PCD弹性模量.泊松比的测试实验研究
第37卷第2期石 油 钻 探 技 术Vol 137,No 12
! 设备与工具#
PCD 弹性模量、泊松比的测试实验研究
徐 根1 陈 枫2 马春德2 徐国平3
(11中南大学资源与安全工程学院, 湖南长沙 410083;21中南大学现代分析测试中心, 湖南长沙 410083;31金瑞新材料科
技股份有限公司, 湖南长沙 410012)
摘 要:弹性模量、泊松比作为PDC 的重要物性参数, 其取值的精确与否将直接影响到PDC 其他的力学性能。利用Instron1342电液伺服材料试验机, 采用简单的压缩加载实验, 成功测得了聚晶金刚石(PCD ) 的弹性模量、泊松比, 且弹性模量最大误差不超过6%, 泊松比最大误差不超过8%, 均在允许范围之内, 测试结果相当理想。该实验证明, 用压缩加载实验来测试PCD 的弹性模量和泊松比是可行的, 且该方法简单、可靠, 测试费用低。
关键词:聚晶金刚石; 弹性模量; 泊松比; 应变; 测试
中图分类号:T H14511+3 文献标识码:B 文章编号:100120890(2009) 0220063203
聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact s ) 是由聚晶金刚石层(PCD ) 与硬质合金基体构成的超硬复合材料, 现在已经被广泛应用于钻探及机械加工领域[124]。弹性模量、泊比为PDC 重要的物性参数, 响到PDC 性, (, 取大尺, 。测量PCD 弹性模量的方法有超声波声速度法和自由振动频率法[529], 但两种方法各有利弊:通过测量超声波传播速度计算弹性模量的方法比较简单, 但是需要很多测量设备(换能器, 脉冲发生器, 带有傅立叶变换功能的示波器等) , 并且得到的结果反映的是圆片样品上一个点附近区域的弹性性能; 自由振动频率法需要的仪器比较简单, 也可以得到样品整体的弹性性能数据, 但是由于样品的质量都很轻, 其自由振动很容易受到采样探头的影响, 从而影响其频率, 进而影响结果。以上两种方法的测试费用均较高。为此, 笔者采用岩石材料弹性模量的测试方法, 即根据虎克定律, 利用简单的压缩加载实验来测试PCD 的弹性模量和泊松比, 并得到了精确的测试值。
) 。根据以上定义, 只需测得μ
,
εσ即可通过公式E =和μ=, 求得PCD 材料的E 、
εεl t
μ值。112 实验步骤
实验所采用的试样为金瑞新材料科技股份有限公司生产的
由于试样及应变片尺寸的限制, 采取了在试样正反面各贴一应变片的方法(图2) 。应变片规格为B E120203AA (11) 2×30(3mm ×2mm ) 。在In 2storn1342电液伺服材料试验机上进行测试, 采用位
收稿日期:2008209209; 改回日期:2009201212
基金项目:博士点基金项目“油田钻探用金刚石复合片热残余应力致裂与止裂研究”(编号:[1**********]) 部分研究成果
) , 浙江桐乡人,2002年毕业于中南大学作者简介:徐根(1979—
1 实验原理与步骤
111 实验原理
土木建筑学院建筑工程专业,2005年获中南大学固体力学专业硕士学位, 在读博士研究生, 主要从事金刚石复合片残余应力与界面结构优化方面的研究。
联系电话:(0731) 8876593
聚晶金刚石属于硬脆性材料, 当受到压缩载荷时, 在其极限抗压强度范围之内可视为弹性变形, 即
・64・石 油 钻 探 技 术 2009年3月
移控制方式进行加载(加载装置如图3所示) , 采用
D H3817型动静态应变测试系统和D HDAS 信号测试分析系统采集分析数据。由于PCD 的硬度极高, 为确保加载装置不被压坏及减少测试误差, 实验时在试样上下各垫一个PDC 片
。
图4 应变
—时间曲线
图1 试样尺寸示意
图5 图2 纵向应变为压缩应变, 横向应变
从表1中可以看出,5个PCD 试样所得到的弹性模量和泊松比测试结果都非常接近, 弹性模量最大误差不超过6%, 泊松比最大误差不超过8%, 均在允许范围之内, 可见测试结果相当理想。与文献[10212]中所采用的值相比, 笔者实验所测得的弹性模量(858GPa ) 要比文献[10212]中所采用的弹性模量(890GPa ) 略小, 而泊松比(01077) 却比文献[10212]中的(0107) 略大, 笔者认为其主要原因在于:笔者实验所采用PDC 试样的材料配比、金
图3 加载装置
刚石粒度、合成工艺等均与其他实验所采用的试样有着差异, 而PCD 的物理性质与这些因素息息相关, 如PCD 中纯金刚石微粉含量越高, 则PCD 的弹性模量将越大。
2 结果分析
图4为试样应变随时间的变化曲线, 图5为同
一试样的载荷位移曲线(为节省篇幅, 笔者只给出了一个试样的应变-时间曲线和载荷-位移曲线) 。表1为弹性模量及泊松比测试结果。
表1 弹性模量及泊松比测试结果
试样
12345
3 结论及认识
1) 利用Instorn1342电液伺服材料试验机, 采
用简单的压缩加载实验, 成功得到了PCD 材料的弹
μ
[***********]7501074
载荷/kN
[***********][**************]09
εl /10
-3
εt /10
-3
E/GPa
性模量、泊松比值, 且弹性模量最大误差不超过6%, 泊松比最大误差不超过8%, 均在允许范围之
[***********][1**********]2
[***********][1**********]3
[***********][**************]46
内。
2) 实验证明了用压缩加载实验来测试PCD 材
料的弹性模量和泊松比是可行的, 且该方法简单、可靠, 测试费用低。
第37卷第2期 徐 根等:PCD 弹性模量、泊松比的测试实验研究・65・
参 考 文 献
[1] Zeren M , Karagoz S 1Sintering of polycrystalline diamond cut 2
ting tools [J ].Materials and Design , 2007, 28(3) :105521058.
[2] G ittel H 2J 1Cutting tool materials for high performance ma 2
chine[J].Industrial Diamond Review ,2001, 61(588) :17221. [3] Clark I E ,Bex P A 1The use of PDC for petroleum and mining
drilling[J].Indust rial Diamond Review ,1999, 59(1) :43249. [4] 杨丽, 陈康民1PDC 钻头的应用现状与发展前景[J].石油机
Seattle ,November 7210,1995[C].
[8] Dogheche E ,Lansiaux X ,Remiens D 1Improvement of LiNbO 3
surface roughness by using a multi 2step process :relationship between optical and A FM analysis [J ].Integrated Ferroelec 2trics ,2002,49(1) :2112219.
[9] Higaki K , Nakahata H , kitabayashi H ,et al 1High frequency
SAW filter on diamond :proceedingsof t he 1997IEEE M T T 2S International Microwave Symposium ,Denver ,J une 8213, 1997[C].
[10] Paggett J W ,Drake E F , Krawrite A D , et al 1Residual stress
and stress gradient s in polycrystalline diamond compact s[J].International Journal of Refractory Metals and Hard Mater , 2002, 20(3) :1872194.
[11] Tze 2Pin Lin ,Michael Hood , George A Cooper ,et al. Residual
stresses in polycrystalline diamond compact s [J ].Joural A 2merican Ceramic Society , 1994, 77(6) :156221568.
[12] 徐根, 陈枫, 肖建清, 等1油田钻探用金刚石复合片热残余应
械,2007,35(12) :70272.
[5] Wang Sea 2Fue , Hsu Yung 2Fu , Pu J ui 2Chen , et al 1Determina 2
tion of acoustic wave velocities and elastic properties for dia 2mond and ot her hard materials [J].Materials Chemistry and Physics ,2004,85(2) :4322437.
[6] Whitfield M D ,Audic B , Flannery C M ,et al 1Polycrystalline
diamond films for acoustic wave devices[J].Diamond Related Materials , 1998, 7(2) :5332539.
[7] Nakahata H , Higaki K , Fujii S , et al 1SAW devices on dia 2
mond :proceedingsof t he 1995IEEE Ultrasonics Symposium ,
力分析[J].石油钻探技术,2008,36(:49252.
[审稿 孙明光]
Lab T est of PCD πs Young πs Xu G en 1 Chen Feng 2 Xu 3
(1. S chool of Resources and S af et y , out h Universit y , Changsha , H unan , 410083, Chi na; 2. Mechanical h U ni versit y , Changs ha , H unan , 410083, Chi na; 3. Ki ng 2ray N ew M &y Co. L t d , Changs ha , H unan , 410012, Chi na )
Abstract :Y s πs ratio are two important p hysical parameters of polycrystal 2line s () Instron 21342testing machine was used to measure t he Y oung πs modulus and Poisson πs polycrystalline diamond (PCD ) . U sing compression loading test t he Y oung πs modu 2lus and Poisson πratio of PCD was measured successf ully and t he relative error is less t han 6%for Y oung πs modulus and less t han 8%for Poisson πs ratio which bot h are in t he acceptable range. The result s indicate t hat using comp ression loading test to test PCD πs Y oung πs modulus and Poisson πs ratio is simple , reliable and cost 2effective.
K ey w ords :polycrystalline diamond ; modulus elasticity ; Poisons ratio ; st rain ; testing SPE 112077,2008
A C ase Study of Oil 2B ased Mud E ffect on H orizontal Well Productivity
油基钻井液对水平井产能影响的个案研究
水平井通常采用裸眼或非固井尾管方式完井。裸眼完井可以充分发挥水平井的生产能力, 但也存在一些问题:投产时或投产之前是否必须清除裸眼井段的钻井液和泥饼? 生产期间和地层压力降低, 进入地层的泥饼能否分散并清除掉? 残留的泥饼是否会降低水平井的产能?
该文介绍了印尼一口采用预射孔尾管方式完井的水平气井, 该井产层岩性为纯净砂岩, 水平生产段长325104m (1155ft ) , 产层渗透率为(011～510) ×10-3μm 2。该井使用油基钻井液钻进, 在井壁上形成了一层薄而可靠的碳酸盐颗粒泥饼, 降低了对气层的伤害, 不需要清除井内剩余的钻井液和泥饼, 投产后容易自行清除。由于该井测试时没有产气量, 于是决定研究钻井液对该井产能的影响, 采取了一系列消除地层潜在伤害因素的技术措施, 并研究了其对该井产能的影响。采取一系列措施后投产, 投产一个月后的压力恢复测试显示该井的表皮系数为0。
该文讨论了不同措施、试验结果和措施的每一步对油气井产能的影响, 给出了采取措施后的效果, 并推荐了新裸眼水平井投产时的完井方案。[闫循彪 译]