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聚晶金刚石复合片及其钻头的应用研究

罗德  
【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。


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