油田钻探用PDC热残余应力及界面结构优化研究

摘要

聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact，简称PDC)钻头因具有极高的耐磨性、抗冲击韧性以及锐利的切削刃，在地质和石油钻探中受到了广泛的应用。但目前国内外油田上所使用的复合片有80％的非正常失效断裂是由于PDC的残余应力致裂及界面结构问题引起的，热残余应力是造成PDC非J下常失效的主要因素。针对上述问题，结合博士点基金项目“油田钻探用金刚石复合片热残余应力致裂与止裂研究”(20070533113)，本文采用理论分析、数值计算、实验研究和现场测试与应用相结合的方法，对油田钻探用PDC热残余应力及界面结构优化问题进行了系统深入的研究。主要研究内容如下：
　　 (1)针对金刚石与粘结金属之间的界面结合问题，对PDC复合机理以及复合机理、合成技术对界面强度的影响作了深入系统的研究，这为PDC残余应力、面结构等的研究提供了先决条件。
　　 (2)根据PDC合成过程中的热力学规律及弹性理论，建立了平界面结构PDC热残余应力理论模型，推导出复合材料界面剪应力和金刚石层内正应力的理论计算公式，得出对残余应力起决定因素的是金刚石与硬质合金的热膨胀系数差值。通过数值计算方法，对平界面结构PDC热残余应力的大小及分布规律等作了详细的计算和分析，得到了PCD(Polycrystalline Diamond)层厚度与热残余应力、变形之间的相互关系。
　　 (3)利用理论分析、有限元数值计算等方法，对PDC界面精细结构及性质、界面反应的控制以及界面结构对力学性能的影响规律作了深入研究，对不同界面结构PDC热残余应力分布规律作了详细的计算和分析，给出了热残余应力与界面结构之间的相互关系，并在此基础上对PDC界面结构进行了优化设计。
　　 (4)通过改进的应力释放法、x射线衍射法和Raman光谱法，结合有限元与曲线拟合等数值方法，成功得到了金刚石层表面和界面各点的热残余应力值及其完整的分布规律，且测试结果均与有限元数值计算结果相吻合。本文所用实验方法克服了传统PDC残余应力测量方法中只能测有限几个点的弊端，为PDC刀具的优化设计提供了实验基础，并为准确测试PDC的其他应力，如环向应力等，提供了参考。
　　 (5)针对国内PDC耐磨性测试方法中称量法存在较大误差的缺陷，对PDC耐磨性测试方法进行了改进，采用显微镜测量磨耗面边长来计算出磨耗量，从而得到PDC的磨耗比。通过对测量法与称量法测试数据的比较，证明测量法误差小，数据精确，代替天平称重法是完全可行的。另外，对PDC测试部位几何形状对耐磨性测试结果的影响作了实验研究，结果表明对同一片PDC，测试部位几何角度越大，测出的磨耗比越高，测试部位为未经切割的圆弧时，磨耗比最高。本文研究为精确测定PDC耐磨性提供了实验依据。
　　 (6)利用Instorn1342材料试验机，采用单轴压缩实验，成功得到了PCD材料的弹性模量、泊松比值。与超声波速率测量法和自由振动频率测量法相比，该方法简单、可靠，测试费用低。利用Instron1342伺服材料试验机以及SHPB装置，成功实现了对PDC从静态→准动态→动态的加载过程，得到了不同加载速率下PDC的侧压强度以及加载速率与侧压强度之间的相关关系，实验结果表明PDC的侧压强度随着加载速率的提高而提高，出现三个最主要阶段的变化：即静态强度、准动态强度以及动态强度(应变率分别为10-6、10-2、和102量级)，其中准动态侧压强度为静态侧压强度的7.3倍，而动态侧压强度为静态侧压强度的52.4倍。另外，通过二次破坏性冲击加载的方式，成功得到了PDC试样损伤前后的侧压强度值以及PDC损伤与加载速率、PCD层厚度之间的相关关系。实验结果说明，加载速率越高，PCD层越厚，由冲击载荷引起的PDC内部损伤就越严重。
　　 (7)将近十几年来出现的功能梯度材料的概念设计方法引入到PDC的设计中来，将非平面连接技术与梯度过渡技术相结合，综合考虑热残余应力、使用性能及合成工艺三方面因素，设计、研制了高品质的内置过渡层结构PDC，克服了平面结构PDC在残余应力方面所存在的问题，并通过数值计算和实验，证明了该产品的优异性能，成功申请了该产品的实用新型专利。
　　 (8)在研究了PDC钻头的碎岩机理以及影响PDC切削齿受力因素的基础上，建立了精确的PDC切削齿受力模型，为PDC钻具工作参数的合理设置提供了依据。同时，对PDC现场使用中的相关问题作了深入探讨，并用内置过渡层结构复合片制作的钻头进行了油田现场钻井实验，取得了相当好的使用效果。
　　 本文结合工程中的重大力学问题，综合运用物理、数学、力学理论及方法，结合数值计算工具和先进的实验手段，对油田钻探用PDC热残余应力的分布规律和控制理论及界面结构优化问题进行了深入研究。得到的研究成果对PDC热残余应力的致裂与止裂研究具有重要意义，为有效降低PDC热残余应力，优化PDC界面结构，提高PDC生产合格率及使用寿命，从而降低油田钻探成本，提供了理论与实验依据。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 PDC研究概况及发展趋势

1.2.1 PDC的应用现状及发展趋势

1.2.2 PDC的制造方法及分类

1.2.3 影响PDC力学性能的因素及改进方法

1.2.4 PDC界面结构对其力学性能的影响研究--现状及发展趋势

1.2.5 PDC性能检测及发展趋势

1.3 本文主要研究内容

第二章 PDC复合机理及合成技术对界面强度的影响

2.1 引言

2.2 PDC复合机理

2.3 PDC界面结合强度的影响因素研究

2.3.1 PDC界面组织对界面结合强度的影响

2.3.2 金刚石颗粒大小对界面结合强度的影响

2.3.3 烧结工艺对界面结合强度的影响

2.3.4 金刚石-钴熔体的相互润湿作用对界面结合强度的影响

2.4 本章小结

第三章 平界面PDC热残余应力分布规律研究

3.1 引言

3.2 平界面PDC热残余应力理论分析

3.3 平界面PDC热残余应力数值分析

3.3.1 平界面PDC热残余应力有限元计算

3.3.2 PCD层厚度与热残余应力关系研究

3.4 平界面PDC变形分析

3.5 本章小结

第四章 PDC界面结构的力学性能及优化研究

4.1 引言

4.2 界面性质的表述

4.2.1 金刚石与金属(或合金)界面结合力

4.2.2 界面热力学

4.2.3 界面动力学

4.3 PDC不同界面形态及力学性能的比较研究

4.4 不同界面结构PDC热残余应力分析

4.4.1 不规则界面结构PDC热残余应力分析

4.4.2 简单不规则界面结构PCD尺寸与残余应力关系研究

4.5 PDC界面结构优化研究

4.5.1 界面结构的确定

4.5.2 不同PDC界面热残余应力的数值分析及比较

4.6 本章小结

第五章 PDC热残余应力及力学性能测试方法研究

5.1 引言

5.2 PDC热残余应力测试方法研究

5.2.1 PDC热残余应力测试方法概述

5.2.2 应力释放法测PDC热残余应力研究

5.2.3 X射线衍射测试PDC表面残余应力的实验研究

5.2.4 Raman光谱法测PDC热残余应力实验研究

5.3 PDC力学性能测试研究

5.3.1 PCD弹性模量、泊松比的测定

5.3.2 PDC耐磨性测试方法研究

5.3.3 加载速率对PDC侧压强度的影响规律研究

5.3.4 冲击损伤对PDC侧压强度的影响规律研究

5.4 本章小结

第六章 高品质油田钻探用PDC优化设计

6.1 引言

6.2 功能梯度材料(FGM)概述

6.2.1 功能梯度材料的特征

6.2.2 功能梯度材料的设计

6.3 内置过渡层PDC的设计与热残余应力分析

6.3.1 界面结构的确定

6.3.2 过渡层及材料百分比的确定

6.3.3 内置过渡层PDC热残余应力分析

6.4 内置过渡层PDC的合成研究

6.4.1 PDC制造方法的选择

6.4.2 PDC原材料选择及预处理工艺

6.4.3 内置过渡层PDC合成工艺选择

6.4.4 复合片的后处理工艺

6.5 内置过渡层PDC性能实验研究

6.5.1 力学性能测试

6.5.2 微观结构分析

6.6 本章小结

第七章 PDC钻头工程力学分析与油田钻探应用研究

7.1 引言

7.2 PDC钻头的碎岩机理与切削岩石特点

7.2.1 PDC钻头的碎岩机理

7.2.2 PDC钻头切削岩石特点

7.3 影响PDC钻头切削齿上受力的因素分析

7.3.1 PDC钻头冠部形状的影响

7.3.2 切削齿磨损的影响

7.4 PDC钻头失效的主要形式及机理

7.5 PDC钻头切削齿受力模型的建立

7.5.1 单元体切削的理论模型

7.5.2 井底条件下的单刃齿切削力模型

7.5.3 切削齿上力的合成

7.6 PDC钻头现场使用研究

7.6.1 PDC钻头的特征分析

7.6.2 PDC钻头的优选方法

7.6.3 油田钻井实验情况

7.7 本章小结

第八章 结论与展望

8.1 全文结论

8.2 进一步研究展望

参考文献

附录 实用新型专利证书

致谢

攻读博士期间发表的主要学术论文及成果