如何进一步提高现有牙轮钻头轴承的工作性能,延长其在低速、重载和高温高压复杂工况下的使用寿命是目前钻井工程领域亟待解决的关键问题之一。基于牙轮钻头滑动轴承的失效形式主要是粘着磨损失效,本文通过对仿生织构润滑减磨的分析,创新性的提出把表面织构引入钻头滑动轴承来延长轴承的使用寿命,建立了非牛顿润滑的织构化牙轮钻头滑动轴承的流体动压理论模型,完成了织构参数和布置区域对钻头轴承承载能力影响的仿真分析;同时通过织构化钻头轴承的单元实验对数学模型和仿真结果进行验证,开展井底密封泄漏恶劣工况下织构钻头轴承的单元实验,通过搭建的钻头滑动轴承的实验台架,完成了织构参数对钻头轴承摩擦学性能影响规律的实验研究,本文主要的研究成果如下:(1)在国内外和本项目组研究基础上,创新性的提出了一种把表面织构引入牙轮钻头滑动轴承配对副表面的新方法,为牙轮钻头滑动轴承在恶劣复杂工况下润滑减摩性能提升和使用寿命延长提供了一条新思路。(2)在一定假设条件下,基于钻头轴承润滑脂等效粘度幂律模型、非牛顿介质润滑的雷诺方程,结合所建椭球形、圆柱形、椭圆形和三角形织构几何方程,建立光滑表面和考虑表面粗糙度的织构化牙轮钻头滑动轴承的流体动力润滑理论模型。该理论模型为开展织构化钻头轴承摩擦学性能的仿真分析提供了理论基础。(3)系统分析了稳定载荷下椭圆形、椭球形和三角形织构的几何尺寸、面积比和布置区域与无量纲最大油膜压力之间的关系。理论分析表明,织构深度一定时,存在较优的织构几何尺寸、面积比和布置区域参数可有效提升钻头轴承承载能力,为织构钻头轴承单元实验中试样表面织构参数的设计和实验方案的制定提供了理论依据。(4)基于赫兹接触和流体润滑理论,建立了近似模拟牙轮钻头滑动轴承工况的销-盘单元实验方案;完成了轴套单元试样表面设计织构的精密机械雕刻、纳秒和飞秒激光加工,得到了所加工织构形状、几何尺寸、布置方式、润滑脂流变性和stribeck参数等因素对钻头滑动轴承摩擦学性能的影响规律,论证了表面织构提升轴承润滑减磨性能的可行性。(5)密封泄漏恶劣工况下,完成了不同体积比钻井液润滑脂的流变性和优选织构配对副的摩擦学性能实验研究,得到了优选的圆柱形(圆形)和椭圆形织构可使轴承配对副的摩擦系数降低超过12%和磨损量降低超过25%,为密封泄漏的恶劣工况下轴承减磨性能的提升提供了有效手段。(6)基于几何相似和索莫菲尔德相似,完成了织构化牙轮钻头滑动轴承摩擦学性能测试的台架实验研究,形成了轴颈曲面布置表面织构的激光加工工艺和测量评价方法,得到了模拟工况下,织构化牙轮钻头滑动轴承摩擦系数和磨损量随织构类型、面积比和夹角的变化规律,为给定工况下织构化牙轮钻头滑动轴承的设计与优化提供了实验基础。总之,本文的研究工作为利用表面织构技术提升牙轮钻头滑动轴承的寿命提供了技术支持,将进步一提升牙轮钻头滑动轴承的性能,延长轴承的使用寿命,增加牙轮钻头的综合性能和在国际市场上的竞争力。因此,本文研究对织构化牙轮钻头滑动轴承的设计和钻井效率的提高具有重要意义和学术价值,而且具有广阔的应用前景。