聚晶金剛石復(fù)合片的設(shè)計(jì)方法和應(yīng)變能的利用

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4879份資料聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）的設(shè)計(jì)方法與應(yīng)變能的利用摘要：聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）鉆頭由于其高滲透率，使用壽命長(zhǎng)和生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在石油和天然氣鉆探領(lǐng)域得到了廣泛的商業(yè)性認(rèn)可。不過(guò)，PDC鉆頭應(yīng)用在鉆孔高抗壓強(qiáng)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(yàn)用結(jié)構(gòu)所能承受的應(yīng)變能的能力來(lái)作為在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)負(fù)荷條件下刀具抗折斷能力的一個(gè)指標(biāo)。當(dāng)?shù)毒呦蛳裸@孔時(shí)，刀具會(huì)受應(yīng)力產(chǎn)生形變因此，鉆孔時(shí)的沖擊力就被刀片和PDC鉆頭吸收轉(zhuǎn)化為應(yīng)變能。刀具本身能承載的應(yīng)變能越高，就能吸收越多的沖擊能，使應(yīng)力形變不超過(guò)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(lái)模擬。這種FEA模型包括了剩余應(yīng)力負(fù)載和模擬沖擊負(fù)載。應(yīng)變能承載能力可以通過(guò)調(diào)整沖擊負(fù)載使金剛石表面產(chǎn)生臨界拉伸壓力之后計(jì)算出來(lái)。之后對(duì)每個(gè)計(jì)算得出的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室落塔沖擊實(shí)驗(yàn)。然后將這些設(shè)計(jì)結(jié)果依計(jì)算出的承受應(yīng)變能能力和落塔實(shí)驗(yàn)的結(jié)果排序。使用這種方法和工具，可以在工具設(shè)計(jì)時(shí)直觀(guān)的在顯示屏上快速的進(jìn)行性能預(yù)測(cè)，而不必冒風(fēng)險(xiǎn)去實(shí)際鉆一個(gè)向下鉆眼，而且這種方法也可以將剩余應(yīng)力和釬焊應(yīng)力合并進(jìn)去，因此是非常有意義的。簡(jiǎn)介：PDC刀具面世20多年來(lái)，已經(jīng)對(duì)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(jìn)進(jìn)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(zhǎng)壽命和工藝簡(jiǎn)單是PDC鉆頭的顯著優(yōu)點(diǎn)。但是在鉆孔高抗壓強(qiáng)度和高耐磨巖石時(shí)，PDC鉆頭表現(xiàn)一般，原因之一就是鉆孔堅(jiān)硬的巖石時(shí)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(xiàng)指標(biāo)。新的PDC刀具設(shè)計(jì)時(shí)必須在工地實(shí)際應(yīng)用前對(duì)其進(jìn)行斷裂韌性的評(píng)估。如何正確的模擬鉆孔時(shí)刀具受到的沖擊是已經(jīng)被廣泛研究的一項(xiàng)課題，并且已經(jīng)有幾種不同的方法被使用。有些是通過(guò)對(duì)帶有標(biāo)靶和抗沖擊板的刀頭進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊的嚴(yán)格沖擊實(shí)驗(yàn)，還有些是在動(dòng)態(tài)巖石切割實(shí)驗(yàn)中被更準(zhǔn)確的檢測(cè)。本篇論文提出了一種新型的方法去評(píng)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(jìn)行模擬。這種FEA模型同時(shí)包括殘余應(yīng)力負(fù)載和模擬沖擊負(fù)載。應(yīng)變能承載能力可以通過(guò)調(diào)整沖擊負(fù)載使金剛石表面產(chǎn)生臨界拉伸壓力之后計(jì)算出來(lái)。使這種應(yīng)變能作為在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)負(fù)荷條件下刀具抗折斷能力的一個(gè)指標(biāo)。應(yīng)變能承載能力越高的PDC刀具的抗折斷能力也越高。為驗(yàn)證模型得到的結(jié)果，對(duì)每個(gè)計(jì)算出的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行是實(shí)驗(yàn)室落塔實(shí)驗(yàn)。從而建立計(jì)算所得的應(yīng)變能承載能力與實(shí)際落塔實(shí)驗(yàn)的結(jié)果之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。進(jìn)而研究出其靜態(tài)強(qiáng)度與落塔實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。最終我們得到了一種實(shí)驗(yàn)室向下沖擊試驗(yàn)的方法。數(shù)值建模程序：從能量角度分析可以有效地評(píng)估動(dòng)力在力學(xué)負(fù)載諸多問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)室沖擊試驗(yàn)中，能量是從試驗(yàn)設(shè)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(dòng)態(tài)負(fù)載下的刀具變形將取決于一般的力學(xué)參數(shù)以及應(yīng)變波的波速。對(duì)應(yīng)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(gè)假設(shè)可能是無(wú)效的PDC的假設(shè)，供所有加載情況。有了這個(gè)假設(shè)，動(dòng)態(tài)負(fù)荷可近似為一產(chǎn)生相同的最大偏轉(zhuǎn)的等效靜負(fù)荷。在刀具形變的過(guò)程中等效靜載荷所作的功相當(dāng)于將應(yīng)變能儲(chǔ)存在了刀具中。高應(yīng)變能量容量的設(shè)計(jì)可以吸收更多的沖擊力在失敗前。舉個(gè)例子，假設(shè)有兩個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)，一直一錐形，與同長(zhǎng)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(qiáng)度。然而，直梁的大部分體積都沒(méi)有受到應(yīng)力作用，這就導(dǎo)致了低效率的能源儲(chǔ)蓄。與此相反，錐行梁則主要強(qiáng)調(diào)的是讓更多的應(yīng)變能量得到存儲(chǔ)。動(dòng)能相等適用于每個(gè)梁將導(dǎo)致相同數(shù)量的應(yīng)變能量?jī)?chǔ)蓄。然而，錐形梁將有比較低的應(yīng)力峰值。換句話(huà)說(shuō)，錐形梁可以吸收更多的動(dòng)能，并將其轉(zhuǎn)化為同等壓力才達(dá)到峰值的直梁拉應(yīng)力能量。因此，錐形梁具有較高的直梁動(dòng)態(tài)力量。這個(gè)道理同樣可以用來(lái)評(píng)估PDC的設(shè)計(jì)。計(jì)算應(yīng)變能量指標(biāo)是使用一有限元模型。 首先我們模擬殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力是PDC制作工藝中所固有的，同金剛石的抗拉強(qiáng)度大致相等。以一實(shí)驗(yàn)室撞擊事件為模型，在其上施加一模擬靜載荷。在殘余應(yīng)力上疊加上靜荷載，然后調(diào)整靜載荷直到殘余應(yīng)力達(dá)到先前確定的鉆石表面級(jí)別的最大拉伸應(yīng)力大小。然后利用這個(gè)有限元模型來(lái)計(jì)算存儲(chǔ)在刀具中的復(fù)合型負(fù)載的總應(yīng)變能。市售的PEA套件就是用于此研究。該軟件假定材料是線(xiàn)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(yīng)P型有限元方法就是用來(lái)解決方案7。該材料的這種分析性能列于表1。每個(gè)PDC只有四分之一被做成模型以節(jié)約計(jì)算空間。軸對(duì)稱(chēng)邊界條件被應(yīng)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(yàn)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(yīng)力的計(jì)算中，更具有限制性。然而，大多數(shù)殘余應(yīng)力的位移發(fā)生在鉆石和硬質(zhì)合金界面上并且遠(yuǎn)離刀具基座，因而，幾乎沒(méi)有影響9。分析表明，殘余應(yīng)力誤差小于1%。殘余應(yīng)力模型：PDC是在金剛石是碳熱力學(xué)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(gè)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(yīng)速率，從而引起殘余應(yīng)力的顯著提升。簡(jiǎn)單的溫度變化可以用來(lái)模擬燒結(jié)后壓力和溫度變化的聯(lián)系。當(dāng)溫度變化到-380 C 時(shí)對(duì)于所有元素的模型，實(shí)驗(yàn)測(cè)量與殘余應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果非常相符11。一個(gè)三維的四分之一PDC殘余應(yīng)力模型剖面圖如圖1所示。這種刀具直徑13毫米，長(zhǎng)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(yīng)力（第一主應(yīng)力）?；w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(kuò)張（紅色）而金剛石向內(nèi)收縮（藍(lán)色）。該異常發(fā)生于刀具外徑附近。在此處，刀具開(kāi)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(yīng)力使刀具弱化。此區(qū)域上的高拉應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鉆石層的分層和剝落，特別是對(duì)于PDC平界面上的金剛石厚膜。應(yīng)變能量模型： 應(yīng)變能模型模擬了實(shí)驗(yàn)室回落沖擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)試PDC強(qiáng)度。在刀面的一個(gè)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(xiàn)壓力負(fù)載。負(fù)載區(qū)是離盤(pán)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(gè)值是在PDC和PDC斷裂試驗(yàn)中，磚石的拉力極限。使負(fù)載壓力達(dá)到峰值550MPa的是刀面的靜壓力。這個(gè)靜壓力同時(shí)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(shí)包括余壓和靜壓力。這是計(jì)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(yīng)變能是通過(guò)測(cè)量動(dòng)態(tài)強(qiáng)度獲得的。應(yīng)變能的分布圖如圖三所示。磚石桌很堅(jiān)硬并且不會(huì)在負(fù)載下受到破壞。因此對(duì)磚石桌而言應(yīng)變能測(cè)量時(shí)的受力是很小的?；逑鄬?duì)更有承受力，所以可以存儲(chǔ)一些能量。刀具的應(yīng)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(fù)載下的醉倒拉力圖三：1313PDC刀具表平面的應(yīng)變能分布圖向下沖擊實(shí)驗(yàn)：我們已經(jīng)發(fā)明實(shí)施了一種通過(guò)用從可控制的高度落下重物施加在刀具邊緣來(lái)標(biāo)定刀具的壓力的沖擊試驗(yàn)方法。在這個(gè)沖擊試驗(yàn)中，底盤(pán)由于塑性形變來(lái)使重物發(fā)生一個(gè)可控的減速并以此產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的沖擊負(fù)載。刀片被放置在一個(gè)15度傾斜的斜面上，沖壓方向就是實(shí)際鉆頭前進(jìn)的方向（見(jiàn)圖4）。這就可以在在典型鉆頭的垂直方向模擬一個(gè)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(lái)演示這個(gè)測(cè)試。它是由一個(gè)采用閉合回路運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的放置在0.5mm高度的20kg的落錘組成。當(dāng)落錘達(dá)到正確的高度時(shí)就通過(guò)解除磁力使其下落。之后將刀片固定在通過(guò)熱處理（使D2工具鋼達(dá)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(guò)測(cè)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(duì)應(yīng)700gs的最大加速度，并且隨能量的下降線(xiàn)性減少（如圖6所示）。圖7所示的是持續(xù)1毫秒的100J標(biāo)準(zhǔn)沖擊負(fù)載所產(chǎn)生的加速度。圖8所示的是在相應(yīng)下落能量下對(duì)1313PDC刀片的平面進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，產(chǎn)生的斷裂率結(jié)果，其中斷裂率是通過(guò)刀片表面破碎面積的百分比來(lái)表示的。其中斷裂率超過(guò)30%就可視為抗斷裂性失效。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)表示對(duì)個(gè)體刀片進(jìn)行十次沖擊實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果。要是判定為抗斷裂性失效，則在數(shù)據(jù)點(diǎn)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(lèi)型（圖8中的MF表示“大量斷裂”）。圖表頂部是在每個(gè)能量級(jí)別下測(cè)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(biāo)注的計(jì)算所得的平均值用來(lái)表示對(duì)應(yīng)的沖擊強(qiáng)度。從數(shù)據(jù)中我們發(fā)現(xiàn)兩個(gè)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(cè)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(shuō)明該實(shí)驗(yàn)必須能在每次單獨(dú)的沖擊后記錄數(shù)據(jù)，然后再進(jìn)行第二、第三次試驗(yàn)。之后重復(fù)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(fù)荷載是一般的碎裂方式。圖9就表現(xiàn)了一個(gè)典型的對(duì)應(yīng)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(jī)的，圖10即是一個(gè)典型的模型。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)示意圖圖五：落塔裝置圖六：落塔加速度和撞擊能量的關(guān)系圖七：100J的撞擊事件中加速傳感器的記錄圖八：1313號(hào)PDC刀具平界面上的的落沖實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果：運(yùn)用應(yīng)變能源技術(shù)對(duì)八個(gè)PDC刀具的設(shè)計(jì)進(jìn)行了評(píng)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的變量。每個(gè)刀具的直徑和整體高度固定為13毫米。為每個(gè)設(shè)計(jì)刀具的測(cè)試進(jìn)行應(yīng)變能的計(jì)算。該值計(jì)算的是儲(chǔ)存在四分之一模型中的總的應(yīng)變能。它假設(shè)整個(gè)刀具吸收的總應(yīng)變能為四分之一刀具儲(chǔ)存的應(yīng)變能的四倍。每個(gè)設(shè)計(jì)制作出來(lái)用來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室耐沖擊性的測(cè)試。類(lèi)似圖8，該圖是有每個(gè)刀具的測(cè)試結(jié)果生成的。通過(guò)計(jì)算平均剝落面面積的算法計(jì)算每個(gè)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(duì)于每個(gè)刀具的類(lèi)型通過(guò)燒結(jié)過(guò)程中的變量如時(shí)間，溫度，壓力等方面進(jìn)行了比較。大約做了200個(gè)刀具通過(guò)破壞性測(cè)試來(lái)進(jìn)行比較。應(yīng)變能大小的計(jì)算，等效靜載荷，沖擊后剝落的面積列于表2中。應(yīng)變能的大小與平均剝落面積的關(guān)系見(jiàn)圖11。由圖可見(jiàn)刀具擁有越高的應(yīng)變能就有更高的耐沖擊性（即較小的面積虧損）。此直線(xiàn)表明，應(yīng)變能與剝落面積之間呈正相關(guān)。該結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠很好的相符（R=0.73）。計(jì)算靜態(tài)強(qiáng)度(等效靜載荷)對(duì)于剝落面積的曲線(xiàn)圖如圖12。其相關(guān)度不如應(yīng)變能好（R=0.62）。殘余應(yīng)力的狀態(tài)會(huì)強(qiáng)烈影響應(yīng)變能和靜態(tài)強(qiáng)度的變化。金剛石表面擁有的殘余壓應(yīng)力的越高，能承受的靜荷載也就越高，直到達(dá)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(huì)具有較高的殘余壓應(yīng)力。該金剛石膜層可以在整個(gè)刀具上都很薄也能只在出現(xiàn)應(yīng)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(gè)箍型，這樣也能在其表面具有較高的殘余壓應(yīng)力。薄膜刀具在工業(yè)中往往不被采用，因?yàn)檫@樣降低了刀具的使用壽命。箍型設(shè)計(jì)通過(guò)增加更多金剛石在刀具外徑上而避免了這個(gè)問(wèn)題。然而，箍型設(shè)計(jì)在釬焊上又會(huì)導(dǎo)致一些問(wèn)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(zhǎng)會(huì)增長(zhǎng)金剛石表面的殘余壓應(yīng)力，而釬焊溫度增長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致其表面殘余拉應(yīng)力。釬焊溫度導(dǎo)致的拉力會(huì)導(dǎo)致金剛石層的斷裂。圖十一：應(yīng)變能大小與耐沖擊性的關(guān)系圖十二：等效靜載荷的大小與耐沖性的關(guān)系因此，必須找到最大殘余壓應(yīng)力和耐沖擊性之間的一些平衡點(diǎn)，以制造出能夠釬焊的PDC。另外一個(gè)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(jiān)硬的金剛石對(duì)比于硬質(zhì)合金襯底提供較少的能量存儲(chǔ)。由表2中計(jì)算得出具有最低應(yīng)變能的刀具擁有一個(gè)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(guò)非平面界面以提高其對(duì)于能量的存儲(chǔ)。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(huì)極大的改變殘余應(yīng)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(yīng)變能和靜載荷與耐沖強(qiáng)度之間相關(guān)性的差異。需要注意的是，應(yīng)變能的計(jì)算值，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)室落沖撞擊的能量級(jí)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(shí)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(yīng)變能之間的關(guān)系是可識(shí)別的，但并非完美，是目前制造過(guò)程中誤差來(lái)源之一。根據(jù)不同刀具的設(shè)計(jì)及幾何形狀，參數(shù)如燒結(jié)壓力，溫度，時(shí)間略有不同。所有的嘗試都是用來(lái)控制刀具在測(cè)試中的這些差異。然而，工藝的變化肯能會(huì)導(dǎo)致“異常”圖像到達(dá)右側(cè)如圖11所示。這個(gè)刀具有著4毫米厚的金剛石膜層和一個(gè)特殊的表面用以盡量介紹殘余應(yīng)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(méi)有其他包裹著薄層金剛石的刀具那么強(qiáng)。另一個(gè)潛在的誤差來(lái)源是有限元模型假設(shè)。隱式軸對(duì)稱(chēng)邊界條件假設(shè)負(fù)載施加