PDC钻头切削齿切削角度对破岩效果影响规律的研究.pdf

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1、第30卷第8期煤矿机械Vol.30No.82009年8月CoalMineMachineryAug.2009PDC钻头切削齿切削角度对破岩效果影响规律的研究王镇全，周悦辉（中国石油大学石油工程教育部重点实验室，北京102249）摘要：利用有限元数值模拟方法，研究石油钻井PDC钻头破岩过程中切削齿与岩石相互作用的规律，分析PDC钻头切削齿切削角度与破岩效果的关系，以优化切削齿的切削角度。通过数值模拟分析，得到了在不同岩性中切削齿切削角度与破岩体积、破碎比功之间的关系。关键词：PDC钻头；有限元；切削角度；破碎比功中图分类号：TG713文献标志码：A文章编号：1003－0794（2009）

2、08－0049－03StudyonRockBreakingRegulationinOptimizingCuttingAngleofPDCBitWANGZhen-quan，ZHOUYue-hui(MOEKeyLab.ofPetroleumEngineering,ChinaPetroleumUniversity,Beijing102249,China)Abstract：ThechiefcontentisthatinviewofthemutualactionofrocksandthecoggingintheprocessofthePDCbit’sdrilling,thecuttingang

3、leofcoggingisoptimizedonthebasisofthemethodofthefi-niteelementandthelawbetweenthecuttingangleandthebearerofcoggingandbetweenthecuttingangleandthevolumeofbreakingrocksindifferentpropertyofrocks.Theresultofnumericalsimula-tionreflectstheeffectofbreakingrocksaffectedbythecuttingangle.Keywords：PDCb

4、it；finiteelementmodel；cuttingangle；sizereductionratio0引言PDC钻头切削齿的空间结构参数直接影响钻头的破碎效果，切削齿的切削角度为空间结构参数之一，优化PDC钻头切削齿切削角度是提高钻头破岩效果的有效途径之一。本文利用有限元数值模拟不同切削角度的切削齿与岩石相互作用，通过计算岩图1PDC钻头切削齿破岩示意图石破碎体积、切削比功，得出切削角度与二者之间1.1有限元模型的建立的关系规律，分析切削角度与破岩效果的关系，以为便于计算和分析，对问题假设：（1）切削齿切优化切削齿的切削角度。削岩石的部分为聚晶金刚石复合片，由于金刚石极1切削齿

5、切削角度的优化方法硬，可认为是绝对刚性体；（2）岩石为弹塑性体，其PDC钻头是在钻压和扭矩的联合作用下钻进，破坏方式遵循Drucker—Prager破坏准则，不考虑围对于每一个切削齿的受力，可简化为切削齿受压入压及温度对岩石的影响；（3）研究中假定钻头机械力和切削力作用（见图1）。PDC切削齿与岩石作用钻速不变，则切削齿的每转吃入量一定，在本文中过程是一个高度非光滑非线性接触问题。对于这种吃入量取值为3mm／r。（4）切削齿在井底的实际运问题的分析，有限元是一种行之有效的分析方法，动形式为螺旋线，由于螺旋角很小，将切削齿的运研究中通过计算岩石破碎体积、破碎比功来衡量破动简化为平面运动

6、。岩效果。破岩体积越大说明岩石受的力越大，而不根据以上简化和假设，建立有限元模型如图2同切削角度的切削齿与岩石之间的作用力是不同所示。针对PDC钻头适应于软到中硬地层，本文选的，不同作用力破碎岩石所做功需要用破碎比功来用砂岩、页岩为代表性岩样。分析中采用的岩石和衡量，岩石破碎比功是切削齿与岩石接触过程中所切削齿材料参数如表1所示。作的功比上岩石破碎总体积得出比功的概念，破碎表1计算选择的岩石及其切削齿材料参数比功是定量地从能量的角度反映切削方式的破岩岩样/切齿EX／MPaPRXYC／MPaφ／(°)MU效率。因此，寻求切削角度的最优数值，需要综合考页岩5E＋30.3520450.3虑

7、二者关系，即岩石破碎体积大，同时切削齿与岩砂岩2.4E＋0.60.330450.3石作用过程中做功最小。切削齿9E+110.06910.249Vol.30No.8PDC钻头切削齿切削角度对破岩效果影响规律的研究———王镇全，等第30卷第8期大，切削齿与岩石接触面积越大，致使接触压力逐渐减小。而切削齿等效应力随着切削角度减小而减小，这是因为当切削角度分别为负角度和正角度时，切削齿破碎岩石方式不同，负角度时，切削齿是以压碎和剪切方式破岩，岩石由于切削齿对其压入