聚晶金剛石復合片的設計方法和應變能的利用

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4879份資料聚晶金剛石復合片（PDC）的設計方法與應變能的利用摘要：聚晶金剛石復合片（PDC）鉆頭由于其高滲透率，使用壽命長和生產(chǎn)工藝簡單等優(yōu)點，已經(jīng)在石油和天然氣鉆探領域得到了廣泛的商業(yè)性認可。不過，PDC鉆頭應用在鉆孔高抗壓強度和高耐磨性巖石方面所取得的成功卻很有限，原因之一就在于刀具容易發(fā)生折斷。本篇論文就是試驗用結(jié)構(gòu)所能承受的應變能的能力來作為在動態(tài)和靜態(tài)負荷條件下刀具抗折斷能力的一個指標。當?shù)毒呦蛳裸@孔時，刀具會受應力產(chǎn)生形變因此，鉆孔時的沖擊力就被刀片和PDC鉆頭吸收轉(zhuǎn)化為應變能。刀具本身能承載的應變能越高，就能吸收越多的沖擊能，使應力形變不超過金剛石的拉伸極限。PDC刀具中的各種金剛石/碳化物界面的幾何形狀和金剛石厚度可以用有限元分析法（FEA）來模擬。這種FEA模型包括了剩余應力負載和模擬沖擊負載。應變能承載能力可以通過調(diào)整沖擊負載使金剛石表面產(chǎn)生臨界拉伸壓力之后計算出來。之后對每個計算得出的設計結(jié)果進行實驗室落塔沖擊實驗。然后將這些設計結(jié)果依計算出的承受應變能能力和落塔實驗的結(jié)果排序。使用這種方法和工具，可以在工具設計時直觀的在顯示屏上快速的進行性能預測，而不必冒風險去實際鉆一個向下鉆眼，而且這種方法也可以將剩余應力和釬焊應力合并進去，因此是非常有意義的。簡介：PDC刀具面世20多年來，已經(jīng)對石油和天然氣鉆探產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響。如今在所有鉆進進尺中，使用裝配了PDC刀片的鉆頭的比例已經(jīng)很大。高滲透率、長壽命和工藝簡單是PDC鉆頭的顯著優(yōu)點。但是在鉆孔高抗壓強度和高耐磨巖石時，PDC鉆頭表現(xiàn)一般，原因之一就是鉆孔堅硬的巖石時容易折斷刀具。PDC刀具的斷裂韌性是鉆頭工作是尤其重要的一項指標。新的PDC刀具設計時必須在工地實際應用前對其進行斷裂韌性的評估。如何正確的模擬鉆孔時刀具受到的沖擊是已經(jīng)被廣泛研究的一項課題，并且已經(jīng)有幾種不同的方法被使用。有些是通過對帶有標靶和抗沖擊板的刀頭進行動態(tài)沖擊的嚴格沖擊實驗，還有些是在動態(tài)巖石切割實驗中被更準確的檢測。本篇論文提出了一種新型的方法去評估刀具的韌性。首先將含有各種幾何形狀的金剛石/碳化物界面和金剛石厚度的PDC鉆頭用有限元分析法（FEA）進行模擬。這種FEA模型同時包括殘余應力負載和模擬沖擊負載。應變能承載能力可以通過調(diào)整沖擊負載使金剛石表面產(chǎn)生臨界拉伸壓力之后計算出來。使這種應變能作為在動態(tài)和靜態(tài)負荷條件下刀具抗折斷能力的一個指標。應變能承載能力越高的PDC刀具的抗折斷能力也越高。為驗證模型得到的結(jié)果，對每個計算出的設計結(jié)果進行是實驗室落塔實驗。從而建立計算所得的應變能承載能力與實際落塔實驗的結(jié)果之間的對應關系。進而研究出其靜態(tài)強度與落塔實驗結(jié)果直接的對應關系。最終我們得到了一種實驗室向下沖擊試驗的方法。數(shù)值建模程序：從能量角度分析可以有效地評估動力在力學負載諸多問題。在實驗室沖擊試驗中，能量是從試驗設備轉(zhuǎn)移到PDC刀具。在向下鉆孔的情況下，能量從PDC刀具傳遞到形成的坑中。動態(tài)負載下的刀具變形將取決于一般的力學參數(shù)以及應變波的波速。對應變波的影響一直被忽視此分析，由于聲音在PDC的高速傳播10公里/秒）6。這個假設可能是無效的PDC的假設，供所有加載情況。有了這個假設，動態(tài)負荷可近似為一產(chǎn)生相同的最大偏轉(zhuǎn)的等效靜負荷。在刀具形變的過程中等效靜載荷所作的功相當于將應變能儲存在了刀具中。高應變能量容量的設計可以吸收更多的沖擊力在失敗前。舉個例子，假設有兩個懸臂梁結(jié)構(gòu)，一直一錐形，與同長和根尺寸。相同的力作用到每根橫梁的底部最后將產(chǎn)生相同的最大張力。因此，每根橫梁有著相同的系統(tǒng)靜態(tài)強度。然而，直梁的大部分體積都沒有受到應力作用，這就導致了低效率的能源儲蓄。與此相反，錐行梁則主要強調(diào)的是讓更多的應變能量得到存儲。動能相等適用于每個梁將導致相同數(shù)量的應變能量儲蓄。然而，錐形梁將有比較低的應力峰值。換句話說，錐形梁可以吸收更多的動能，并將其轉(zhuǎn)化為同等壓力才達到峰值的直梁拉應力能量。因此，錐形梁具有較高的直梁動態(tài)力量。這個道理同樣可以用來評估PDC的設計。計算應變能量指標是使用一有限元模型。 首先我們模擬殘余應力，殘余應力是PDC制作工藝中所固有的，同金剛石的抗拉強度大致相等。以一實驗室撞擊事件為模型，在其上施加一模擬靜載荷。在殘余應力上疊加上靜荷載，然后調(diào)整靜載荷直到殘余應力達到先前確定的鉆石表面級別的最大拉伸應力大小。然后利用這個有限元模型來計算存儲在刀具中的復合型負載的總應變能。市售的PEA套件就是用于此研究。該軟件假定材料是線性靜態(tài)的，鉆石石層是完美附著在硬質(zhì)合金襯底上的。全適應P型有限元方法就是用來解決方案7。該材料的這種分析性能列于表1。每個PDC只有四分之一被做成模型以節(jié)約計算空間。軸對稱邊界條件被應用于這四分之一部分的內(nèi)襯。 該刀具后面部分的位移是固定的，以模擬下拉式?jīng)_擊試驗夾具的支持。刀具基座位移的固定比起自由熱膨脹邊界條件，在用于殘余應力的計算中，更具有限制性。然而，大多數(shù)殘余應力的位移發(fā)生在鉆石和硬質(zhì)合金界面上并且遠離刀具基座，因而，幾乎沒有影響9。分析表明，殘余應力誤差小于1%。殘余應力模型：PDC是在金剛石是碳熱力學穩(wěn)定相的條件下燒結(jié)的，其中摻以金屬溶劑和催化劑一提高金剛石與金剛石間的結(jié)合力（15002000 C 5070 kbar）10。在極端的溫度和壓力條件下，個別金剛石晶體緊密結(jié)合在一起并緊貼在鎢硬質(zhì)合金襯底上。金剛石層與基體材料隨著壓力的降低和PDC的冷卻產(chǎn)生不同的反應速率，從而引起殘余應力的顯著提升。簡單的溫度變化可以用來模擬燒結(jié)后壓力和溫度變化的聯(lián)系。當溫度變化到-380 C 時對于所有元素的模型，實驗測量與殘余應力的計算結(jié)果非常相符11。一個三維的四分之一PDC殘余應力模型剖面圖如圖1所示。這種刀具直徑13毫米，長度13毫米，其表面有1毫米厚的金剛石。圖1顯示了刀具中的最大拉應力（第一主應力）。基體材料需要約束兩倍多的金剛石層，由于溫度的變化。一般硬質(zhì)合金向外擴張（紅色）而金剛石向內(nèi)收縮（藍色）。該異常發(fā)生于刀具外徑附近。在此處，刀具開始彎曲，鉆石不再單純壓縮。金剛石外徑和表面區(qū)域的高殘余拉應力使刀具弱化。此區(qū)域上的高拉應力會導致鉆石層的分層和剝落，特別是對于PDC平界面上的金剛石厚膜。應變能量模型： 應變能模型模擬了實驗室回落沖擊試驗來測試PDC強度。在刀面的一個區(qū)域和防沖擊板的據(jù)狀區(qū)域在60J的沖擊后施加一拋物線壓力負載。負載區(qū)是離盤邊緣15度、切割邊緣2.5mm處。FEA模型就是在余壓區(qū)加上靜壓力。施加在磚石面上的拉力要大到550MPa。這個值是在PDC和PDC斷裂試驗中，磚石的拉力極限。使負載壓力達到峰值550MPa的是刀面的靜壓力。這個靜壓力同時取決于刀的硬度和磚石面的余壓區(qū)。圖二中展示了FEA三維模型的結(jié)果同時包括余壓和靜壓力。這是計劃中模型的最大拉力。磚石面拉力的峰值一般出現(xiàn)在磚石面靠近受靜壓力區(qū)。模型中應變能是通過測量動態(tài)強度獲得的。應變能的分布圖如圖三所示。磚石桌很堅硬并且不會在負載下受到破壞。因此對磚石桌而言應變能測量時的受力是很小的。基板相對更有承受力，所以可以存儲一些能量。刀具的應變能性能取決于材料本身的性質(zhì)、幾何狀態(tài)和余區(qū)。圖一：1313PDC刀具表平面最大余拉力 圖二：圖一中的余壓區(qū)在回落沖擊負載下的醉倒拉力圖三：1313PDC刀具表平面的應變能分布圖向下沖擊實驗：我們已經(jīng)發(fā)明實施了一種通過用從可控制的高度落下重物施加在刀具邊緣來標定刀具的壓力的沖擊試驗方法。在這個沖擊試驗中，底盤由于塑性形變來使重物發(fā)生一個可控的減速并以此產(chǎn)生一個連續(xù)的沖擊負載。刀片被放置在一個15度傾斜的斜面上，沖壓方向就是實際鉆頭前進的方向（見圖4）。這就可以在在典型鉆頭的垂直方向模擬一個重力沖擊。這也是刀片金剛石/硬質(zhì)合金表面最容易受損的方向。如圖5所示的落塔裝置就是用來演示這個測試。它是由一個采用閉合回路運動控制系統(tǒng)的放置在0.5mm高度的20kg的落錘組成。當落錘達到正確的高度時就通過解除磁力使其下落。之后將刀片固定在通過熱處理（使D2工具鋼達到至少58HRC洛氏硬度）的加持器中，緊密度容限為0.0080.018mm直徑的空隙。通過測量減速的大小我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大概是每100J的下落沖擊對應700gs的最大加速度，并且隨能量的下降線性減少（如圖6所示）。圖7所示的是持續(xù)1毫秒的100J標準沖擊負載所產(chǎn)生的加速度。圖8所示的是在相應下落能量下對1313PDC刀片的平面進行沖擊試驗，產(chǎn)生的斷裂率結(jié)果，其中斷裂率是通過刀片表面破碎面積的百分比來表示的。其中斷裂率超過30%就可視為抗斷裂性失效。每個數(shù)據(jù)點表示對個體刀片進行十次沖擊實驗的最終結(jié)果。要是判定為抗斷裂性失效，則在數(shù)據(jù)點旁邊記下不合格前的最后沖擊次數(shù)，數(shù)字旁的代碼則表示失效類型（圖8中的MF表示“大量斷裂”）。圖表頂部是在每個能量級別下測試刀片結(jié)果的分布直方圖，右邊邊緣是刀片表面損失區(qū)域的分布情況。標注的計算所得的平均值用來表示對應的沖擊強度。從數(shù)據(jù)中我們發(fā)現(xiàn)兩個主要的失效模式。第一種是一種普通的破裂或碎裂。大多數(shù)刀片的測試在第一，二下沖擊下的破碎率是12%，之后就很快提高至100%破碎率。這就說明該實驗必須能在每次單獨的沖擊后記錄數(shù)據(jù)，然后再進行第二、第三次試驗。之后重復的沖擊也要擊打在同一位置（第一次擊打位置）。這種在已經(jīng)發(fā)生形變的位置上加載重復荷載是一般的碎裂方式。圖9就表現(xiàn)了一個典型的對應于這種碎裂方式的刀片表面破壞模型。第二種失效模式是完全折斷。這種情況發(fā)生是隨機的，圖10即是一個典型的模型。實驗中所有刀片斷裂的平均分布情況包括了這兩種失效模式。圖四：落沖實驗示意圖圖五：落塔裝置圖六：落塔加速度和撞擊能量的關系圖七：100J的撞擊事件中加速傳感器的記錄圖八：1313號PDC刀具平界面上的的落沖實驗實驗結(jié)果圖九：刀具一般性的碎裂剝落形貌圖十：刀具的完全破碎形貌實驗結(jié)果：運用應變能源技術對八個PDC刀具的設計進行了評定。鉆石層的厚度與金剛石/硬質(zhì)合金間界面的幾何形狀為實驗設計的變量。每個刀具的直徑和整體高度固定為13毫米。為每個設計刀具的測試進行應變能的計算。該值計算的是儲存在四分之一模型中的總的應變能。它假設整個刀具吸收的總應變能為四分之一刀具儲存的應變能的四倍。每個設計制作出來用來進行實驗室耐沖擊性的測試。類似圖8，該圖是有每個刀具的測試結(jié)果生成的。通過計算平均剝落面面積的算法計算每個刀具上的結(jié)果。所有的PDC刀具全部使用相同金剛石原料和基板。對于每個刀具的類型通過燒結(jié)過程中的變量如時間，溫度，壓力等方面進行了比較。大約做了200個刀具通過破壞性測試來進行比較。應變能大小的計算，等效靜載荷，沖擊后剝落的面積列于表2中。應變能的大小與平均剝落面積的關系見圖11。由圖可見刀具擁有越高的應變能就有更高的耐沖擊性（即較小的面積虧損）。此直線表明，應變能與剝落面積之間呈正相關。該結(jié)論與實驗結(jié)果能夠很好的相符（R=0.73）。計算靜態(tài)強度(等效靜載荷)對于剝落面積的曲線圖如圖12。其相關度不如應變能好（R=0.62）。殘余應力的狀態(tài)會強烈影響應變能和靜態(tài)強度的變化。金剛石表面擁有的殘余壓應力的越高，能承受的靜荷載也就越高，直到達到金剛石的拉伸極限。刀具上附著上一層薄的金剛石層，往往會具有較高的殘余壓應力。該金剛石膜層可以在整個刀具上都很薄也能只在出現(xiàn)應力峰值區(qū)域處理的薄一些。例如，刀具的外徑處金剛石膜層較厚，而在中心處較薄，形成一個箍型，這樣也能在其表面具有較高的殘余壓應力。薄膜刀具在工業(yè)中往往不被采用，因為這樣降低了刀具的使用壽命。箍型設計通過增加更多金剛石在刀具外徑上而避免了這個問題。然而，箍型設計在釬焊上又會導致一些問題。大多數(shù)PDC鉆頭制造商把刀具釬焊在刀片的凹陷處，使刀具遭受到大約800 C 的溫度。室溫的增長會增長金剛石表面的殘余壓應力，而釬焊溫度增長會導致其表面殘余拉應力。釬焊溫度導致的拉力會導致金剛石層的斷裂。圖十一：應變能大小與耐沖擊性的關系圖十二：等效靜載荷的大小與耐沖性的關系因此，必須找到最大殘余壓應力和耐沖擊性之間的一些平衡點，以制造出能夠釬焊的PDC。另外一個影響結(jié)果的重要變量就是界面的幾何形狀。如圖3所示，堅硬的金剛石對比于硬質(zhì)合金襯底提供較少的能量存儲。由表2中計算得出具有最低應變能的刀具擁有一個平面的界面?？梢愿鼡Q掉部分硬質(zhì)合金上附著的金剛石層通過非平面界面以提高其對于能量的存儲。金剛石和硬質(zhì)合金的結(jié)合有效的改變了材料在此區(qū)域的性能。此外，非平面界面會極大的改變殘余應力的狀態(tài)和金剛石層的硬度。表面形狀能改變材料的特性和硬度，很可能是由于應變能和靜載荷與耐沖強度之間相關性的差異。需要注意的是，應變能的計算值，要遠遠低于實驗室落沖撞擊的能量級別。只有落擊能量的一小部分被刀具吸收了。沖擊能量的大部分被產(chǎn)生塑性形變的撞擊板材吸收掉了。儀器間的阻力和撞擊時抵抗重力做出的反彈也吸收掉了部分能量。這就意味著，鉆頭和鉆井必須吸收掉刀具所不能吸收的多余沖擊能量。雖然耐沖性與應變能之間的關系是可識別的，但并非完美，是目前制造過程中誤差來源之一。根據(jù)不同刀具的設計及幾何形狀，參數(shù)如燒結(jié)壓力，溫度，時間略有不同。所有的嘗試都是用來控制刀具在測試中的這些差異。然而，工藝的變化肯能會導致“異常”圖像到達右側(cè)如圖11所示。這個刀具有著4毫米厚的金剛石膜層和一個特殊的表面用以盡量介紹殘余應力。燒結(jié)極厚的PDC金剛石層需要特殊的工藝。這把刀具中金剛石與金剛石之間的鏈接有可能沒有其他包裹著薄層金剛石的刀具那么強。另一個潛在的誤差來源是有限元模型假設。隱式軸對稱邊界條件假設負載施加