聚晶金刚石复合片及其钻头的应用研究

论文摘要

随着材料工业技术水平和PDC钻头设计技术的发展,硬地层PDC钻头技术也在不断提高。而随着石油工业的发展,钻深探井的数量在逐年增加,钻井难度也在逐步加大。深部地层可钻性差、钻井周期长、过高的钻井成本等问题日显突出,这就对PDC钻头的设计提出了更高的要求。本文基于如何提高钻速,降低钻井成本,降低钻头使用数量等技术要求,对聚晶金刚石复合片钻头的钻进过程进行了有限元仿真,研究了影响钻进过程的几个主要因素,同时制定了聚晶金刚石复合片抗冲击性,抗研磨性和热稳定性的性能测试方案,并采用ANSYS软件对PDC残余热应力的主要影响因素进行分析。通过考虑PDC钻头切削角度、切削速度和钻进速度对钻进过程的影响,利用LS-DYNA 3D对聚晶金刚石复合片钻头钻进岩层的过程进行了模拟,建立了切削角度的变化与钻进效率之间的关系,研究了切削速度和钻进速度等钻进参数对PDC钻头钻进过程的影响；利用ANSYS进行有限元分析,分析了影响PDC残余热应力的几个影响因素；制定了PDC抗冲击性,抗研磨性和热稳定性的性能测试方案,并应用LS-DYNA软件对PDC的抗冲击过程进行了数值模拟。在较大冲击工况条件下,应适当降低冲击速度来提高PDC的抗冲击性能；随着硬质合金层厚度的增加,基体受到的应力会越分散,硬质合金层对冲击起到了缓冲作用,同时金刚石层与硬质合金层界面附近的应力分布越趋均匀；硬质合金层越薄,其底面越易受到集中应力的作用,会影响PDC齿的焊接质量,从而影响PDC钻头的使用寿命。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题概述
• 1.1.1 课题的题目及来源
• 1.1.2 课题研究的背景
• 1.1.3 聚晶金刚石复合片国内外研究现状
• 1.2 残余热应力
• 1.3 有限元数值模拟技术
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 聚晶金刚石复合片的性能研究
• 2.1 聚晶金刚石复合片的应用
• 2.2 聚晶金刚石复合片的制备
• 2.3 聚晶金刚石复合片性能测试研究
• 2.3.1 抗冲击测试
• 2.3.2 耐磨性能测试
• 2.3.3 热稳定性测试
• 第3章 PDC残余热应力影响因素分析
• 3.1 有限单元法的工作原理
• 3.2 PDC残余应力有限元分析前处理
• 3.2.1 几何模型的建立
• 3.2.2 材料模型
• 3.2.3 网格划分
• 3.2.4 边界条件和载荷设置
• 3.3 PDC的残余应力的影响因素分析
• 3.3.1 金刚石层与硬质合金层的厚度比值对残余热应力的影响
• 3.3.2 烧结温度的波动对残余热应力的影响
• 3.3.3 后处理方式
• 3.3.4 后期热处理工艺
• 3.4 本章小结
• 第4章 PDC钻头的破岩过程研究
• 4.1 PDC钻头钻进过程仿真
• 4.1.1 几何模型的建立
• 4.1.2 材料模型
• 4.1.3 网格划分与接触设置
• 4.1.4 边界条件和载荷设置
• 4.1.5 基本假设
• 4.1.6 钻进过程模拟结果分析
• 4.2 PDC钻头切削角度对钻进效率的影响
• 4.3 切削速度对PDC钻头钻进岩层的影响
• 4.4 钻进速度对PDC钻头钻进岩层的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 PDC抗冲击性能研究
• 5.1 PDC冲击有限元模拟
• 5.1.1 LS-DYNA中的接触界面模拟注意事项
• 5.1.2 基于LS-DYNA的PDC冲击模拟前处理
• 5.2 结果分析
• 5.2.1 PDC冲击碰撞过程分析
• 5.2.2 冲击速度对PDC冲击性能的影响
• 5.2.3 PDC基体厚度对PDC冲击性能的影响
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 全文总结
• 6.2 存在的问题和今后的任务
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢