资源是保障国家经济长期稳定发展的物质基础,随着浅层资源的日益枯竭,深部钻探的兴起,说明深层勘探开发势在必行。如何提高深井钻探效率和节约钻探成本,这就对井下钻探机具质量和性能的要求愈发严格。钻头在钻探技术系统中一直处于核心地位,其钻进速度和工作寿命是节约钻探成本和提高钻进效率的关键因素,然而钻头的钻进速度和工作寿命往往难以实现同步提高。针对硬岩地层钻进、特别是坚硬打滑地层钻进,为提高孕镶金刚石钻头在这类地层中的的钻进速度和工作寿命,以仿生学基本理论为指导,本文设计了一种无硬质相胎体仿生异形齿孕镶金刚石钻头。本文主要研究工作和相关结论如下:(1)针对坚硬打滑地层钻进,根据岩石特点、仿生异型齿结构要求和钻头胎体性能要求,提出了无硬质相胎体孕镶金刚石钻头配方。无硬质相胎体配方是以铁、镍和铜合金为主,不含钨、碳化钨、碳化钛等高熔点、高硬度的金属或合金的孕镶金刚石钻头胎体配方。针对无硬质相胎体孕镶金刚石钻头配方中存在的金刚石氧化、碳化、热损伤和腐蚀的问题,通过添加微量元素硼进行改善。研究结果表明:含硼无硬质相胎体孕镶金刚石材料中,硼易吸附于金刚石表面,减弱了高温和氧对金刚石的损伤,减少了铁对金刚石的刻蚀,改善了胎体和金刚石的界面结合情况,提高了无硬质相胎体孕镶金刚石材料的性能。(2)针对坚硬打滑地层钻进,根据岩石特点和仿生钻头结构要求,选取穿山甲爪趾作为仿生原型,设计了高胎体可再生仿生异型齿钻头的单齿结构。通过观察、分析穿山甲爪趾形态、结构及功能,提取穿山甲爪趾的仿生模型,并建立仿生钻头单齿模型。通过力学计算优化柱齿的高径比和阶梯的高宽比两个关键结构参数。利用ANSYS模拟分析了岩石在静载作用下,因仿生异型齿钻头和常规阶梯钻头作用而产生的应力的变化。结果说明:在柱齿直径和阶梯齿的宽度确定的条件下,柱齿的高径比与岩石的泊松比有关,阶梯齿的高宽比与岩石的摩擦系数有关。此外,相同的载荷作用下,相比于普通阶梯钻头单齿,仿生异型齿钻头单齿作用的岩石表面应力大,更易破碎岩石。(3)为获得满足结构和高度设计要求的仿生异型齿孕镶金刚石钻头,采用石墨和陶土两种方法制备了仿生异型齿孕镶金刚石钻头的模具,并通过无压浸渍工艺制备钻头,避免了热压烧结对钻头齿形结构和工作层高度的限制,制备出的仿生钻头成型度好,钻头结构、性能满足设计要求。(4)完成了无硬质相胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头的钻进试验。室内微钻试验说明含硼无硬质相胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头使用性能良好。现场试验中,相比同地层用其他孕镶金刚石钻头,仿生异型齿钻头的钻进速度提高了20~97.5%,工作寿命提高了1~2倍。无硬质相胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头高钻速长寿命主要是因为:材料方面含硼无硬质相胎体保护了金刚石的强度和切削能力,其耐磨性匹配金刚石的磨损,提高了金刚石的自锐能力,提高了金刚石工作效率;结构方面异型齿结构改变了岩石的受力状态、增加了岩石破碎自由面、岩石容易被破碎,高胎体结构延长了钻头使用寿命,自再生结构实现了钻头的自锐、稳定钻头在钻进过程中的碎岩效率。本文设计的无硬质相胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头,在工程实践中取得了初步效果,整体上实现了钻头机械钻速和工作寿命的同步提高,对后续仿生钻头的设计优化及应用具有实际的指导意义。