基體界面形狀對PDC殘余應(yīng)力數(shù)值模擬研究*

2023-07-22 05:08:08楊雄文柯曉華劉寶昌涂建波

石油機械 2023年7期

楊雄文彭齊馮梟劉宇柯曉華劉寶昌涂建波

(1.中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院 3.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院)

0 引言

近年來，我國油氣資源供需缺口日益加大，原油對外依存度已超過70%，天然氣對外依存度已接近45%[1]。隨著油氣開發(fā)的深入，鉆探工作已經(jīng)朝著深井、超深井的方向發(fā)展。作為目前應(yīng)用最為廣泛的鉆頭，PDC鉆頭的進尺占油氣鉆井總進尺比例已經(jīng)超過了90%[2]，但PDC鉆頭常用于軟到中硬巖層的鉆進，在深部鉆探中仍然存在鉆速低、壽命短的問題。為了滿足深部復(fù)雜地層對高效長壽命鉆頭的需求，急需研制綜合性能優(yōu)異的鉆頭材料。在深部堅硬、強研磨性地層中，影響金剛石復(fù)合片鉆頭使用性能的主要因素是高接觸壓力和巖石的強研磨性。上述因素將導(dǎo)致PDC鉆頭的聚晶金剛石層與巖石接觸面的摩擦溫度過高，使聚晶層強度降低、磨損加快，很容易出現(xiàn)脫層、熱磨損等失效現(xiàn)象，從而導(dǎo)致PDC鉆頭的使用壽命縮短[3-5]。研究還發(fā)現(xiàn)[6-7]：導(dǎo)致PDC熱失效的一個主要內(nèi)部因素是殘余應(yīng)力的存在；由于金剛石和硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)、彈性模量差距較大，高溫高壓燒結(jié)后，復(fù)合片在冷卻過程中很容易在界面處出現(xiàn)較高的殘余熱應(yīng)力，導(dǎo)致強度降低。特別是在強大的外力或較大的溫度變化下，金剛石層很容易從硬質(zhì)合金層上脫落。因此，研究PDC中殘余應(yīng)力的分布規(guī)律以及改善殘余應(yīng)力分布的方法，對提升PDC自身的性能很有必要。

為了研究基體界面形狀對PDC殘余應(yīng)力分布的影響，筆者以常規(guī)平面界面PDC與新型凸起型界面PDC進行數(shù)值模擬熱傳導(dǎo)、殘余應(yīng)力分布規(guī)律分析研究，并對2種不同界面的PDC進行熱處理，研究界面結(jié)構(gòu)對PDC殘余應(yīng)力及熱穩(wěn)定性的影響。

1 硬質(zhì)合金基體結(jié)構(gòu)設(shè)計

平面型PDC在高溫高壓條件下燒結(jié)之后，冷卻期間容易在界面處存在較大的殘余應(yīng)力[8]。為了保障燒結(jié)的PDC性能和質(zhì)量，降低內(nèi)部存在的殘余應(yīng)力，美國GE公司的D.M.JOHNSON等[9]開發(fā)了一種鋸齒形界面硬質(zhì)合金基體(見圖1)，可以使燒結(jié)的PDC強度有所改善。它的原理是通過鋸齒形的界面，使PDC齒外緣的聚晶金剛石層(PCD)更厚，同時鋸齒形結(jié)構(gòu)還可以分散界面應(yīng)力，從而降低溫度變化或嚴重沖擊時聚晶金剛石復(fù)合片開裂或分層的可能性。

圖1 鋸齒形復(fù)合片示意圖Fig.1 Schematic diagram of sawtooth compact

但是硬質(zhì)合金基體與聚晶金剛石層的材料屬性存在著較大差異，所以D.M.JOHNSON等設(shè)計的這種尖角形界面更容易造成殘余應(yīng)力的集中，而且由于基體尖銳的形狀，也容易受到?jīng)_擊應(yīng)力的影響。為了避免尖角形界面存在的缺點，本文采用如圖2所示的矩形凸起設(shè)計，所有矩形凸起布置在直徑10 mm的內(nèi)圓中，10～13 mm區(qū)間內(nèi)仍采用平面形設(shè)計。

圖2 硬質(zhì)合金基體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of tungsten carbide matrix structure

由于PDC界面承受載荷的能力與應(yīng)力方向有關(guān)，當應(yīng)力的方向與鋸齒或溝槽的方向平行時，PDC承載能力較低；當應(yīng)力方向與鋸齒或溝槽的方向垂直時，其承載能力較高?？梢姳疚脑O(shè)計均勻分布的矩形角凸起可以保證無論應(yīng)力方向是哪個角度，都可以有效地分散應(yīng)力，顯著提高復(fù)合片的承載力。同時，為了減小由于基體與聚晶金剛石層膨脹系數(shù)不一致而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，特別設(shè)計矩形角凸起處鈷含量為3%～8%，而基體內(nèi)部的鈷含量為15%～16%。

2 PDC熱應(yīng)力建模

采用順序耦合熱應(yīng)力分析方法，利用有限元分析軟件ABAQUS模擬PDC高溫冷卻應(yīng)力場變化[10]。

對硬質(zhì)合金基體三維建模。設(shè)定基體外徑為13 mm，在內(nèi)部直徑10 mm范圍內(nèi)均勻分布0.5 mm的凸起；同時，聚晶金剛石層直徑為13 mm，在內(nèi)部直徑10 mm范圍內(nèi)均勻分布0.5 mm的凹坑，與硬質(zhì)合金基體模型相匹配，如圖3所示。

圖3 三維模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of 3D model

假設(shè)在整個高溫高壓燒結(jié)過程中，合成材料分布均勻、無雜質(zhì)、受熱均勻、未出現(xiàn)塑性變形，忽略PDC因高溫產(chǎn)生的蠕變和微觀缺陷。同時假設(shè)PDC一直處于彈性狀態(tài)，材料的重要熱力學(xué)性能參數(shù)如表1所示[9]。

表1 材料熱力學(xué)參數(shù)Table 1 Thermodynamic parameters of materials

假設(shè)在燒結(jié)過程中，聚晶金剛石層與硬質(zhì)合金基體一直接觸良好，將其設(shè)定為2個獨立的部件，使用軸對稱及點重合將2個部件裝配起來。設(shè)置分析步類型為表面與表面接觸，硬質(zhì)合金基體為主表面，聚晶金剛石層為從表面，接觸作用屬性為切向無摩擦行為，法向行為中壓力過盈為“硬接觸”，“瞬態(tài)”響應(yīng)時間長度為600～900 s。施加邊界條件，載荷定義壓力5.5～6 GPa，同時對裝配模型施加表面熱流定義為1 500～1 600 ℃，以“0.5”的單元尺寸對裝配體進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為四面體，如圖4所示。

圖4 有限元分析前期準備Fig.4 Preliminary preparation of finite element analysis

3 PDC熱應(yīng)力模擬分析

以相同邊界條件對常規(guī)平面界面PDC燒結(jié)過程中熱應(yīng)力應(yīng)變分布進行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，聚晶金剛石層表面的殘余應(yīng)力沿徑向呈波紋形延伸至邊緣，其整體壓力相對較大，硬質(zhì)合金層壓力則較小。常規(guī)平面界面PDC中心區(qū)域及邊緣應(yīng)力應(yīng)變值較大，因而容易發(fā)生邊緣開裂和脫層等現(xiàn)象。

圖5 平面界面PDC應(yīng)力應(yīng)變分布Fig.5 Stress-strain distribution of planar interface PDC

圖6所示為矩形突起界面PDC瞬態(tài)熱應(yīng)力的分析結(jié)果。

圖6 新型界面結(jié)構(gòu)PDC順序熱力耦合熱應(yīng)力分布Fig.6 Sequential thermodynamic coupled thermal-stress distribution of new interface structure PDC

從圖6可以看出：順序耦合熱應(yīng)力的變化趨勢，20 s時的熱應(yīng)力狀態(tài)是凸起處最高，內(nèi)部直徑10 mm處有黃色壓力環(huán)，以及區(qū)別不明顯的淡綠色壓力環(huán)；40 s時的熱應(yīng)力狀態(tài)變化趨勢與20 s相類似，同時小部分凸起處壓力降低，黃色壓力環(huán)內(nèi)徑變?。?0 s時的熱應(yīng)力狀態(tài)為大部分凸起處壓力降低，黃色壓力環(huán)內(nèi)徑進一步縮小，直至覆蓋最外緣凸起；80 s時的熱應(yīng)力狀態(tài)與最外緣凸起壓力趨于一致，中心凸起壓力偏低，黃色壓力環(huán)的直徑基本覆蓋外緣凸起。

由高溫冷卻熱應(yīng)力模擬結(jié)果(見圖7a和圖7b)可以看出，中心凸起處殘余應(yīng)力低，凸起之間的區(qū)域和PDC外邊緣應(yīng)力分布相類似，并形成環(huán)狀梯度變化。這是因為PDC燒結(jié)過程中，由于靠近邊緣的金剛石粉末受到壓制作用，以及難熔金屬杯內(nèi)壁的摩擦作用，受力相對中間凸起區(qū)域較大，而邊緣的粉末綜合受力被限制向周圍區(qū)域擴散，表現(xiàn)為緩慢向中心區(qū)域流動，所以從邊緣到中心等效應(yīng)力分布呈現(xiàn)逐漸減小的類似梯度分布。界面處應(yīng)力分布如圖7c和圖7d所示，燒結(jié)界面處的應(yīng)力明顯大于上、下表面的應(yīng)力，聚晶層金剛石表面至界面處應(yīng)力先減小后增大，在界面處表現(xiàn)為最大。而由界面處至硬質(zhì)合金處應(yīng)力依次減小，直至接近PDC下表面處又表現(xiàn)為增大的趨勢。

圖7 新型界面結(jié)構(gòu)PDC高溫冷卻熱應(yīng)力場Fig.7 High-temperature cooling thermal-stress field of new interface structure PDC

為了便于對比常規(guī)PDC以及新型界面結(jié)構(gòu)PDC的殘余應(yīng)力，在聚晶金剛石層表面沿徑向每隔1 mm選取7個點讀取應(yīng)力數(shù)據(jù)。PDC上數(shù)據(jù)采集點和位置如圖8所示。

圖8 PDC上數(shù)據(jù)采集點的位置示意圖Fig.8 Schematic diagram for the location of data collection points on PDC

根據(jù)采集點所得數(shù)據(jù)繪制的新型界面結(jié)構(gòu)PDC的應(yīng)力值，如圖9所示。由圖9可知，PDC聚晶金剛石層從中心沿徑向由壓應(yīng)力區(qū)逐漸過渡到拉應(yīng)力區(qū)，沿軸向從上到下也是同樣的趨勢。由于新型界面結(jié)構(gòu)PDC中心凸起的緣故，壓應(yīng)力區(qū)域較大且明顯，而聚晶金剛石層中殘余壓應(yīng)力的存在可以抑制裂紋的產(chǎn)生和擴展，使聚晶金剛石層與硬質(zhì)合金結(jié)合更為牢固。結(jié)果表明，與相同邊緣金剛石層厚度的平面界面PDC相比，聚晶金剛石層表面中心的壓應(yīng)力從1 645 MPa減小到1 068 MPa，邊緣部分的最大拉應(yīng)力從435 MPa減小到238 MPa，邊緣拉應(yīng)力區(qū)域從3 mm減至2 mm左右，最大剪切應(yīng)力處從邊緣移動到聚晶金剛石層內(nèi)部區(qū)域。PDC軸向界面邊緣處最大拉應(yīng)力由744 MPa減小至254 MPa。

圖9 2種不同界面結(jié)構(gòu)采集點殘余應(yīng)力Fig.9 Residual stress at data collection points of two different interface structures

PDC在合成和使用過程中，金剛石層邊緣附近徑向拉伸應(yīng)力和軸向拉伸應(yīng)力的共同作用是聚晶層邊緣裂紋和界面裂紋產(chǎn)生的重要原因。因此，降低聚晶金剛石層的拉應(yīng)力以及減少拉應(yīng)力區(qū)域范圍一定程度上會提高PDC的力學(xué)性能。另外，通過對平面界面PDC進行分析可以發(fā)現(xiàn)，界面間的最大剪切應(yīng)力也位于界面邊緣，這種剪切應(yīng)力是聚晶金剛石層脫落的主要原因。而新型界面結(jié)構(gòu)的設(shè)計使最大剪應(yīng)力從界面邊緣移動到金剛石層內(nèi)部，從而大大降低了金剛石脫層的可能性。

為了宏觀對比耐熱性能，筆者還利用馬弗爐分別對2種界面結(jié)構(gòu)的PDC進行退火處理。加熱環(huán)境為空氣環(huán)境，升溫速率設(shè)置為20 ℃/min，熱處理溫度為800和900 ℃，達到預(yù)定溫度后保溫30 min，觀察界面及表面形貌。2種界面結(jié)構(gòu)PDC經(jīng)過熱處理后的形貌如圖10～圖12所示。

圖10 常規(guī)平面界面PDC 800 ℃熱處理Fig.10 Heat treatment of conventional planar interface PDC at 800 ℃

對比圖10與圖11可以看出，常規(guī)平面界面PDC經(jīng)800 ℃熱處理后，出現(xiàn)表面龜裂及碎裂現(xiàn)象，聚晶金剛石層與硬質(zhì)合金基體出現(xiàn)分層。同等熱處理條件下，新型界面結(jié)構(gòu)PDC經(jīng)800 ℃熱處理后幾乎沒有發(fā)生變化，表面無損傷，界面無分層現(xiàn)象。

圖11 新型界面結(jié)構(gòu)PDC 800 ℃熱處理Fig.11 Heat treatment of new interface structure PDC at 800 ℃

新型界面結(jié)構(gòu)PDC經(jīng)900 ℃熱處理后，仍未發(fā)生分層現(xiàn)象，但由于聚晶金剛石層與硬質(zhì)合金基體的熱膨脹系數(shù)差異，硬質(zhì)合金基體的熱膨脹較明顯(見圖12)。

圖12 新型界面結(jié)構(gòu)PDC 900 ℃熱處理Fig.12 Heat treatment of new interface structure PDC at 900 ℃

4 結(jié) 論

(1)本文設(shè)計了一種新型硬質(zhì)合金基體界面結(jié)構(gòu)，在基體上均勻布置一些矩形凸起，與平面界面相比，凸起結(jié)構(gòu)可以分散沖擊應(yīng)力，不規(guī)則的界面結(jié)構(gòu)還可以通過增加聚晶金剛石層與硬質(zhì)合金基體之間的接觸面積來增加界面機械結(jié)合力以及拉伸和剪切強度。通過ABAQUS數(shù)值模擬驗證了這種新型界面結(jié)構(gòu)對殘余應(yīng)力分布的影響，并通過熱處理試驗對比了新型界面結(jié)構(gòu)PDC與常規(guī)平面界面PDC的耐熱性能。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明，新型界面結(jié)構(gòu)可以顯著減少燒結(jié)后PDC內(nèi)部的殘余應(yīng)力，尤其是聚晶金剛石層表面的拉應(yīng)力，能減少其表面脫層的可能性。熱處理試驗結(jié)果也印證了這一點，新型界面結(jié)構(gòu)PDC經(jīng)相同溫度熱處理后，聚晶金剛石層幾乎未出現(xiàn)裂紋，也未發(fā)生脫層現(xiàn)象。表明此種新型界面結(jié)構(gòu)可以有效改善PDC內(nèi)部的熱應(yīng)力分布，提高PDC的抗熱沖擊性能。