全尺寸PDC钻头
复合冲击破岩机理的有限元分析
彭旭1,2，郝世俊1,2
(1.煤炭科学研究总院，北京；
2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安)
01
作者简介
年7月硕士毕业，现就职于中煤科工集团西安研究院有限公司，煤炭科学研究总院博士研究生，主要从事煤矿区地面（井下）定向钻井技术的应用与推广。自工作以来，主持和参与国家级、省部级及其他等各类科研、横向项目20余项。主参完成的项目获得省部级科技奖励4项，其中获煤炭工业协会年度特等奖1项；先后发表论文9篇，其中EI检索1篇，参与编写专著1部，获得授权发明专利1项，实用新型1项，获得个人荣誉称号5项。目前作为骨干人员正在参与国家重点研发计划项目“矿山灾害生命保障救援通道快速安全构建关键技术与装备”编号（YFC）。
02
摘要
针对坚硬地层破岩效率低、钻具粘滑振动造成钻头寿命降低等问题，通过ANSYS有限元分析软件对全尺寸钻头复合冲击破岩机理进行研究。分析了冲击频率、钻压和转速对钻头破岩效率的影响，通过分析发现钻头破岩过程中，岩石内部既存在拉应力，也存在压应力，岩石破坏表现形式为“拉伸+压剪”的综合作用破坏。研究得出在扭转冲击频率为25Hz条件下，此时轴向冲击的最佳频率为13Hz，在这2种冲击频率的配合下机械钻速最快；钻压对机械钻速影响较大，两者呈线性正相关关系，并回归出有无冲击载荷条件下钻头机械钻速与钻压的变化关系式；转速对机械钻速的影响较小，两者呈微增趋势，分析认为是坚硬岩层使PDC钻头变切削为研磨状态导致机械钻速变化不大；复合冲击在地层钻进中能明显提高机械钻速。全尺寸PDC钻头复合冲击破岩机理研究对于钻进效率的提高和复合冲击技术的发展具有重要意义。
03
文章主要内容
1复合冲击破岩技术
2复合冲击破岩模型
3数值模拟结果分析
04
主要附图
图1单颗钻齿在井底的破岩
图2有限元分析模型
图3岩石内部S-Mises应力和最大主应力
图6不同钻压有无轴向冲击条件下岩石最大主应力对比
图7不同转速有无轴向冲击条件下岩石最大主应力对比
05
结论
a.扭转冲击频率与轴向冲击频率近似成2倍关系，目标地层的扭转冲击频率为25Hz，轴向冲击频率为13Hz时，在这2种冲击频率配合下的钻头机械钻速最快，破岩效率最高。
b.冲击载荷条件下岩石的最大主应力明显大于无冲击载荷条件下岩石的最大主应力，并且随着钻压增加，相应的岩石最大主应力也会增加，因此复合冲击条件下的机械钻速明显大于无冲击条件下的机械钻速，并且随着钻头钻压的增加，机械钻速成线性增大。
c.随着转速的增加在有无复合冲击的条件下岩石应力均呈微增趋势，其机械钻速也呈微增趋势，分析认为坚硬灰岩导致PDC变正常切削为研磨，因此，转速对于机械钻速影响较小。
d．建立了PDC钻头破岩的全尺寸模型，以灰岩地层为例，分析了复合冲击条件下的钻头破岩机理，复合冲击条件下，岩石内部既存在拉应力，也有压应力，岩石内部主应力显著增加，较无冲击破岩，能够进一步提高岩石的破碎效率。
想了解全文，请扫描