小口径PDC钻头制造与焊接强度检测研究

论文摘要

本论文对小口径PDC钻头的整个制作过程做了详细的试验研究。采用高频焊接、中频焊接、氧—乙炔焰三种焊接方法,各自焊接不同型号的小口径PDC钻头,还进行了复合片直接烧结于基体的PDC钻头制造的可行性试验。根据复合片形状,以液压传动理论和机械设计理论为基础,设计出一套比较完整的PDC钻头复合片焊接强度检测设备的设计方案、检测方法及检测程序。并加工、组装成一台完整的检测设备,对试验PDCΦ75/49地质单管钻头和PDCΦ77/49绳索取芯钻头复合片焊接强度进行检测。将检测合格的钻头拿到现场使用,观察其钻进时效和使用寿命,对比现场同时使用的电镀金刚石钻头和热压孕镶金刚石钻头及合金钻头的性能。本课题主要对以下几个方面进行了研究:1.对中频焊接在PDC钻头制作过程中的应用,进行了探索性的研究。在相应的夹具配合下,中频焊接能够实现钻头的整体焊接,大大提高焊接效率。焊接质量稳定,值得推广运用。2.根据钻进对象,设计相应的烧结体配方,选择烧结工艺参数和保径方式。并严格按照焊接工艺程序,分别采用高频焊接、中频焊接、氧—乙炔焰焊接三种焊接方法进行PDC钻头的焊接。三种焊接方法各有优缺点,但只要焊接工艺选取得当,三种焊接方法都能够满足PDC钻头的工作要求。3.随着复合片制造技术的进步,使得将复合片直接烧结在基体上的PDC钻头的制造方法成为可能。为验证这一方法的可行性,本课题设计相应的基体配方和烧结工艺参数,用这一方法制造2个PDC钻头。结果表明:复合片与基体连接强度达到工作要求,但聚晶层与合金层剥离,且热损伤严重,这种方法不可行。需对基体配方和烧结工艺参数选择作进一步研究。4.结合检测工具具体工作要求,通过几种设计方案对比,提出一套比较完整的工具设计方案、检测方法及检测程序。提出检测工具主要的结构设计参数、功能设计参数、加工材料型号,并加工成样机。对试验生产的PDC钻头复合片焊接强度进行检测。检测结果能够初步反映复合片的焊接质量。5.将试验制造的PDC钻头用于现场钻进灰岩。比较其他种类钻头的钻进时效和使用寿命的差异。结果表明:同型号的PDC钻头的平均寿命是电镀金刚石钻头2～3倍,是热压烧结金刚石钻头的2～2.5倍。平均时效是电镀金刚石钻头1.5～2倍。是热压烧结金刚石钻头的3～4倍。一般情况下对于中软地层,硬质合金钻头的使用寿命为20～30m。远小于PDC钻头。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究意义
• 1.2 国内外PDC钻头研究现状
• 1.3 国内外PDC钻头焊接强度检测研究现状
• 1.4 本论文研究的主要内容
• 1.5 课题的主要技术特点和创新点
• 第二章 复合片钻头制造工艺试验研究
• 2.1 复合片钻头的制作流程
• 2.2 PDC钻头主要参数设计
• 2.3 基体配方设计
• 2.4 石墨模具与钢体设计
• 2.5 热压烧结工艺
• 2.6 复合片焊接
• 2.7 直接烧结复合片钻头试验
• 2.8 本章小结
• 第三章 PDC钻头复合片焊接强度检验
• 3.1 检测工具设计方案
• 3.2 检测工具顶头与PDC钻头夹具设计
• 3.3 检测工具主要设计参数初定
• 3.4 液压缸的设计计算
• 3.4.1 基本参数的确定
• 3.4.2 结构强度计算与稳定校核
• 3.5 手动液压泵的设计计算
• 3.6 检测工具的校正及检测程序的确定
• 3.7 本章小结
• 第四章 PDC钻头的现场试用情况与理论分析
• 4.1 PDC钻头的现场试用情况
• 4.2 PDC钻头的碎岩机理和失效分析
• 4.3 PDC钻头与其它类型钻头性能差异对比分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要研究成果