金刚石复合片纤维独石结构层的优化设计与制备工艺

发布时间：2018-11-08 20:26

【摘要】：聚晶金刚石复合片钻头在油气钻井中应用广泛,占油气钻井总进尺量的65%以上。其主要应用于软到中硬、非研磨性地层的钻进工作,但在坚硬、强研磨性和软硬互层等非均质地层中,仍然存在钻速低、寿命短的难题。复合片的主要损坏形式之一为金刚石层碎裂。为解决此问题,应提高复合片金刚石层的抗裂纹扩展能力。本文研究的聚晶金刚石复合片中,金刚石层采用纤维独石结构。纤维独石结构是由连续纤维胞体和胞体之间的分隔层(简称界面层)所组成,其中纤维胞体是基体结构单元,主要由体积比94%金刚石与体积比6%钴组成,具有良好的耐磨性。界面层相对结合较弱,主要由体积比94%碳化钨和体积比6%钴组成,主要起诱导裂纹偏转的作用,使裂纹钝化、增大裂纹表面、消耗断裂能,从而实现增韧的目的。本文通过对天然竹木纤维的研究,探究纤维独石结构的几何形貌。通过Material Studio软件计算所需材料的力学性能及热学性能参数。取出纤维独石代表性单元,利用有限元法对其进行力学性能及热学性能优化设计。同时考虑成本因素对纤维独石结构材料的纤维胞体及界面层的配比的影响。设定形状为六边形纤维胞体其中一个内角的一半为α,最终综合以上结果,确定纤维独石代表性单元角度α的范围为60°α80°,界面层所占横截面面积比例为0.3-0.35之间。为了制备金刚石复合片纤维独石结构层,采用粉末挤出成型工艺。为此,需优选作为粘结剂材料的聚合物并对其性能进行研究。由聚合物的物理状态和力学性质选取所用聚合物,同时确定聚合物与粉末的混合方法。为了准确设计模具和确定合理的工艺参数,对聚合物和粉末的混合物进行了一系列的性能测试,包括热失重、热差重、流变性能、热传导性能以及拉伸性能。热差重测试是为了选取所用聚合物,确定选用聚合物为EEA;热失重测试是为了确定排胶时的工艺参数,确定排胶最高温度为550℃;流变性能和拉伸性能测试是为了合理设计所用模具;热传导性能测试是确定所用混合物的各项热传导参数值,以合理选择控温工艺。为了加工出金刚石复合片纤维独石结构层,设计了五种模具。通过流变性能测试优化出模具出口处的角度为45°。为满足退模需要,模具挤出杆选取螺栓与螺母,并根据实际操作过程,通过模拟模具螺栓沿路径上的应力分布、Workbench安全工具分析以及假设微裂纹存在对模具合理性进行分析,确定所设计的模具具有合理性。纤维独石结构层挤出成型过程中需要控制其工艺参数,主要是温度的控制,因此设计可控温的加热装置。确定加热时间大约为10分钟到15分钟,温度达到130℃-150℃之间,可根据每种模具的挤出形态调整加热时间。在制作加工纤维独石结构材料的过程中,模具的清洗需采用丙酮、乙醇、水分别进行除油、取出有机物、冷却等工序,因此引入了一定量的有机杂质。同时在EEA分别与碳化钨粉末与金刚石粉末混合的过程中加入大量甲苯,虽尽可能除去,但还有一定量的残留。同时聚合物中不仅含有EEA,还含有少量的塑化剂MPEG-750。因此,排胶升温过程控制为六段,在排胶的过程中主要控制升温速率,以使挤出成型的纤维独石结构不发生分散。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE921

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 汤凤林;复合体基本知识讲座 第二讲 国外复合片钻进现状(一)[J];煤田地质与勘探;1983年06期

2 黎明发;张力;吴永桥;孙振亚;范端;田旭;叶先贤;;金刚石复合片的性能检测及发展趋势[J];武汉理工大学学报(信息与管理工程版);2007年06期

3 齐艳华;;一种适用于煤田地层钻探的超硬复合片的研制[J];西部探矿工程;2008年07期

4 王德新;卢炳秀;;对复合片生长型结构的理解与认识[J];超硬材料工程;2009年01期

5 李田军;鄢泰宁;勃其斯基А.М.;;复合片破碎岩石载荷分析及其试验[J];煤田地质与勘探;2012年04期

6 缪青维;钻井条件下复合片的自锐问题[J];磨料磨具与磨削;1992年01期

7 叶玉屏,周连科,蔡家品;带保护层新型金刚石复合片的研究[J];探矿工程;1992年03期

8 陈昌富;钻探用复合片抗动载性能的测试方法[J];探矿工程;1992年06期

9 李颖,郝兆印;复合片耐磨性能检测方法的研究[J];金刚石与磨料磨具工程;1997年03期

10 刘书锋;爪型聚晶金刚石复合片的研制[J];探矿工程(岩土钻掘工程);1997年06期

相关会议论文 前7条

1 赵尔信;贾美玲;蔡家品;;国内外钻探用金刚石复合片性能的研究[A];探矿工程（岩土钻掘工程）技术与可持续发展研讨会论文集[C];2003年

2 赵永明;;复合片破碎不同岩石的分析[A];第四届全国岩石破碎学术讨论会论文集[C];1989年

3 张勤俭;曹凤国;翟力军;王先逵;;大面积聚晶金刚石复合片特种加工过程变形分析[A];第十届全国特种加工学术会议论文集[C];2003年

4 李端心;黎明发;张力;;聚晶金刚石复合片显微结构的SEM研究[A];全国首届青年复合材料学术交流会论文集[C];2007年

5 刘媛;张勤俭;叶书强;曹凤国;;聚晶金刚石复合片硬质合金层磨削过程数值模拟[A];中国系统仿真学会第五次全国会员代表大会暨2006年全国学术年会论文集[C];2006年

6 朱明宝;郑伟;;金刚石复合片无芯钻头在苗家坝水电站趾板灌浆钻孔中的应用[A];2013水利水电地基与基础工程技术——中国水利学会地基与基础工程专业委员会第12次全国学术会议论文集[C];2013年

7 贺端威;;金刚石聚晶、复合片在地质石油勘探中的应用综述[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年

相关重要报纸文章 前3条

1 懿卿;2011年广西有色多个项目“结硕果”[N];中国冶金报;2012年

2 懿卿;广西有色金属研发中心取得显著成果[N];中国有色金属报;2012年

3 张文涛 段启国;呕心沥血为专利[N];中国矿业报;2003年

相关硕士学位论文 前10条

1 金灿强;钻探用金刚石复合片抗冲击性能测试装置研究[D];吉林大学;2016年

2 袁媛;添加纳米Co的新型PDC复合片材料试验研究[D];西南石油大学;2016年

3 王殨;金刚石复合片纤维独石结构层的优化设计与制备工艺[D];吉林大学;2017年

4 郑安;国内外复合片成分组织差异分析及机理研究[D];武汉理工大学;2004年

5 倪函;气流膨化马铃薯复合片的工艺研究[D];陕西师范大学;2010年

6 赵京;金刚石复合片温度场可视化测量研究[D];武汉理工大学;2007年

7 胡晓军;交流阻抗谱检测金刚石复合片性能的研究[D];武汉理工大学;2009年

8 贾洪声;熔渗法制备生长型金刚石复合片的研究[D];吉林大学;2008年

9 焦金旭;基于声学原理PDC复合片硬度表征方法的研究[D];中原工学院;2015年

10 李丹;不同粘结剂PcBN复合片的研究[D];四川大学;2007年

，

本文编号：2319599