聚晶金刚石复合片的设计方法和应变能的利用

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4879份资料聚晶金刚石复合片（PDC）的设计方法与应变能的利用摘要：聚晶金刚石复合片（PDC）钻头由于其高渗透率，使用寿命长和生产工艺简单等优点，已经在石油和天然气钻探领域得到了广泛的商业性认可。不过，PDC钻头应用在钻孔高抗压强度和高耐磨性岩石方面所取得的成功却很有限，原因之一就在于刀具容易发生折断。本篇论文就是试验用结构所能承受的应变能的能力来作为在动态和静态负荷条件下刀具抗折断能力的一个指标。当刀具向下钻孔时，刀具会受应力产生形变因此，钻孔时的冲击力就被刀片和PDC钻头吸收转化为应变能。刀具本身能承载的应变能越高，就能吸收越多的冲击能，使应力形变不超过金刚石的拉伸极限。PDC刀具中的各种金刚石/碳化物界面的几何形状和金刚石厚度可以用有限元分析法（FEA）来模拟。这种FEA模型包括了剩余应力负载和模拟冲击负载。应变能承载能力可以通过调整冲击负载使金刚石表面产生临界拉伸压力之后计算出来。之后对每个计算得出的设计结果进行实验室落塔冲击实验。然后将这些设计结果依计算出的承受应变能能力和落塔实验的结果排序。使用这种方法和工具，可以在工具设计时直观的在显示屏上快速的进行性能预测，而不必冒风险去实际钻一个向下钻眼，而且这种方法也可以将剩余应力和钎焊应力合并进去，因此是非常有意义的。简介：PDC刀具面世20多年来，已经对石油和天然气钻探产业产生了巨大的影响。如今在所有钻进进尺中，使用装配了PDC刀片的钻头的比例已经很大。高渗透率、长寿命和工艺简单是PDC钻头的显著优点。但是在钻孔高抗压强度和高耐磨岩石时，PDC钻头表现一般，原因之一就是钻孔坚硬的岩石时容易折断刀具。PDC刀具的断裂韧性是钻头工作是尤其重要的一项指标。新的PDC刀具设计时必须在工地实际应用前对其进行断裂韧性的评估。如何正确的模拟钻孔时刀具受到的冲击是已经被广泛研究的一项课题，并且已经有几种不同的方法被使用。有些是通过对带有标靶和抗冲击板的刀头进行动态冲击的严格冲击实验，还有些是在动态岩石切割实验中被更准确的检测。本篇论文提出了一种新型的方法去评估刀具的韧性。首先将含有各种几何形状的金刚石/碳化物界面和金刚石厚度的PDC钻头用有限元分析法（FEA）进行模拟。这种FEA模型同时包括残余应力负载和模拟冲击负载。应变能承载能力可以通过调整冲击负载使金刚石表面产生临界拉伸压力之后计算出来。使这种应变能作为在动态和静态负荷条件下刀具抗折断能力的一个指标。应变能承载能力越高的PDC刀具的抗折断能力也越高。为验证模型得到的结果，对每个计算出的设计结果进行是实验室落塔实验。从而建立计算所得的应变能承载能力与实际落塔实验的结果之间的对应关系。进而研究出其静态强度与落塔实验结果直接的对应关系。最终我们得到了一种实验室向下冲击试验的方法。数值建模程序：从能量角度分析可以有效地评估动力在力学负载诸多问题。在实验室冲击试验中，能量是从试验设备转移到PDC刀具。在向下钻孔的情况下，能量从PDC刀具传递到形成的坑中。动态负载下的刀具变形将取决于一般的力学参数以及应变波的波速。对应变波的影响一直被忽视此分析，由于声音在PDC的高速传播10公里/秒）6。这个假设可能是无效的PDC的假设，供所有加载情况。有了这个假设，动态负荷可近似为一产生相同的最大偏转的等效静负荷。在刀具形变的过程中等效静载荷所作的功相当于将应变能储存在了刀具中。高应变能量容量的设计可以吸收更多的冲击力在失败前。举个例子，假设有两个悬臂梁结构，一直一锥形，与同长和根尺寸。相同的力作用到每根横梁的底部最后将产生相同的最大张力。因此，每根横梁有着相同的系统静态强度。然而，直梁的大部分体积都没有受到应力作用，这就导致了低效率的能源储蓄。与此相反，锥行梁则主要强调的是让更多的应变能量得到存储。动能相等适用于每个梁将导致相同数量的应变能量储蓄。然而，锥形梁将有比较低的应力峰值。换句话说，锥形梁可以吸收更多的动能，并将其转化为同等压力才达到峰值的直梁拉应力能量。因此，锥形梁具有较高的直梁动态力量。这个道理同样可以用来评估PDC的设计。计算应变能量指标是使用一有限元模型。 首先我们模拟残余应力，残余应力是PDC制作工艺中所固有的，同金刚石的抗拉强度大致相等。以一实验室撞击事件为模型，在其上施加一模拟静载荷。在残余应力上叠加上静荷载，然后调整静载荷直到残余应力达到先前确定的钻石表面级别的最大拉伸应力大小。然后利用这个有限元模型来计算存储在刀具中的复合型负载的总应变能。市售的PEA套件就是用于此研究。该软件假定材料是线性静态的，钻石石层是完美附着在硬质合金衬底上的。全适应P型有限元方法就是用来解决方案7。该材料的这种分析性能列于表1。每个PDC只有四分之一被做成模型以节约计算空间。轴对称边界条件被应用于这四分之一部分的内衬。 该刀具后面部分的位移是固定的，以模拟下拉式冲击试验夹具的支持。刀具基座位移的固定比起自由热膨胀边界条件，在用于残余应力的计算中，更具有限制性。然而，大多数残余应力的位移发生在钻石和硬质合金界面上并且远离刀具基座，因而，几乎没有影响9。分析表明，残余应力误差小于1%。残余应力模型：PDC是在金刚石是碳热力学稳定相的条件下烧结的，其中掺以金属溶剂和催化剂一提高金刚石与金刚石间的结合力（15002000 C 5070 kbar）10。在极端的温度和压力条件下，个别金刚石晶体紧密结合在一起并紧贴在钨硬质合金衬底上。金刚石层与基体材料随着压力的降低和PDC的冷却产生不同的反应速率，从而引起残余应力的显著提升。简单的温度变化可以用来模拟烧结后压力和温度变化的联系。当温度变化到-380 C 时对于所有元素的模型，实验测量与残余应力的计算结果非常相符11。一个三维的四分之一PDC残余应力模型剖面图如图1所示。这种刀具直径13毫米，长度13毫米，其表面有1毫米厚的金刚石。图1显示了刀具中的最大拉应力（第一主应力）。基体材料需要约束两倍多的金刚石层，由于温度的变化。一般硬质合金向外扩张（红色）而金刚石向内收缩（蓝色）。该异常发生于刀具外径附近。在此处，刀具开始弯曲，钻石不再单纯压缩。金刚石外径和表面区域的高残余拉应力使刀具弱化。此区域上的高拉应力会导致钻石层的分层和剥落，特别是对于PDC平界面上的金刚石厚膜。应变能量模型： 应变能模型模拟了实验室回落冲击试验来测试PDC强度。在刀面的一个区域和防冲击板的据状区域在60J的冲击后施加一抛物线压力负载。负载区是离盘边缘15度、切割边缘2.5mm处。FEA模型就是在余压区加上静压力。施加在砖石面上的拉力要大到550MPa。这个值是在PDC和PDC断裂试验中，砖石的拉力极限。使负载压力达到峰值550MPa的是刀面的静压力。这个静压力同时取决于刀的硬度和砖石面的余压区。图二中展示了FEA三维模型的结果同时包括余压和静压力。这是计划中模型的最大拉力。砖石面拉力的峰值一般出现在砖石面靠近受静压力区。模型中应变能是通过测量动态强度获得的。应变能的分布图如图三所示。砖石桌很坚硬并且不会在负载下受到破坏。因此对砖石桌而言应变能测量时的受力是很小的。基板相对更有承受力，所以可以存储一些能量。刀具的应变能性能取决于材料本身的性质、几何状态和余区。图一：1313PDC刀具表平面最大余拉力 图二：图一中的余压区在回落冲击负载下的醉倒拉力图三：1313PDC刀具表平面的应变能分布图向下冲击实验：我们已经发明实施了一种通过用从可控制的高度落下重物施加在刀具边缘来标定刀具的压力的冲击试验方法。在这个冲击试验中，底盘由于塑性形变来使重物发生一个可控的减速并以此产生一个连续的冲击负载。刀片被放置在一个15度倾斜的斜面上，冲压方向就是实际钻头前进的方向（见图4）。这就可以在在典型钻头的垂直方向模拟一个重力冲击。这也是刀片金刚石/硬质合金表面最容易受损的方向。如图5所示的落塔装置就是用来演示这个测试。它是由一个采用闭合回路运动控制系统的放置在0.5mm高度的20kg的落锤组成。当落锤达到正确的高度时就通过解除磁力使其下落。之后将刀片固定在通过热处理（使D2工具钢达到至少58HRC洛氏硬度）的加持器中，紧密度容限为0.0080.018mm直径的空隙。通过测量减速的大小我们已经发现大概是每100J的下落冲击对应700gs的最大加速度，并且随能量的下降线性减少（如图6所示）。图7所示的是持续1毫秒的100J标准冲击负载所产生的加速度。图8所示的是在相应下落能量下对1313PDC刀片的平面进行冲击试验，产生的断裂率结果，其中断裂率是通过刀片表面破碎面积的百分比来表示的。其中断裂率超过30%就可视为抗断裂性失效。每个数据点表示对个体刀片进行十次冲击实验的最终结果。要是判定为抗断裂性失效，则在数据点旁边记下不合格前的最后冲击次数，数字旁的代码则表示失效类型（图8中的MF表示“大量断裂”）。图表顶部是在每个能量级别下测试刀片结果的分布直方图，右边边缘是刀片表面损失区域的分布情况。标注的计算所得的平均值用来表示对应的冲击强度。从数据中我们发现两个主要的失效模式。第一种是一种普通的破裂或碎裂。大多数刀片的测试在第一，二下冲击下的破碎率是12%，之后就很快提高至100%破碎率。这就说明该实验必须能在每次单独的冲击后记录数据，然后再进行第二、第三次试验。之后重复的冲击也要击打在同一位置（第一次击打位置）。这种在已经发生形变的位置上加载重复荷载是一般的碎裂方式。图9就表现了一个典型的对应于这种碎裂方式的刀片表面破坏模型。第二种失效模式是完全折断。这种情况发生是随机的，图10即是一个典型的模型。实验中所有刀片断裂的平均分布情况包括了这两种失效模式。图四：落冲实验示意图图五：落塔装置图六：落塔加速度和撞击能量的关系图七：100J的撞击事件中加速传感器的记录图八：1313号PDC刀具平界面上的的落冲实验实验结果图九：刀具一般性的碎裂剥落形貌图十：刀具的完全破碎形貌实验结果：运用应变能源技术对八个PDC刀具的设计进行了评定。钻石层的厚度与金刚石/硬质合金间界面的几何形状为实验设计的变量。每个刀具的直径和整体高度固定为13毫米。为每个设计刀具的测试进行应变能的计算。该值计算的是储存在四分之一模型中的总的应变能。它假设整个刀具吸收的总应变能为四分之一刀具储存的应变能的四倍。每个设计制作出来用来进行实验室耐冲击性的测试。类似图8，该图是有每个刀具的测试结果生成的。通过计算平均剥落面面积的算法计算每个刀具上的结果。所有的PDC刀具全部使用相同金刚石原料和基板。对于每个刀具的类型通过烧结过程中的变量如时间，温度，压力等方面进行了比较。大约做了200个刀具通过破坏性测试来进行比较。应变能大小的计算，等效静载荷，冲击后剥落的面积列于表2中。应变能的大小与平均剥落面积的关系见图11。由图可见刀具拥有越高的应变能就有更高的耐冲击性（即较小的面积亏损）。此直线表明，应变能与剥落面积之间呈正相关。该结论与实验结果能够很好的相符（R=0.73）。计算静态强度(等效静载荷)对于剥落面积的曲线图如图12。其相关度不如应变能好（R=0.62）。残余应力的状态会强烈影响应变能和静态强度的变化。金刚石表面拥有的残余压应力的越高，能承受的静荷载也就越高，直到达到金刚石的拉伸极限。刀具上附着上一层薄的金刚石层，往往会具有较高的残余压应力。该金刚石膜层可以在整个刀具上都很薄也能只在出现应力峰值区域处理的薄一些。例如，刀具的外径处金刚石膜层较厚，而在中心处较薄，形成一个箍型，这样也能在其表面具有较高的残余压应力。薄膜刀具在工业中往往不被采用，因为这样降低了刀具的使用寿命。箍型设计通过增加更多金刚石在刀具外径上而避免了这个问题。然而，箍型设计在钎焊上又会导致一些问题。大多数PDC钻头制造商把刀具钎焊在刀片的凹陷处，使刀具遭受到大约800 C 的温度。室温的增长会增长金刚石表面的残余压应力，而钎焊温度增长会导致其表面残余拉应力。钎焊温度导致的拉力会导致金刚石层的断裂。图十一：应变能大小与耐冲击性的关系图十二：等效静载荷的大小与耐冲性的关系因此，必须找到最大残余压应力和耐冲击性之间的一些平衡点，以制造出能够钎焊的PDC。另外一个影响结果的重要变量就是界面的几何形状。如图3所示，坚硬的金刚石对比于硬质合金衬底提供较少的能量存储。由表2中计算得出具有最低应变能的刀具拥有一个平面的界面。可以更换掉部分硬质合金上附着的金刚石层通过非平面界面以提高其对于能量的存储。金刚石和硬质合金的结合有效的改变了材料在此区域的性能。此外，非平面界面会极大的改变残余应力的状态和金刚石层的硬度。表面形状能改变材料的特性和硬度，很可能是由于应变能和静载荷与耐冲强度之间相关性的差异。需要注意的是，应变能的计算值，要远远低于实验室落冲撞击的能量级别。只有落击能量的一小部分被刀具吸收了。冲击能量的大部分被产生塑性形变的撞击板材吸收掉了。仪器间的阻力和撞击时抵抗重力做出的反弹也吸收掉了部分能量。这就意味着，钻头和钻井必须吸收掉刀具所不能吸收的多余冲击能量。虽然耐冲性与应变能之间的关系是可识别的，但并非完美，是目前制造过程中误差来源之一。根据不同刀具的设计及几何形状，参数如烧结压力，温度，时间略有不同。所有的尝试都是用来控制刀具在测试中的这些差异。然而，工艺的变化肯能会导致“异常”图像到达右侧如图11所示。这个刀具有着4毫米厚的金刚石膜层和一个特殊的表面用以尽量介绍残余应力。烧结极厚的PDC金刚石层需要特殊的工艺。这把刀具中金刚石与金刚石之间的链接有可能没有其他包裹着薄层金刚石的刀具那么强。另一个潜在的误差来源是有限元模型假设。隐式轴对称边界条件假设负载施加