王延文 高 凱,2*

（1.中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司科技信息部，北京 100020；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，東營(yíng) 257000）

在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆頭處于高溫、高壓等復(fù)雜工況下，導(dǎo)致泥包的形成過(guò)程難以被直接觀察。泥頁(yè)巖地層鉆進(jìn)時(shí)形成的聚晶金剛石復(fù)合片（Polycrystalline Diamond Compact，PDC）鉆頭泥包，主要受地層性質(zhì)、鉆井液類型及性能、鉆頭結(jié)構(gòu)、鉆頭水力學(xué)參數(shù)4 個(gè)方面的影響。通常認(rèn)為，PDC 鉆頭泥包的形成是巖屑的物理鑲嵌和黏附效應(yīng)共同作用的結(jié)果。在鉆進(jìn)時(shí)，切削巖屑無(wú)法及時(shí)排出，條狀巖屑沿著切削齒的周圍向外運(yùn)移，隨著接觸面積的逐漸增大，摩擦力逐漸增大，巖屑不斷在PDC 鉆頭上堆積，即發(fā)生巖屑機(jī)械鑲嵌。當(dāng)巖屑堆積速度大于巖屑排出速度時(shí)，鉆頭泥包隨之產(chǎn)生。也有學(xué)者提出，由于水基環(huán)境下巖屑本身帶有凈負(fù)電荷，并呈現(xiàn)膠體特性，而鉆頭表面金屬具有較強(qiáng)的正電勢(shì)，帶有負(fù)電荷的鉆屑顆粒極容易黏附在鉆頭上，黏附堆積產(chǎn)生泥包[1]。

利用激光表面織構(gòu)化技術(shù)控制不同材料的表面潤(rùn)濕性已有許多研究，研究中發(fā)現(xiàn)微織構(gòu)尺寸對(duì)材料潤(rùn)濕性有著巨大的影響，通過(guò)構(gòu)建特定的織構(gòu)形貌可以獲得理想的潤(rùn)濕效果。WAHAB 等在等離子噴涂氧化鋁鈦涂層的激光織構(gòu)化研究上開(kāi)展了大量工作[2-4]。他們利用激光表面微織構(gòu)技術(shù)在等離子噴涂涂層的粗糙表面加工出網(wǎng)格狀微溝槽織構(gòu)，并通過(guò)摩擦試驗(yàn)證明試樣表面復(fù)合粗糙結(jié)構(gòu)對(duì)減少表面摩擦磨損、提高耐腐蝕性能具有良好效果。此外，WAHAB 研究激光織構(gòu)表面的耐蝕性時(shí)發(fā)現(xiàn)織構(gòu)涂層的接觸角在97°左右，而非織構(gòu)涂層接觸角在74°左右，織構(gòu)涂層表面疏水性與溝槽氣穴的增加有關(guān)。本研究利用等離子噴涂技術(shù)和激光織構(gòu)化技術(shù)制備了一種氧化鋁基網(wǎng)狀織構(gòu)化涂層，結(jié)合接觸角實(shí)驗(yàn)和泥漿黏附實(shí)驗(yàn)，分析了織構(gòu)化涂層的潤(rùn)濕性和防泥漿黏附性能。

1 織構(gòu)化陶瓷表面潤(rùn)濕性機(jī)理分析

脈沖激光器的光強(qiáng)符合高斯分布規(guī)律，結(jié)合觀察到的織構(gòu)截面輪廓曲線，在氧化鋁基涂層表面制備的網(wǎng)格狀微凹槽織構(gòu)的截面呈拋物線形狀。對(duì)網(wǎng)狀微溝槽表面單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)狀凹槽織構(gòu)表面微結(jié)構(gòu)

針對(duì)粗糙表面，學(xué)者們提出了Wenzel模型和Cassie-Baxter 模型。Wenzel 模型關(guān)系式為

式中：Rf為表面粗糙度系數(shù)，表示固液實(shí)際接觸面積與表觀投影面積的比值，Rf≥1。Cassie-Baxter提出，液滴無(wú)法完全進(jìn)入粗糙的微觀表面，使空氣被截留在液體下方的粗糙微觀結(jié)構(gòu)中。它滿足Cassie-Baxter 方程，為

如圖1 陰影部分所示，取單個(gè)凸臺(tái)為研究對(duì)象，以溝槽間距d為邊長(zhǎng)，選中區(qū)域單位面積為d2。設(shè)溝槽寬度為b，深度為h。若織構(gòu)內(nèi)部未被浸潤(rùn)，即在Cassie-Baxter 接觸狀態(tài)下，在單位面積內(nèi)，液滴的表觀接觸面積S0=d2，固液的表面真實(shí)接觸面積S1=(d-b)2。微織構(gòu)表面固液真實(shí)接觸面積與固體表面表觀接觸面積的比值為

定義占空比α=b/d（0 ＜α＜1），則可得

將式（4）代入Cassie-Baxter 公式，可得

從式（5）可以看出，在Cassie-Baxter 模型中，Rf與溝槽深度無(wú)關(guān)，而是隨著α的增大而減小。假設(shè)表面三維形貌測(cè)量?jī)x測(cè)得AT00、AT13 和AT40 這3 種織構(gòu)化涂層表面的粗糙度參數(shù)為Sa、Ssk、Sku，將測(cè)得的3 種織構(gòu)化涂層微織構(gòu)參數(shù)代入式（2），計(jì)算Cassie-Baxter 接觸狀態(tài)層網(wǎng)狀織構(gòu)涂層表面理論接觸角，計(jì)算結(jié)果分別展示在圖2、圖3 和圖4 中。

圖2 織構(gòu)化AT00 涂層表面Cassie 接觸角和實(shí)際接觸角

圖3 織構(gòu)化AT13 涂層表面Cassie 接觸角和實(shí)際接觸角

圖4 織構(gòu)化AT40 涂層表面Cassie 接觸角和實(shí)際接觸角

圖2 是織構(gòu)化AT00 涂層的Cassie-Baxter 接觸狀態(tài)下，理論計(jì)算接觸角即圖中Cassie 接觸角，與實(shí)際接觸角的變化對(duì)比曲線。1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)試樣的激光功率為16 W、掃描次數(shù)為5 次，掃描速度分別為200 mm·s-1、400 mm·s-1、600 mm·s-1；4 號(hào)、5 號(hào)試樣的掃描速度為400 mm·s-1、掃描次數(shù)為5 次，激光功率分別為8 W、12 W；6 號(hào)、7 號(hào)試樣的掃描速度為400 mm·s-1、掃描功率為16 W，掃描次數(shù)分別為10 次、15 次。

為了進(jìn)一步分析織構(gòu)化涂層表面的液滴浸潤(rùn)狀態(tài)，繪制了涂層表面微織構(gòu)的深度變化曲線。在圖2 中，織構(gòu)化AT00 涂層的實(shí)際接觸角與Cassie 理論接觸角具有相同的變化規(guī)律，兩曲線均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，測(cè)量接觸角始終低于理論接觸角。1 號(hào)和7 號(hào)試樣接觸角與理論值較接近，說(shuō)明此時(shí)液滴基本符合Cassie-Baxter 狀態(tài)，而曲線的中間段的實(shí)際接觸角嚴(yán)重偏離了理論計(jì)算值。圖2 展示了不同編號(hào)的AT00 涂層微織構(gòu)深度變化曲線，4 號(hào)試樣的深度最低，此時(shí)偏離差最大，隨著微織構(gòu)深度的增加，偏離值逐漸縮小。這意味著溝槽深度較淺時(shí)，織構(gòu)內(nèi)部氣穴無(wú)法完全支撐液滴，而隨著溝槽深度增加，這種浸潤(rùn)作用不斷減弱。

圖3 是織構(gòu)化AT13 涂層的Cassie 理論接觸角與實(shí)際測(cè)量接觸角的關(guān)系曲線，以及涂層表面微織構(gòu)的深度變化曲線?？棙?gòu)化AT13 涂層Cassie 理論接觸角呈現(xiàn)微弱的上升趨勢(shì)，而實(shí)際測(cè)量值發(fā)生了較大的波動(dòng)。在2～6 號(hào)試樣中，3 號(hào)試樣的微織構(gòu)深度最小，實(shí)際測(cè)量結(jié)果與Cassie 接觸角相差也最大，而隨著織構(gòu)深度的增加，實(shí)際接觸角越來(lái)越接近計(jì)算值。對(duì)于1 號(hào)試樣和7 號(hào)試樣，理論值和實(shí)際值差距變大，意味著Cassie-Baxter 接觸狀態(tài)無(wú)法維持，這可能是因?yàn)榇藭r(shí)溝槽深度較大，溝槽對(duì)液滴的毛細(xì)作用使得液滴又一次發(fā)生向微凹槽內(nèi)部的浸潤(rùn)。

圖4 是織構(gòu)化AT40 涂層的Cassie 理論接觸角與實(shí)際測(cè)量接觸角的變化對(duì)比曲線，以及涂層表面微織構(gòu)的深度變化曲線?？棙?gòu)化AT40 涂層表面的實(shí)際測(cè)量接觸角和Cassie 接觸角均出現(xiàn)先降低后上升的變化，實(shí)際接觸角基本低于理論值。對(duì)于織構(gòu)溝槽深度最小的3 號(hào)試樣，其接觸角偏差最明顯，說(shuō)明此時(shí)由于溝槽較淺，液滴進(jìn)入織構(gòu)內(nèi)部，導(dǎo)致固液實(shí)際接觸面積增大。然而，相比6 號(hào)試樣，7 號(hào)試樣由于溝槽過(guò)深，在毛細(xì)作用下液滴向凹槽內(nèi)部發(fā)生了浸潤(rùn)。

結(jié)合圖2、圖3 和圖4 可以看出，當(dāng)液滴處于Cassie-Baxter 接觸狀態(tài)時(shí)，微織構(gòu)的存在可以改變涂層表面固液實(shí)際接觸面積，進(jìn)而影響接觸角的大小。根據(jù)式（3）可知，隨著涂層溝槽織構(gòu)寬度的增大，固液實(shí)際接觸面積減小，而微織構(gòu)表面接觸角增大。微溝槽深度在理論上對(duì)接觸角沒(méi)有影響，然而實(shí)際測(cè)量結(jié)果并未完全符合Cassie 接觸角的一般預(yù)測(cè)變化規(guī)律。因此，涂層微織構(gòu)深度和寬度對(duì)液滴在涂層表面的潤(rùn)濕性能的變化均具有一定的作用?？芍W(wǎng)狀織構(gòu)涂層表面并未完全遵循Cassie-Baxter 理論模型。由于微溝槽深度的影響，固體表面處于一種復(fù)合潤(rùn)濕狀態(tài)，即處于Cassie-Baxter 接觸狀態(tài)的液滴在局部出現(xiàn)Wenzel 接觸狀態(tài)[5]。液滴在織構(gòu)表面的復(fù)合浸潤(rùn)模型如圖5 所示，由于液滴下垂陷入織構(gòu)內(nèi)部，液滴與織構(gòu)內(nèi)壁上部分發(fā)生直接接觸。

圖5 復(fù)合潤(rùn)濕模型

如圖5（a）所示，當(dāng)織構(gòu)溝槽較淺時(shí)，織構(gòu)內(nèi)部所存空氣難以支撐液滴，液滴部分陷入織構(gòu)內(nèi)部，液滴與固體實(shí)際接觸面積增大，導(dǎo)致此時(shí)涂層表面接觸角較小。如圖5（b）所示，隨著織構(gòu)深度的增加，網(wǎng)狀凹槽內(nèi)部存留的空氣增多，液滴更易“懸浮”在織構(gòu)化涂層表面，涂層與液滴的實(shí)際接觸面積減小，故接觸角減小，織構(gòu)化表面的疏水性能增強(qiáng)。此時(shí)，隨著涂層表面粗糙度值進(jìn)一步變大，材料表面的靜態(tài)接觸角逐漸增加。如圖5（c）所示，隨著網(wǎng)格狀凹槽型微織構(gòu)的深度不斷變大，織構(gòu)內(nèi)部毛細(xì)浸潤(rùn)作用加強(qiáng)，液滴部分浸潤(rùn)微織構(gòu)內(nèi)部，液滴向完全潤(rùn)濕的Wenzel接觸狀態(tài)靠近，親水表面接觸角減小，疏水表面接觸角增加。因此，網(wǎng)狀織構(gòu)涂層存在一個(gè)微凹槽深度值臨界值，當(dāng)深度超過(guò)該臨界值之后，材料表面的靜態(tài)接觸角反而出現(xiàn)減小趨勢(shì)。

2 無(wú)關(guān)變量對(duì)泥漿黏附量影響

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)表面黏附量過(guò)少時(shí)，黏附效果不穩(wěn)定，受人為操作等因素影響易出現(xiàn)大的試驗(yàn)誤差，最終影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了獲得穩(wěn)定的黏附性能評(píng)價(jià)結(jié)果，同時(shí)規(guī)范試驗(yàn)步驟，通過(guò)考察主要試驗(yàn)因素對(duì)黏附量的影響規(guī)律，確定轉(zhuǎn)動(dòng)黏附試驗(yàn)中的無(wú)關(guān)變量最佳取值范圍。

頁(yè)巖是一種沉積巖，主要由黏土礦物（蒙脫石、伊利石、高嶺石）和其他形式的礦物組成[6]。文章選擇蒙脫石、伊利石、高嶺石3 種黏土的微米級(jí)粉末作為主要黏附相。觀察發(fā)現(xiàn)，伊利石黏土與水混合液的含水量超過(guò)10%時(shí)出現(xiàn)分層沉淀現(xiàn)象，不適宜進(jìn)行試驗(yàn)。選擇含水量為70%的蒙脫石和含水量為50%的高嶺土黏土，以42CrMo 鋼基體為試驗(yàn)樣品開(kāi)展轉(zhuǎn)動(dòng)黏附試驗(yàn)，結(jié)果如圖6 所示。常用的PDC 鉆頭工作轉(zhuǎn)速通常為50～200 r·min-1，然而在這一轉(zhuǎn)速下試樣表面黏附差異不明顯，因此在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中提高了試驗(yàn)轉(zhuǎn)速。初步設(shè)定旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為400 r·min-1，通過(guò)對(duì)比兩種黏土在基體表面的黏附效果，確定最終試驗(yàn)所用黏土種類。試驗(yàn)考察了兩種黏土在5～30 min 時(shí)基材表面黏附量的差異。由圖6 可知，在含水量為50%的高嶺土混合液環(huán)境中，試樣表面黏附量近似呈直線上升趨勢(shì)，說(shuō)明高嶺土對(duì)試樣表面的黏附增加效果穩(wěn)定，而含水量為70%的蒙脫石黏土混合液環(huán)境造成黏附量波動(dòng)較大，因此試驗(yàn)選用黏土種類為高嶺土。

圖6 不同黏土條件下表面黏附量隨時(shí)間的變化

在研究轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間對(duì)黏附量的影響時(shí)，設(shè)置工作轉(zhuǎn)速為400～650 r·min-1。在含水量為50%的高嶺土混合測(cè)試液中，研究轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為5～30 min 時(shí)基材表面黏附量隨時(shí)間的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可知，當(dāng)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為400 r·min-1、450 r·min-1時(shí)，隨著時(shí)間的增加，表面黏附量呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。但是，當(dāng)轉(zhuǎn)速分別為550 r·min-1、600 r·min-1、650 r·min-1時(shí)，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間低于20 min 時(shí)，黏附量不斷增加。當(dāng)工作時(shí)間超過(guò)20 min 后，表面黏附量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，說(shuō)明當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)速度較大時(shí)存在一個(gè)黏附量峰值時(shí)間，使得樣品表面黏附量最大。因此，為了保證試樣表面形成差異明顯的黏附層，增強(qiáng)試驗(yàn)效果，初步確定轉(zhuǎn)動(dòng)黏附時(shí)間為20 min。

在研究轉(zhuǎn)速對(duì)試樣表面黏附量的影響時(shí)，設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為5～30 min，考察不同轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間下，基材試樣表面黏附量的變化規(guī)律。在試驗(yàn)中，設(shè)置不同的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，選擇含水量為50%的高嶺土混合測(cè)試液，研究轉(zhuǎn)動(dòng)速度為400～650 r·min-1時(shí)42CrMo 鋼基材表面黏附量的變化曲線，如圖8 所示。當(dāng)工作時(shí)間超過(guò)15 min 時(shí)，黏附量呈現(xiàn)先增加后降低的變化規(guī)律，工作轉(zhuǎn)速為550 r·min-1時(shí)表面黏附量達(dá)到峰值。因此，確定泥漿黏附試驗(yàn)的最佳轉(zhuǎn)速為550 r·min-1。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下表面黏附量隨時(shí)間的變化

在高嶺土/水混合測(cè)試液中，當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為20 min、轉(zhuǎn)速為550 r·min-1時(shí)，試樣表面黏附情況最顯著。在實(shí)際鉆井時(shí)，PDC 鉆頭的泥包現(xiàn)象發(fā)生在鉆井液環(huán)境中，因此在鉆井液環(huán)境中研究表面黏附情況尤為重要。將配制混合測(cè)試液的水替換成泥漿液，向泥漿液中添加10～50 g 高嶺土粉末。將42CrMo 鋼基體放置在泥漿混合液中進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)黏附試驗(yàn)，設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)速度為550 r·min-1，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間均為20 min，試驗(yàn)完成后計(jì)算不同黏土添加質(zhì)量的泥漿液中試樣的表面黏附質(zhì)量，結(jié)果如圖9 所示。當(dāng)黏土添加質(zhì)量為20 g 時(shí)，試樣表面黏附量最多，此時(shí)達(dá)到理想黏附效果。

圖9 不同黏土添加質(zhì)量下試樣表面黏附量的變化

3 結(jié)語(yǔ)

由于激光工藝參數(shù)的變化，微織構(gòu)的深度和寬度改變，3 種網(wǎng)狀織構(gòu)涂層潤(rùn)濕性隨之改變?？棙?gòu)化表面液滴處于復(fù)合潤(rùn)濕狀態(tài)，處于Cassie-Baxter 接觸狀態(tài)的液滴呈現(xiàn)出向Wenzel 接觸狀態(tài)過(guò)渡的趨勢(shì)。當(dāng)凹槽深度較淺時(shí)，微織構(gòu)內(nèi)部空氣不足以支撐液滴。隨著凹槽深度增加，液滴基本符合Cassie-Baxter 接觸狀態(tài)，此時(shí)織構(gòu)表面接觸角最大。當(dāng)凹槽深度過(guò)大時(shí)，微織構(gòu)內(nèi)部毛細(xì)作用促進(jìn)了液滴向織構(gòu)內(nèi)部的浸潤(rùn)作用。