【摘要】：聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭在油氣鉆井中應(yīng)用廣泛,占油氣鉆井總進(jìn)尺量的65%以上。其主要應(yīng)用于軟到中硬、非研磨性地層的鉆進(jìn)工作,但在堅(jiān)硬、強(qiáng)研磨性和軟硬互層等非均質(zhì)地層中,仍然存在鉆速低、壽命短的難題。復(fù)合片的主要損壞形式之一為金剛石層碎裂。為解決此問題,應(yīng)提高復(fù)合片金剛石層的抗裂紋擴(kuò)展能力。本文研究的聚晶金剛石復(fù)合片中,金剛石層采用纖維獨(dú)石結(jié)構(gòu)。纖維獨(dú)石結(jié)構(gòu)是由連續(xù)纖維胞體和胞體之間的分隔層(簡(jiǎn)稱界面層)所組成,其中纖維胞體是基體結(jié)構(gòu)單元,主要由體積比94%金剛石與體積比6%鈷組成,具有良好的耐磨性。界面層相對(duì)結(jié)合較弱,主要由體積比94%碳化鎢和體積比6%鈷組成,主要起誘導(dǎo)裂紋偏轉(zhuǎn)的作用,使裂紋鈍化、增大裂紋表面、消耗斷裂能,從而實(shí)現(xiàn)增韌的目的。本文通過對(duì)天然竹木纖維的研究,探究纖維獨(dú)石結(jié)構(gòu)的幾何形貌。通過Material Studio軟件計(jì)算所需材料的力學(xué)性能及熱學(xué)性能參數(shù)。取出纖維獨(dú)石代表性單元,利用有限元法對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能及熱學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)考慮成本因素對(duì)纖維獨(dú)石結(jié)構(gòu)材料的纖維胞體及界面層的配比的影響。設(shè)定形狀為六邊形纖維胞體其中一個(gè)內(nèi)角的一半為α,最終綜合以上結(jié)果,確定纖維獨(dú)石代表性單元角度α的范圍為60°α80°,界面層所占橫截面面積比例為0.3-0.35之間。為了制備金剛石復(fù)合片纖維獨(dú)石結(jié)構(gòu)層,采用粉末擠出成型工藝。為此,需優(yōu)選作為粘結(jié)劑材料的聚合物并對(duì)其性能進(jìn)行研究。由聚合物的物理狀態(tài)和力學(xué)性質(zhì)選取所用聚合物,同時(shí)確定聚合物與粉末的混合方法。為了準(zhǔn)確設(shè)計(jì)模具和確定合理的工藝參數(shù),對(duì)聚合物和粉末的混合物進(jìn)行了一系列的性能測(cè)試,包括熱失重、熱差重、流變性能、熱傳導(dǎo)性能以及拉伸性能。熱差重測(cè)試是為了選取所用聚合物,確定選用聚合物為EEA;熱失重測(cè)試是為了確定排膠時(shí)的工藝參數(shù),確定排膠最高溫度為550℃;流變性能和拉伸性能測(cè)試是為了合理設(shè)計(jì)所用模具;熱傳導(dǎo)性能測(cè)試是確定所用混合物的各項(xiàng)熱傳導(dǎo)參數(shù)值,以合理選擇控溫工藝。為了加工出金剛石復(fù)合片纖維獨(dú)石結(jié)構(gòu)層,設(shè)計(jì)了五種模具。通過流變性能測(cè)試優(yōu)化出模具出口處的角度為45°。為滿足退模需要,模具擠出桿選取螺栓與螺母,并根據(jù)實(shí)際操作過程,通過模擬模具螺栓沿路徑上的應(yīng)力分布、Workbench安全工具分析以及假設(shè)微裂紋存在對(duì)模具合理性進(jìn)行分析,確定所設(shè)計(jì)的模具具有合理性。纖維獨(dú)石結(jié)構(gòu)層擠出成型過程中需要控制其工藝參數(shù),主要是溫度的控制,因此設(shè)計(jì)可控溫的加熱裝置。確定加熱時(shí)間大約為10分鐘到15分鐘,溫度達(dá)到130℃-150℃之間,可根據(jù)每種模具的擠出形態(tài)調(diào)整加熱時(shí)間。在制作加工纖維獨(dú)石結(jié)構(gòu)材料的過程中,模具的清洗需采用丙酮、乙醇、水分別進(jìn)行除油、取出有機(jī)物、冷卻等工序,因此引入了一定量的有機(jī)雜質(zhì)。同時(shí)在EEA分別與碳化鎢粉末與金剛石粉末混合的過程中加入大量甲苯,雖盡可能除去,但還有一定量的殘留。同時(shí)聚合物中不僅含有EEA,還含有少量的塑化劑MPEG-750。因此,排膠升溫過程控制為六段,在排膠的過程中主要控制升溫速率,以使擠出成型的纖維獨(dú)石結(jié)構(gòu)不發(fā)生分散。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TE921

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