，证实了腐蚀机制对材料的冲蚀腐蚀总损耗有非常重要的作用。研究成果基本上达到了预期目标。并且在其研究基础上，还对WC基胎体材料进行了初步研究。最后，对后续研究工作提出了几点建议，如从抗冲蚀腐蚀角度，优化PDC钻头胎体设计或为PDC钻头胎体寻找新的可替代材料。