Дисертації з теми "Diamond drilling"

A fully instrumented laboratory drilling rig was designed and used to drill a variety of rock types with impregnated diamond microbits. The rocks, selected to represent a wide range of properties, were characterised by optical petrography and by the measurement of uniaxial compressive strength and relative abrasion resistance. A computer controlled electronic data logging system was used to record the power consumption, the rotational velocity, the bit thrust, the torque and the penetration rate. Tests were conducted under set thrust and under set rate of advance conditions to determine the effect of varying the bit pressure, rotational velocity, diamond mesh size and concentration, and rock type on the dependent drilling variables of diamond wear, bit wear, rock fracture, torque, power consumption, penetration rate and reactive load. The drilling efficiency was monitored by calculating the specific energy of drilling from the power consumption corrected for the power losses in the machine and from the generated torque, the latter being more sensitive. The diamond wear on a used bit was evaluated under the optical microscope by classifying each exposed stone into one of ten wear categories. The rock fracture was evaluated by scanning electron microscopy of the drilled surfaces, and by particle size distribution analysis of the drilling detritus. On the basis of the results a performance model for impregnated diamond bit drilling was formulated in which a critical stress threshold per actively drilling diamond must be exceeded for steady drilling to take place with any specific combination of bit and rock type. The optimum drilling thrust at which the specific energy is at a minimum and the penetration rate at a maximum for a given rock and bit configuration, occurs marginally above the thrust required for all the exposed diamonds to be in contact with the rock. The effective bit pressure and the rock type characteristics are crucial determinants for diamond wear type development and hence for the drilling performance within the operating range. The transition from suboptimal to optimal drilling conditions has been described in terms of the characteristic diamond wear, the specific energy, and the coefficient of friction between the bit and the rock. The mechanism of diamond wear and rock fracture are discussed with reference to the results of the optical and (ii)) scanning electron microscopy of worn diamonds and the rock detritus. It is concluded that a variety of rock properties affects the drilling performance, sometimes unpredictably and that the realistic drilling of any specific rock is necessary to determine its resistance to drilling. The necessary approach is demonstrated in detail for a single rock type, norite, for which it is shown the transition takes place at a pressure of approximately 400 MPa per actively drilling stone irrespective of the diamond size or concentration. A discussion of rock drillability testing demonstrates that experimental drilling with microbits has a valid role in the realistic evaluation of drillability and in the study of the complex fracture and wear mechanisms that must be understood for the application and rational design of appropriate bits.

Drilling bit optimization is one the key concepts in drilling engineering.It is considered as one f the economical factors in an overall well budget.Computers are strictly used as decision-making systems in the optimization calculations.Formation parameters are easily processed according to drilling bit selection criteria by the help of computer programs.Although computer program is an interface by which user makes computer some jobs,database is another important part of this necessary decision-making systems.Data is stored and can be modified in the database.Also necessary calculations can be accomplished by database so that results of these calculations and data can be reached by the computer programs.In this study,a database,holding field data is designed and a computer program calculating necessary parameters and related excel file holding output are prepared.Although mostly lowest costper foot is preferred and there isn'
t an absolute method for choosing optimum bit,this design can be helpful in selection period.

The research aims to develop bit/rock interaction models for Impregnated Diamond (ID) bits. An experimental approach is used to study the dominant cutting and wear processes governing the bit/rock interface. The developed models are used to investigate the effects of the bit and rock properties as well as operating conditions on the drilling response. Furthermore, a field case study is performed, at which the drilling data is analysed using the framework of the model.

This research investigates the effect of rock strength on force responses associated with impregnated diamond drilling. The investigation involved coring activities ran on a well-engineered laboratory-scale drilling rig, drilling a collective amount of rock samples using industry graded bit. The experimentation came upon a particular rock-related parameter under the framework of a drilling model that demonstrates a robust linear relationship with rock strength. The investigation leads to estimate uniaxial compressive strength from drilling data.

Magister Chirurgiae Dentium
Dental implants are artificial fixtures that are surgically inserted into the jaws to replace missing teeth. The success of dental implant treatment is dependent on achieving successful osseointegration (Branemark et al. 2001). Drills used for implant site preparation are made of different materials such as stainless steel (SS), zirconia and ceramic. Most of them do not have sufficient cutting efficiency and wear resistance (Oliveira et al. 2012). Recently diamond-like carbon coating (DLC) has been added as a drill coating to increase the cutting efficiency, increase wear resistance and drill hardness (Batista Mends et al. 2014).

A polycrystalline diamond was tested as a bearing material for a tilting pad thrust bearing to be used in an electric submersible pump, which elevates process fluids from the bottom of well bores. The goal of this study was to compare the PCD to a current best of technology, which is stainless steel with an engineering polymer.This study found that PCD can handle larger loads than current technology but is limited in size due to diamond sintering and manufacturing constraints. The maximum size is Ø75mm.

Дисертація присвячена питанням підвищення роботоздатності алмазних бурових коронок з комбінованою матрицею при бурінні геологорозвідувальних свердловин у твердих породах за допомогою нового надтвердого матеріалу - гібридайт. Проведений аналіз літературних джерел показав, що найбільш ефективним інструментом для буріння твердих гірських порід на даний час є інструмент з комбінованою матрицею, оснащеною як синтетичними монокристалами алмазу так і полікристалічними матеріалами водночас. Охарактеризовано існуючі надтверді матеріали, які використовуються при оснащенні бурових коронок з комбінованою матрицею. Уперше створена математична модель процесу еволюції робочого профілю та з використанням розрахунку контактного тиску на поверхні алмазної коронки з комбінованою матрицею в процесі буріння геологорозвідувальних свердловин. Проведено в лабораторних умовах, за допомогою розроблених та удосконалених методик, порівняльні дослідження з взаємодії породоруйнівних вставок з гірською породою, та їх вплив на характер руйнування твердих гірських порід, а також досліджено вплив схеми оснащення робочого торця бурової коронки поро-доруйнівними вставками з гібридайту на роботоздатність алмазної бурової коронки з комбінованою матрицею. Вперше встановлено, що при руйнуванні твердих гірських порід вставками з гібридайту очевидний характер руйнування породи, притаманний сколюванню. Розроблені та передані до впровадження підприємству ДП «Центрукргеологія» для буріння геологорозвідувальних свердловин у твердих породах, комбіновані бурові коронки типу БТ-22, які оснащені синтетичними алмазами та породоруй-нівними вставками з гібридайту й мають високу механічну швидкість буріння і підвищену проходку в порівнянні із серійними коронками.
Диссертация посвящена вопросам повышения работоспособности алмазных буровых коронок с комбинированной матрицей при бурении геологоразведочных скважин в твердых породах с помощью нового сверхтвердого материала - гибридайт. Проведенный анализ литературных источников показал, что наиболее эффективным инструментом для бурения твердых горных пород в настоящее время является инструмент с комбинированной матрицей, оснащенной как синтетическими монокристаллами алмаза, так и поликристаллическими материалами одновременно. Обзор существующих сверхтвердых материалов, которые используются при оснащении буровых коронок с комбинированной матрицей, показал, что наиболее перспективным поликристаллическим сверхтвердым материалом является гибридайт. Разработана методика испытаний породоразрушающих вставок на износостойкость при разрушении различных горных пород, и усовершенствована методика изучения шероховатости поверхности забоя, сформированного при алмазном бурении, с помощью аналого-цифрового преобразователя и специально разработанной программы расчета параметров микропрофиля поверхности. Предложен новый подход к оценке распределения контактного давления по рабочей поверхности буровой коронки, основанный на численном анализе модельной контактной краевой задачи механики деформируемого твердого тела и учитывающий не только кинематику процесса бурения, но и специфику контактного взаимодействия инструмента с породой. С помощью численного моделирования рассчитаны значения интенсивности износа рабочей поверхности буровой коронки, достаточно близкие к наблюдаемым на практике результатам, что является убедительным аргументом в пользу адекватности предложенной математической модели и надежности представленных числовых данных. Проведена оценка износостойкости буровой коронки с армирующими породоразрушающего вставками, исследовано влияние их расположения на рабочий поверхности коронки. Получено уравнение для определения эффективного коэффициента износа рабочей поверхности коронки в зависимости от способа его армирования породоразрушающими вставками. Впервые предложена математическая модель эволюции рабочего профиля буровой коронки, которую можно использовать для оптимизации конструкции комбинированной матрицы, включая выбор профиля, оснащенность и применение породоразрушающих вставок с разной износостойкостью. Проведены в лабораторных условиях сравнительные исследования по взаимодействию породоразрушающих вставок с горными породами, и их влияние на характер разрушения твердых горных пород, а также исследовано влияние схемы оснащения рабочего торца буровой коронки породоразрушающими вставками из гибридайта на износостойкость и механическую скорость бурения. Впервые установлено, что использование породоразрушающих вставок из гибридайта в комбинированной матрице буровой коронки приводит к повышению износостойкости инструмента и увеличению механической скорости в процессе бурения твердых горных пород. Также было установлено, что в процессе работы вставок из гибридайта наблюдается эффект «самозатачивания», вследствие чего при бурении геологоразведочных скважин такой вставкой очевиден характер разрушения породы, присущий скалыванию, а именно с отделением от массива более крупных частиц шлама. Приведены результаты исследования влияния схемы оснащения рабочего торца вставками гибридайта на эффективность бурения твердых горных пород импрегни-рованными коронками. Установлено, что оснащение калибрующей части импрегни-рованной коронки вставками гибридайта способствует устранению ее аномального износа, а также приводит к повышению эффективности и механической скорости бурения крепких горных пород. Разработаны и переданы к внедрению на предприятии ГП «Центрукргеология» для бурения геологоразведочных скважин в твердых породах комбинированные буровые коронки типа БТ-22, которые оснащены синтетическими алмазами и породоразрушающими вставками из гибридайта и имеют повышенную работоспособность в сравнении с серийными коронками типа БС-06.
Thesis is devoted to improve efficiency of diamond drilling bits with a combined matrix while drilling exploration wells in hard rock with the help of the new superhard material - gibridayt. The analysis of the literature has shown that the most effective tool for drilling hard rock is now a tool with a combined matrix, equipped with both a synthetic diamond single crystal and polycrystalline materials at the same time. We characterize the existing superhard materials, which are used for equipping the drill bits with a combined matrix. For the first time a mathematical model of the process of evolution of the working surface of the combined drilling bit with using the calculation of contact pressure on the surface of the combined drilling bit has been created, which is based on the numerical analysis of the model of contact boundary value problem of solid and provides account for not only the kinematics of the drilling process, but also particularities of the contact interaction tool with rock. The comparative studies, having been conducted in lab environment, on the interaction of rock-breaking inserts with subsurface rocks, and their influence on the character of destruction of solid rocks, and also the influence of the circuit equipping the working end of the drilling bit of rock-breaking inserts gibridayt on resistance to abrasion and ROP has been explored. It has also been found out that the inserts from gibridayt an effect of «self-sharpening» is being observed during the operation, as a result of drilling exploration wells by using such insert the character of rock destruction is obvious, in particular the separation of larger solid particles of the slurry. Combined drilling bits such as BT-22 which are equipped with synthetic diamonds and rock-breaking inserts from gibridayt and have increasing efficiency comparing with serial bits has been developed and transferred for implementation at the enterprise «Centrukrgeologiya».

Дисертацію присвячено розробці породоруйнівних інструментів різальної дії, оснащених полікристалічними алмазними різцями, для буріння вибійними двигунами похило-скерованих та горизонтальних свердловин. Основні положення дисертації опубліковані 13 наукових працях. В результаті аналітичних і промислових досліджень визначено, що для покращення техніко-економічних показників будівництва похило-скерованих та горизонтальних нафтогазових свердловин з використанням вибійних двигунів, необхідне створення породоруйнівних інструментів різальної дії пониженої енергоємності буріння. На основі теоретичних і експериментальних досліджень бурових доліт різальної дії встановлені залежності енергетичних параметрів їх роботи від форми профілю та кількості лопатей, які дозволяють запропонувати найбільш раціональні конструкції робочої частини породоруйнівних інструментів для заданих умов буріння похило-скерованих та горизонтальних свердловин. Розроблено математичну модель і експериментально визначено емпіричні коефіцієнти для розрахунків прогнозних енергетичних параметрів роботи породоруйнівних інструментів різальної дії з різними формами робочої частини. Успішно випробувано й впроваджено при будівництві вибійними двигунами похило-скерованих та горизонтальних свердловин дві конструкції бурових доліт і чотири конструкції бурильних головок з запропонованим для заданих умов буріння найменш енергоємним профілем різальної частини.
Диссертация посвящена разработке породоразрушающих инструментов режущего действия, оснащенных поликристаллическими алмазными резцами, для бурения забойными двигателями наклонно-направленных и горизонтальных скважин. Основные положения диссертации опубликованы в 13 научных работах. В результате аналитических и промысловых исследований определено, что для улучшения технико-экономических показателей строительства наклонно-направленных и горизонтальных скважин с использованием забойных двигателей, необходимо создание породоразрушающих инструментов режущего действия пониженной энергоемкости бурения. Не смотря на то, что технико-экономические показатели работы породоразрушающих инструментов, оснащенных ПАР, превышают показатели шарошечных конструкций, сфера применения долот режущего действия в направленном бурении ограничена из-за осложнений, которые возникают при их использовании с забойными двигателями и попытках оперативного управления траекторией скважины. Связаны они с повышенным рабочим крутящим моментом, который резко изменяется в широком диапазоне даже при незначительных колебаниях осевой нагрузки при бурении чередующихся по прочности горных пород. Это приводит к проворачиванию забойного двигателя, или его остановке, что делает невозможным текущее управление траекторией бурения и существенным образом снижает технико-экономические показатели проходки. Поэтому, на момент постановки данных исследований, в направленном бурении традиционными технико-технологическими средствами большинство работ, которые связаны с набором угла, исправлениями траектории скважины, проведением наклонных и горизонтальных стволов, осуществляются с использованием шарошечных долот. Теоретически исследовано конструкции режущей части долота с пониженной энергоемкостью разрушения горных пород. Разработаны технические средства и методика проведения экспериментов. Проведены экспериментальные стендовые исследования долот с разными формами лопастей: плоской, обратно-конусной, эллиптической и круглоступенчатой. Определение показателей работы долот с исследуемыми профилями режущей части проводили в два этапа: на первом использовали в качестве забоя мрамор «коелга», на втором -цементные блоки. При проведении экспериментов осуществляли ступенчатое изменение параметров режима бурения, величины которых составляли: осевая нагрузка - 15; 20; 25; 30 кН; угловая скорость вращения долота - 1; 2; 3; 4 с-1. На основе теоретических и экспериментальных исследований буровых долот режущего действия установлены зависимости энергетических параметров их работы от формы профиля и количества лопастей, которые позволили предложить наиболее рациональные конструкции рабочей части породоразрушающих инструментов для заданных условий бурения наклоннонаправленных и горизонтальных скважин. Предложено круглоступенчатую форму профиля режущей части долота, в которой с целью уменьшения энергоемкости работы расстояние от оси вращения инструмента до точек соединения криволинейных сегментов меньше их наибольших радиусов. Соответствующая конструкция долота защищена авторским свидетельством на изобретение №1783108, а ее эффективность подтверждена экспериментальными и промысловыми исследованиями. Экспериментальными исследованиями установлено, что изменение количества лопастей незначительно влияет на энергоемкость работы породоразрушающих инструментов режущего действия. Следовательно, для бурения горных пород разной твердости целесообразно разрабатывать долота с числом лопастей, которое определяется фактором необходимой износостойкости. Разработана математическая модель и экспериментально определены эмпирические коэффициенты для расчетов прогнозных энергетических параметров работы породоразрушающих инструментов режущего действия с различными формами рабочей части. Предложена форма рабочей поверхности бурового долота, в которой для уменьшения энергоемкости бурения режущая часть выполнена в виде криволинейных сегментов, которые у соседних лопастей расположены на разных расстояниях от торца, и обратных клиньев с вершинами на оси вращения инструмента. Указанная форма долота защищена патентами Украины №3846 и Российской Федерации №42571. Изготовление опытных образцов и партий породоразрушающих инструментов с пониженной энергоемкостью бурения (четырех конструкций буровых долот и пяти - бурильных головок) организованно и осуществлено на Экспериментальном заводе Института сверхтвердых материалов им. В.М. Бакуля НАН Украины. Промысловые испытания и внедрение разработанных породоразрушающих инструментов осуществляли на нефтегазовых месторождениях ОАО «Укрнефть» и ОАО «Татнефть». Успешно испытано и внедрено при строительстве наклонно-направленных и горизонтальных скважин две конструкции буровых долот и четыре конструкции бурильных головок с предложенной для заданных условий бурения наименее энергоемкой формой режущей части.
The dissertation is devoted to development of PDC (polyciystalline diamond compact) bits for drilling of directional and horizontal wells. There are 13 scientific works, which contain main results of researches. Analytical researches and field tests indicate a necessity of PDC bit designs for overall economics improvement of drilling directional and horizontal wells with a downhole motor application. Development of the fixed cutter bit designs with low energy consumption is necessary. On the basis of theoretical and experimental researches are found the relations between drilling energy parameters and fixed cutter bit designs (profile and quantity of blades). That helps to design PDC bits for drilling directional and horizontal wells pursuant to given conditions. The mathematical model for energy parameter calculations of a PDC bit activity is improved. Experimentally trial-and-error factors for different form of PDC bits are determined. Two PDC bit designs and four core bit designs with low energy consumption at drilling by downhole motors of directional and horizontal wells were successfully tested and introduced.

Розроблено нові теоретичні підходи для створення алмазного бурового інструменту з підвищеною роботоздатністю на основі аналітичних методів дослідження температурних полів, термопружного стану, зношування та фізико-хімічних процесів, які відбуваються при спіканні робочих елементів методом гарячого пресування. Ці підходи дозволяють визначити основні фактори, що впливають на кінетику даних процесів, спрогнозувати структуру і властивості НКАМ, зносостійкість і довговічність бурових інструментів на їх основі. Проведені розрахунки енергетичного стану зразків бурових вставок складу алмаз - твердий сплав ВК6 при їх спіканні методом гарячого пресування дозволили визначити оптимальний хімічний склад і р -Т - t умови, за яких відбувається покращання структури і властивостей композита. На основі запропонованих моделей встановлено закономірності температурних полів, термопружного стану та кінетики зношування алмазних доліт ІНМ-214,3 Т при бурінні міцних і абразивних гірських порід для різних теплофізичних і механічних умов, що є дуже важливим для вдосконалення технології виготовлення бурових інструментів і практики їх експлуатації. Порівняння розрахункових даних з експериментальними вказує на адекватність розроблених моделей і точність отриманих результатів. На основі наукових досліджень розроблено конструкції бурових інструментів, які успішно впроваджені в промислове виробництво і показали результати при бурінні нафтових і газових свердловин на рівні кращих зразків закордонного виробництва.
Проанализированы различные концепции и современное состояние теории износа и технологии изготовления сверхтвердых композиционных алмазосодержащих материалов состава алмаз - твердый сплав ВК6, сложившуюся в настоящее время. Разработаны новые теоретические подходы к созданию алмазного бурового инструмента на основе аналитических методов исследования температурных полей, термоупругих напряжений, износа и физико-химических процессов, происходящих при спекании композита методом горячего прессования. Сформулированы научные направления в области сверхтвердых композитов - от качества приготовления породоразрушающих элементов, требуемой структуры и свойств до разработки конкурентноспособных на мировом рынке буровых инструментов на их основе. Для иллюстрации полученных общих решений проведен их анализ для конкретных условий работы инструмента при варьировании физико-механических свойств композита, микрогеометрических характеристик алмазов и их концентрации, сферических координат профиля, условий бурения й охлаждения. Впервые сформулирована и решена нестационарная задача теплопроводности для полусферического тела с покрытием, из которого удален сферический сектор с центром в начале координат. Она моделирует температурное состояние алмазного бурового долота, при котором теплофизические характеристики рабочей поверхности существенно отличаются от аналогичных для корпуса долота. Модель учитывает интенсивное тепловыделение вследствие трения в зоне контакта инструмент -порода и охлаждение жидкостью за счет конвективного теплообмена. Для ее решения использован метод Галеркина в гильбертовом пространстве с разложением функций по собственным функциям спектральных задач с параметром в уравнении и граничном условии. На основе полученного решения проведен анализ зависимости температурных полей в алмазном долоте ИСМ-214,3 Т при бурении твердых и абразивных горных пород от теплофизических свойств материала композита и корпуса, микрогеометрических характеристик алмазов, относительного значения коэффициента теплообмена, режимов бурения, радиальной и угловой координат профиля. Полученные результаты представляют научный интерес и имеют прикладное значение для создания и анализа работы долот из сверхтвердых материалов. Впервые разработана математическая модель для описания физико-химических процессов, которые параллельно происходят при спекании алмазосодержащих композитов на основе твердосплавных матриц для общего случая, когда скорость процесса контролируется как диффузией, так и химической реакцией. Показано, что комплексное применение известных и предложенной моделей с использованием методов рентгеноспектрального анализа позволяет глубже исследовать кинетику физико-химических процессов на различных этапах спекания и выявить основные факторы, влияющие на их протекание. Предложено в качестве меры качества готовых изделий принять энергии активации процессов, зародышеобразования новых фаз, химических реакций между компонентами и кинетические параметры процесса спекания. Статистическая достоверность опытных и модельных расчетов свидетельствует о адекватности модели и точности полученных результатов. На основании полученных результатов разработаны конкурентоспособные на мировом рынке сверхтвердые композиционные алмазосодержащие материалы и буровые инструменты на их основе.
The new theoretical approaches have been developed of making the diamond drilling tools with increased efficiency based on the analytical methods of investigating the temperature fields, thermoelastic stress, wear and physico-chemical processes taking a place during the hot pressing of working bits. These approaches allow to detect the leading factors influencing the kinetics of the given processes and to predict the structure and properties of superhard composite materials, wear resistance and durability of drilling tools equipped with them. The energy state calculations conducted of drtilling inserts made of diamond and WC-бСо hard allloy by hot pressing made it possible to determine the optimal chemistry and p - T -1 conditions providing improvement of structure and properties of composite. Using the proposed models, the patterns have been established of temperature fields, thermoelastic stress and wear kinetics of IHM-214,3T diamond drills under the conditions of hard and abrasive rock drilling for various thermal and mechanical situations being crucial for production techology of these tools and their running practice. Comparison of calculated and exparimental data indicates adequateness of the developed models and accuracy of the obtained results. Based on the scientific investigations, the drilling tools have been designed and applied sucsessfully in industry for the oil and gas well drilling and have shown the results at the level of the best foreign-made tools.

Diamond, including its synthesis, is a unique material not just because of its rarity and decorative features. Some of its physical properties are exceptional, which can not easily be matched by other materials. It is the hardest material, measured at 10 Mohs on the Mohs scale of mineral hardness. It has the highest thermal conductivity at room temperature, the highest bulk modulus and the highest tensile strength for cleavage. It has low coefficients of friction and thermal expansion, and is relatively inert to chemical attack by common acids and bases. Due to these exceptional properties, synthetic diamond as an abrasive has been used as an advanced engineering material, in making tools for grinding, cutting and drilling purposes. Synthetic diamond is commonly used in impregnated drills for cutting purposes. For bit design and manufacturing purposes, it is important to fully understand the complex interactions between rocks and diamond bits, as well as the mechanical behaviour of diamond particles within the impregnated bit during the drilling process. Major current issues of impregnated diamond tools include premature failure of diamonds, the ineffective wear rate of the matrix to continuously expose fresh diamonds and premature diamond fall out. Published researches to date include both experimental studies and numerical modellings for performance assessments and improvement. Some experimental studies have identified different failure mechanisms of the diamond particles and have studied the wear rate of the matrix under different drilling parameters, such as torque, reactive load and penetration rates. Others have tested suitable combinations of metals for the production of different matrix composites for different drilling purposes. It is well understood that in order to achieve optimal cutting efficiency during service, the matrix and diamond must wear simultaneously such that fresh diamonds will expose themselves after worn diamonds have fallen out of the matrix. It has been found that diamonds are mostly held by the matrix through mechanical interlocking, which in general has low interfacial bond strength. Some research have been conducted to investigate the effects of metal-coating diamonds in an attempt to provide sufficiently high bond strength between diamond particles and the matrix and at the same time to ensure the bonds are weak enough so that the self-dressing capability of the drill bits can be achieved. Numerical models have been used to investigate the effects of the variation of stresses at the interface under different wear conditions. The local plastic deformation and residual stresses due to the sintering process have also been studied through numerical simulations. In this research, the finite element method (FEM) is employed to investigate the interface failure mechanism of impregnated diamond bits, which is essentially an interface de-bonding process between diamond particles and the matrix, termed the diamond particle fallout. In particular, the cohesive zone modelling (CZM) technique is implemented to simulate the crack initiation and propagation along the interface. The extended finite element method (XFEM) is used to predict fractures in the matrix under certain loading conditions. The thesis is divided into five chapters, which are described briefly below: In Chapter 1, the general background together with the objectives and originality of the present research are introduced. In Chapter 2, a two-dimensional micromechanical finite element model of diamond impregnated bits suitable for the simulation of interfacial failure between diamond particles and the metal matrix are presented. The surface based cohesive zone model (CZM) is an advanced and efficient technique that is able to adequately simulate and predict fracture initiation and propagation of an uncracked interface between two adhesive surfaces. Two numerical examples have been developed to validate the accuracy and adequacy of the presented model. The effects of different modelling parameters on the diamond particle retention capacity have also been thoroughly studied and compared in order to have a better understanding of the failure mechanism. Chapter 3 describes the extension of the two-dimensional FE model to three dimensional analysis. Similar to two-dimensional models, a model representing a single diamond particle partially embedded inside the matrix has been developed. A three-dimensional double cantilever beam (DCB) testing model has been created to simulate the crack propagation along the interface, and its results have been compared with the experimental results to validate the precision of the model. The effects of diamond particle shape, orientation, and protrusion, as well as interface properties on the diamond’s retention ability, have also been studied. Chapter 4 presents an efficient two-dimensional FE model incorporating both the cohesive zone method (CZM) and the extended finite element method (XFEM) for the prediction of de-bonding along interfaces and micro-cracking in the matrix. The effects of interface property, as well as the particle shape on failure modes, have also been investigated. Finally, the conclusions of the present research are summarised in Chapter 5. The limitations of the present study and further research recommendations are also described in this chapter.
Thesis (Ph.D.) (Research by Publication) -- University of Adelaide, School of Civil, Environmental and Mining Engineering, 2016.

碩士
大華科技大學
機電研究所
101
With the progress of machining technology, quartz has widely used in various instruments and equipment of technological industries, such as: semiconductor, optoelectronics, communications, medical treatment, chemical, electrical, metallurgy, building materials, and defense industries. These instruments and equipment, however, need to generate hole to combine with other that. Several generating-hole processes, such as drilling, laser, ultrasonic, electronic beam, electronic discharge and press have been reported as alternatives. Considering the efficiency and cost of machining, drilling is still economic and efficient method in generating-hole. Electroform diamond core drill has the excellent property in drilling for hard and brittle quartz. However, electroform diamond core drill is not suitable to machine the diameter of hole below 5 mm. Electroform diamond step drill has a composed shape of a primary stage (small diameter) and a secondary stage (large diameter). Electroform diamond step drill can be used to generate different sized holes in a single operation. The advantage of the electroform diamond step drill is that crack formed during primary-stage cutting by the front cutting edge can be removed in secondary-stage cutting by the step edge.

The rock cutting industry has experienced important changes with the introduction of diamond-based drilling tools in the last few decades. Impregnated diamond (ID) bits are part of that introduction and their main use is to drill hard and abrasive rock formations. ID core drilling has emerged as the most commonly used technology employed in the advanced stages of mineral exploration. Through this technology, existing resources - mineral and energy - are expanded and greenfield exploration is carried out. As near-surface deposits are depleted, there is a global trend towards targeting deeper for exploration. Currently, in near-surface drilling, bit wear condition is determined by the experience of drilling operators –trial and error–. Although it makes the evaluation very subjective and prone to errors, it is an accepted practice. Conversely, in deep drilling, direct assessment of the bit wear condition is difficult and time consuming. Therefore, alternative techniques must be developed in order to evaluate, in real time, the wear condition of the bit and properties of the drilling medium. In this thesis, Acoustic Emission (AE) along with Measuring While Drilling (MWD) parameters are considered as an alternative technique to remotely monitor the ID bit wear condition (sharp and blunt) and rock properties (abrasivity). A series of rigorous and specialized drilling and abrasivity tests are utilised to generate the acoustic signatures with (topologically variant) and without (topologically invariant) changes in the topology of the tool cutting face. Main findings of this work are as follows: firstly, based on the step test results, linear relationships were developed that make it possible to estimate the depth of cut, weight on the bit (WOB) and torque on the bit (TOB) by simply using the time domain parameters of the AE signals. Wear tests also showed that AE amplitudes start to trend down as wear begins to accelerate. Secondly, acceptable pattern recognition rates are obtained for the majority of tool condition monitoring systems developed for predicting sharpness or bluntness of ID bits. In particular, the system composed by AErms [rms subscript] and TOB excels due to the high classification performance rates and the fewer input variables compared to other tool condition monitoring systems. Lastly, AE parameters, such as total number of events and root mean square of AE, in addition to testing parameters are found to accurately predict rock abrasivity measured via Cerchar Abrasivity Index (CAI). The importance of this index lies on: (i) the fact that ID drilling is commonly used in abrasive rock formations, and (ii) the way CAI has been defined (length of wear flat exerted on a steel pin after being scratched on one centimetre of rock surface), which intrinsically relates it to wear condition of the tool. The insights presented in this thesis open up a new promising field of study, impregnated diamond drilling using AE as an indirect technique to evaluate tool condition.
Thesis (Ph.D.) (Research by Publication) -- University of Adelaide, School of Civil, Environmental and Mining Engineering, 2016.

碩士
建國科技大學
自動化工程系暨機電光系統研究所
101
The study is to research the drilling performance of a-C:H:Zr coatings prepared by sputtering graphite ,zirconium targets ,CH4 and C2H2 used unbalanced magnetron sputtering system. The stusy contains three stages .The objective is study the influence of Zr target current on the drilling properties of coatings in the first stage. It change the interlayer was from one multilayer to four multilayer in the second stage. Base on the second stage, results the coating hardness is low. In order to improve the hardness, the coating have been designed a multilayer structure. It contain both hard and soft layer in the multilayer coating in the third stage. The drilling performance of the coated micro-drills is evaluated by conducting high-speed through-hole drilling tests using printed circuit board (PCB) specimens. The service life of the coated micro-drills is assessed utilizing three different criteria, namely the nail head ratio, surface roughness of the drilled hole, and diameter of drilled hole, respectively. The result display that the S3 coating process the test drilling performance and the highest drilling life time. It can improve the life time of drilling above 6000 holes drilled.

碩士
國立成功大學
機械工程學系碩博士班
90
The closed field unbalanced magnetron sputtering method was used in this article to deposit tungsten-doped hydrogenated-free diamond-like carbon (a-C:W) films onto high speed steel, tungsten carbide specimens, and micron drills. The effects of various W contents in a-C:W films were investigated. At first, in order to understand basic properties of a-C:W films, the experiments of micro-hardness tester, scratch tester, SRV tester were employed. Finally, in field PCB through hole drilling was used to examine the tribology properties of the coated micron drills. The experiment results are shown as following: The hardness of the films has no concern with different contents of tungsten of the films. The adherences of the films are best when tungsten contents 8.75at.%, and the adherences of the films on high speed steel are better than on tungsten carbide specimens. Among the SRV tester, all the coatings can reduce the friction coefficient successfully. For wear-resistance, all the coatings are very good; especially, wear-resistance of the films are best when tungsten contents 8.75at.%. In the PCB drilling tests, a-C:W films with 8.75at.% tungsten contents improved tool life 2 times more than uncoated ones. In the turning tests, all the films can not improve tool life when turning medium carbon steel.

碩士
國立成功大學
機械工程學系
88
In this research we investigated the effect of cutting performance of HSS twist drills with various Diamond-like carbon (DLC) coatings doped metal（Me：C-H）. Experiments were carried out under dry drilling (S45C steel and 304L stainless steel.) and coolant drilling (304L stainless steel.) conditions on NC machining center. In order to evaluate the influence of DLC coatings for wear resistance, we measured flank wear widths and surface roughness. To further investigate the DLC coatings effect upon cutting force, the thrust force and torque were measured during drilling operations with a four-component piezoelectric dynamometer. The force signals were transmitted to charge amplifier and magnify the signals, then converted into digital data. According to the experiment result exhibited, no matter Ti or Cr series coated gradually layer between substrate and DLC coating promotes the adhesion and increases the flank wear resistance. Dry drilling S45C steel Ti2525 has the lowest flank wear width, tool life extended to 131%. In surface roughness side, the experiment results show that coated DLC has better surface roughness, but in using coolant condition thick film DLC has bad effect upon surface roughness. Comparing with various coatings on cutting force, Ti2525 has the best performance on trust force and torque. It is show that DLC coatings can reduce adhesion and decrease friction, then diminish cutting force.

碩士
建國科技大學
自動化工程系暨機電光系統研究所
98
The main purpose of this study is to research the tribological properties and cutting performance of a-C:H coatings prepared by sputtering graphite and Zirconium targets with unbalanced magnetron sputtering system. It contains three stages in the study. It focus the influence of DC power frequency on the properties of coatings in first stage. It change the bias voltage of substrate to get various substrate bias voltage of coatings in second stage. It change the C2H2 current capacity to get various C2H2 of coatings in third stage.This study investigates the drilling performance of micro-drilling used different DLC coatings. Experimental result show that the lowest drill flank wear and comer the lowest nail head the lowest roughness of drilled hole the maximum hole diameter. With above-mentioned experiments and results of analysis. Is it cover DLC membrane get into drill and uncoated micro-drills diameter person who wear and tear, nail heading size, hole wall roughness a little each other a little to have to find. frequency of 70 kHz the bias of 42 V the C2H2 of 5 sccm Improvement which plates layer is most,improve and hole and count it to more than 6000 holes, the ones that can make and bore and pare using for PCB capillary are plated layer bestly.