保压取心钻具能够使岩心在原位状态下,最大程度上保证岩心数据的完整性,在勘探海洋天然气水合物过程中具有极大的优势。但在勘探过程中,海洋地层大多为非成岩地层极易破碎,为保证井壁稳定性采用粘度较大的钻井液,导致钻井液中的携带大量的泥砂颗粒,使钻具不能完全密封导致钻具失效,因此钻具需要具备良好的保压密封能力,降低钻具失效行为的发生。 本文针对适用于海洋勘探过程中的球阀式保压取心钻具进行结构设计,并对球阀材料进行优化设计。设计并制作了四种不同材质的球阀,包括316L不锈钢球阀材料、以316L不锈钢为基底喷涂WC涂层、以316L不锈钢为基底喷涂XR-I涂层材料、以316L不锈钢为基底喷涂XR-D涂层材料。对四种材料及其对应不同表面粗糙度的材料进行力学测试、冲蚀性及粘附性测试。本文的主要工作内容及结论如下: (1)本文设计确定保压球阀结构。球阀通径为Φ60 mm,外径为Φ85 mm,高为70 mm,明确了球阀管的设计参数。简单说明了球阀式保压取心钻具的工作原理。对球阀材料进行优化设计,选择四种不同球阀材料及三种不同表面粗糙度,对不同球阀试块进行力学性质测试,发现随着试块表面粗糙度的增加,试块维氏硬度和抗拉强度降低。其中,喷涂XR-I涂层的试块抗拉强度为652 MPa。对目标地层的取样岩心进行测试,目标地层主要由粉质粘土组成,渗透率低并易破碎。根据实际工程使用情况确定钻井液的配方,并对不同膨润土含量的钻井液,进行基本性质测试。 (2)为了测试不同材料及表面粗糙度的冲蚀特性,优化搭建冲蚀试验台,该试验台具有改变冲蚀角度、射流速率的功能、循环不同配方钻井液的功能,实现了冲蚀角度30°、60°、90°,射流速度为10 m/s条件下的冲蚀试验测试,探究球阀材料的冲蚀特性。为了研究不同材料下球阀的抗粘附特性,本文设计搭建一种具有改变回路流量,观测回路的压力和温度,保证钻具回转速度,循环钻井液功能,用于观测球阀受粘附性能的试验台。并对钻井液在静止条件下及流动条件下不同材料的球阀进行了粘附性能研究。 (3)为了探究不同球阀材料的冲蚀特性及粘附特性,对不同球阀材料进行冲蚀性及粘附性测试。试验结果表明,表面喷涂XR-D涂层试块的抗冲蚀性能,明显强于喷涂XR-I涂层的球阀试块。喷涂WC涂层的抗冲蚀性能强于316L不锈钢试块。喷涂层能有效地提升球阀的抗冲蚀性能。在钻井液静止及流动状态下,在膨润土含量5 wt.%时,喷涂XR-I涂层的球阀的粘附质量最低。在膨润土含量为6 wt.%、7 wt.%时,316L球阀的粘附质量最低仅为1.0 g,但316L不锈钢球阀的使用寿命较低。 (4)为了探究不同表面粗糙度的球阀材料的冲蚀特性及粘附特性,同样对其进行冲蚀试验及粘附试验测试。试验结果表明,在相同条件下,表面粗糙度为0.8μm时球阀试块的冲蚀率最低,明显小于表面粗糙度为1.6μm、3.2μm的球阀材料。且冲蚀后的试块表面存在三个区域,冲蚀一区、冲蚀二区及未冲蚀的区域。在钻井液流动状态下球阀的粘附质量均低于1.1 g,明显小于钻井液静止状态下的粘附质量。随着表面粗糙度的增加球阀表面的粘附质量也随之增加,其中,表面粗糙度Ra为3.2μm的喷涂WC涂层球阀的粘附质量最大达到2.83 g。