（地质工程专业论文）基于proe软件的典型地质pdc钻头的应力分析.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导老师： 基于p r o e 软件的典型地质p d c 钻头的应力分析 地质工程 张晓亮 唐胜利 摘要 ( 签名) 该 办 - 。 p d c ( 聚晶金刚石复合片) 钻头的强度对钻进效果有着决定性影响。通过大量现场 钻进结果表明，9 0 以上钻头因钻头体超前损坏和切削齿失效等因素导致钻头报废，造 成了大量浪费。因此，有必要开展p d c 钻头切削载荷和钻头强度等方面的研究，其具有 重要的理论和实际意义。 论文通过对已失效钻头分析，总结出钻头失效类型有钻头体失效和切削齿失效，并 讨论了影响失效的主要因素，在此基础上选择了两种典型的地质p d c 钻头作为研究对 象。其次，从钻头切削齿与岩石之间的相互作用关系展开分析，在岩石力学和类比金属 切削力学基础上，导出了切削齿单元体模型剪切面和切削面上应力公式。最后，采用 p r o 厄n g i n e e r 软件建立了典型地质p d c 钻头的三维实体模型，通过对模型进行有限元 分析，发现切削齿切削深度越深，切削齿上应力越小，但切削齿的磨损速度加快；当其 它参数不变时，岩石力学参数越大，切削齿上应力越大；当切削深度一定时，切削面积 与弧长越大，切削齿上应力越小。根据分析的结果对钻头切削齿形状进行改进，并对改 进后的钻头进行有限元分析，分析结果表明p d c 钻头的力学性能得到了改善。本文的研 究为其它种类的地质p d c 钻头的设计提供了一定得参考。 关键词：p d c 钻头：有限元分析；模型；切削载荷 研究类型：应用研究 s u b j e e t ：a n a l y s i so nt h et y p i c a lg e o l o g i c a lp d cb i t s s t r e s s b a s e do n p r o es o f t w a r e s p e c i a l t y ：g e o l o g i c a l e n g i n e e r i n g n a m e ：z h a n gx i a o l i a n g i n s t r u c t o r ：t a n gs h e n g l i a b s t r a c t ( s i g n a t u e r ) 出】垄趔唑 ( s i g n a t u e r ) t h es t r e n g t ho fp d cb i th a v ead e c i s i v ei n f l u e n c et od r i l l i n ge f f e c t al a r g ea m o u n to f o n s p o td r i l l i n gr e s u l t si n d i c a t e st h a ta b o v e9 0 b i ti ss c r a p p e db e c a u s eo fe a r l ys h a r e ro f a i g u i l l eb o d yo rf a i l u r eo ft o o t h , w h i c hc a u s e sam a s so fw a s t e s oi t i sn e c e s s a r yt os t u d y c u t t i n gl o a d ，s t r e n g t ha n do t h e ra s p e c t so ft h ep d c b i tw h i c hh a v ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f i r s t l y , a c c o r d i n gt oa n a l y s i so ni n v a l i d i t yb i t ，i n v a l i d i t yt y p e so fb i ta r es u m m a r i z e d ，t h e y a l eb i tb o d yi n v a l i d i t ya n dc u t t i n gt e e t hi n v a l i d i t y a n da l s ot h em a i nf a c t o r so fi n v a l i d i t ya r e s t u d i e d b a s e do nt h es t u d ya b o v e ，t w ot y p e so ft y p i c a lg e o l o g i c a lp d cb i ta r es e l e c t e da s r e s e a r c ho b j e c t s s e c o n d l y , t h er e l a t i o nb e t w e e nb i tc u r i n ga n dr o c ki sa n a l i z e d ，b a s e do nt h e r o c km e c h a n i c sa n dc u r i n gm e c h a n i c s ，t h e nt h es t r e s sf o r m u l a so ns h e a rp l a n ea n dc u t t i n g p l a n eo ft h eb i tc u r i n gu n i t sm o d e la r ed e r i v e d f i n a l l y , a c c o r d i n gt o p r o e n g i n e e r s o i t w a r e ，at y p i c a lg e o l o g i c a lp d cs o l i dm o d e li se s t a b l i s h e d ，a c c r o d i n gt o f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s0 1 1t h em o d e l ，i ti so b t a i n e dt h a tt h ed e e p e rt h ec u t t i n gd e p t ho fc u t t i n gt e e t h ，t h e l o w e rt h es t r e s so nc u t t i n gt e e t h , b u tw e a rr a t ea c c e l e r a t e s ；w h e no t h e rp a r a m e t e r sa r e i n v a r i a n t ，t h eg r e a t e rt h er o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r s ，t h eg r e a t e rt h es t e s so nc u t t i n gt e e t h ； w h e nt h ed e p t hi si n v a r i a n t ，a st h ec u t t i n ga r e ab e c o m e sb i g e ra n da r c l e n g t hb e c o m e sl o n g e r , t h es t r e s so nt h ec u r i n gt e e t hb e c o m e sl o w e r t h e na c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t s ，c u r i n g t e e t hs h a p eo fb i ti sd e v e l o p e d ，a n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so nb i td e v e l o p e di sc a r r i e do n t h e r e s u l t ss h o wt h a tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp d cb i ta r ei m p r o v e d a n dr e f e r e n c ef o rd e s i g no f o t h e rp d cb i ti sp r o v i d e dt h r o u g ht h es t u d yo ng e o l o g i c a lp d cb i t k e y w o r d s ：p d cb i t ：f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；m o d e l ：c u r i n gl o a d t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 妻料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：锨日期：尸夕 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 。 学位做作者妣批忘指导教师舭j 7 锄咖f o 广年。彳月哆1 日 1 概论 1 1 选题背景及研究意义 1 概论 1 1 1 选题背景 钻进技术在地质工程、矿产资源勘探与开发、煤矿井下瓦斯抽放与锚杆支护以及国 家工程建设中有着举足轻重的作用，钻探技术的先进与否将直接影响工程施工进度和成 本，甚至影响地质、开采和工程施工效果。钻头是直接克取岩石的工具，其质量的好坏 又是影响钻进成本和成孔效率的关键因素。p d c ( p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c t 金刚 石复合片) 是2 0 世纪7 0 年代美国克里斯坦森、通用等公司首先研制的一种新型超硬材料， 2 0 世纪8 0 年代我国开始试制。p d c 是硬质合金与金刚石聚晶在高温高压条件下合成的整 体超硬材料，既具有金刚石的高耐磨性，又具有硬质合金的抗冲击韧性。由其制作的p d c 钻头在软较硬岩层中有着卓越的钻进性能、且其寿命长、钻效高【1 1 。 经过2 0 余年的不断探索研究，p d c 切削齿性能更加完善，焊接方法、材料和工艺更 加可靠，设计理论更加丰富，因而在上述应用领域已得到广泛的应用，深受钻井界人士 青睐，尤其在煤田、石油沉积岩地层中的8 0 均能使用该类钻头，我国每年用量过百万 只，价值近二十亿元。然而大量现场钻进结果表明，9 0 以上钻头均因钻头体超前损坏、 崩齿、掉片等非正常型式的失效而报废，实际使用寿命不足其理想值的5 0 ，造成大量 浪费 2 - q 。目前，国内外针对上述情况，仅开展了p d c 钻头切削载荷试验的研究，而对切 削载荷的理论研究尚未见到相关文献报道，尤其是对钻头强度的实验和理论研究，更为 少见。因此，有必要对p d c 钻头切削载荷和钻头强度进行理论研究。 1 1 2 研究意义 近年来，我国p d c 钻头的制造手段、设计和分析方法发展迅速，其中钻头制造技术 已经几乎达到国外发展水平【5 一。然而，在钻头设计方面，仍然还处于二维设计阶段。而 对p d c 钻头强度的测试与分析方面缺乏研究。 因此，本文改变传统的二维分析方法，在三维实体环境下，通过计算机仿真地质p d c 钻头切削齿与岩石的作用，分析钻头受不同切削力影响时应力变化规律，为钻头的设计 提供了参考，钻头的合理选用提供了理论依据。 1 2p d c 钻头力学性能研究现状 p d c 钻头切削过程受力状态的试验、理论研究方法和结果简称为p d c 钻头切削力 西安科技大学硕士学位论文 i 萱暑i i i 宣暑暑i 宣昌宣萱宣i i i i i 暑i i i i i 暑暑暑宣暑 学，p d c 钻头切削载荷的测试与分析是切削力学的一个重要方面。p d c 钻头的性能( 如钻 速、扭矩特性、横向力以及齿的寿命等) 与切削齿的工作载荷相关，切削齿的切削力参 数是评价钻头设计是否合理的重要依据。因此p d c 钻头切削齿的受力一直是国内外钻头 研究人员所关注的问题，他们在切削力学分析方面进行了一些的理论和实验研究工作。 下面对其中比较有代表性的研究内容和成果作简要介绍。 ( 1 ) j b c h e a t h a m 和w h d a n i e l s 的研究工作 19 7 9 年，j b c h e a h m a m 等人在能源技术上发表文章【7 】，介绍了他们在常压和围压条 件下进行的单齿切削页岩的实验，用于实验的切削齿有三角形、圆片形和矩形三种形状。 通过实验得到以下结论： 围压条件下页岩的切屑形状特征与常压下铅的切屑几乎一样，说明可以把塑性 金属切削模型作为页岩切削的理论模型； 用摩尔一库仑准则和三轴抗压的实验数据来分析钻井液压力和岩石强度对切削 力的影响，其结果与实验测试结果是一致的； 切削力与岩石抗压强度的比值正比于齿的切削面积。 ( 2 ) s a n d a i 实验室d a g l o w k a 的研究工作 s a n d a i 实验室d a g l o w k a 在1 9 8 9 年8 月的j p t 杂志上【8 ，9 】介绍了他们在p d c 齿 切削实验以及切削力计算模型方面的研究情况。通过单齿实验结果总结出以下规律： f 单个磨钝齿切削岩石时的正压力f 与切削深度d 的关系为：= c l d 傀； a 单个尖锐齿切削岩石时的正压力f 与切削深度d 的关系为：f = c d n 2 ； 当齿的切削深度d 为定值时，切削正压力f 正比于齿磨损面面积4 ； 当齿的切削深度d 和磨损面面积彳均为定值时，直径大的切削齿所需的正压力 不大于直径小的切削齿所需的正压力，而直径大的切削齿可以切削更多的岩石，所以使 用大尺寸切削齿破岩效率较高； 齿的主切削力与正压力成正比； 在低压水射流条件下的切削实验结果与无冷却润滑条件下的实验结果有一定的 差异，切削齿的正压力基本相同，而无冷却润滑条件下的主切削力大于有冷却润滑条件 下的主切削力，即主切削力会由于使用冷却润滑剂后摩擦力的下降而下降。 为了模拟实际钻头的切削条件，还进行了多个切削齿的组合直线轨迹切削实验。并 提出了利用“等效切削深度”将单齿切削模式下的切削载荷经验公式应用于组合切削模 式的方法。 厂弋 ( 3 ) e d e t o u r n a y 等人的研究成剁1 7 1 9 9 2 年，英国s c h l u m b e r g e rc a m b r i d g e 研究中心的e d e t o u m a y h 和e d e f o u m y 介 绍了一种p d c 齿切削载荷计算模型： 2 1 概论 新齿计算模型： f = g 么，巧= 乒4 磨损后计算模型：f 5 = ( 1 一心) 占么+ e ，c = 巧+ 群 上述二式中，f 、砰分别表示金刚石表面承受的水平力和垂直力( 平行于切削表面 的力和垂直于切削表面方向的力) ；只、e 分别表示钝齿的水平力和垂直力；硝表示作 用于钝齿磨损平面的垂向力；a 为切削面积；8 为岩石固有比能；f 为垂向力与水平力 1 9 9 4 年，石油大学通过进行钻头工况下的多齿模拟试验，较为全面地研究了钻头的 结构参数及钻进参数与p d c 钻头切削齿受力的关系。通过实验取得的研究成果： 通过实验得到切削齿受力计算模型和设计的试验装置及试验方法，可以计算或 精确地实测各种类型p d c 钻头上切削齿在一定工作条件下的受力，为钻头的评价和设 计提高了可靠的手段。其受力模型： f = ( 幺，岛，a z i ，z 2 ，蜀，恐，r ) ，7 。o 肪，皿，也，。k 局墨 式中，f 为切削齿的受力；鼠，a 幺为该齿及相邻两齿的周向角之差；a z , ，必为轴 向高度之差；a r , ，必为径向之差；r 为切削齿的径向坐标；墨切削齿侧转角因子；疋 为切削深度因子；疋为岩石因子。该实验室在设计的新型组合齿试验装置机上，采用 二次通用旋转设计方法，得到了这三个因子； 钻头的结构参数直接影响切削齿受力的大小； 随着切削齿吃入岩石深度的增加，切削齿各方向的受力呈幂指数增加； 西南石油大学李树盛、杨迎新等人在p d c 钻头基础工作理论方面作了一些研究。 建立了p d c 钻头几何学基本方程；归纳出p d c 齿工作区域以及切削截面形状，并进行 了系统的分类；推导出p d c 齿刃轮廓线上任意点在切削模型不作任何简化时的切削角 度的计算公式：给出了分别适用于塑性岩石和脆性岩石的p d c 钻头切削力计算的基本 理论模型；还编制了p d c 钻头力学分析软件( p d c b m 软件) ，能够通过计算机软件方便、 高效地计算p d c 齿的工作区域、切削量、切削角度、切削力以及p d c 钻头工作载荷， 但该软件有一定的局限，即不能处理偏心状态下的运动，并且对齿侧进行了忽略。 1 3 研究内容和技术路线 1 3 1 研究内容 本文在国内外研究地质p d c 钻头成果的基础上，针对目前地质p d c 钻头受地质条 件、钻进工艺及制造工艺的影响导致钻头切削齿柱断裂、崩齿及钻头体超前损坏等问题， 3 西安科技大学硕士学位论文 采用数值分析方法建立钻头切削理论模型，并用p r o e n g i n e e r 软件对现有几种典型的 p d c 地质钻头进行有限元分析，得出其应力分布的基本情况，进而找出其不足，在此基 础上改进钻头。其研究内容主要包括： ( 1 ) 钻头失效部位分析 通过对失效的地质p d c 钻头进行分析，总结出钻头失效类型。 ( 2 ) 建立钻头力学模型 利用数值分析方法，在类比金属切削理论的基础上，建立p d c 钻头切削齿受力模型， 并计算出切削齿在不同切削条件下( 不同岩样及切削深度和面积) 受到的力，作为后续 软件仿真载荷的依据。 ( 3 ) 建立钻头模型并对其进行有限元仿真分析 在p r o e n g i n e e r 软件中建立钻头实体模型，利用p r o e n g i n e e r 中的m e c h a n i c a 模块对钻头在不同切削条件下进行应力分析，并找出其应力分布规律。 1 3 2 技术路线 对p d c 钻头的研究分两个阶段。准备阶段的重点是要明确完成的任务、对以往钻 头的使用资料进行分析、积累设计和使用经验。研究分析阶段首先要根据资料和经验， 选择研究对象，分析钻头结构特点并建立力学模型，其次对所选择的钻头进行实体模型 的建立。最后根据理论计算和软件仿真对钻头进行分析。技术路线详见图1 2 。 学习相关知识和翻阅资料 选择典型钻头 选择岩样并测得参数 建立钻头切削理论模型 钻头模型的建立及有限元分析 室内实验 至 效率提高? 是 l竺查i 图1 2 技术路线 4 总结经验 2 地质p d c 钻头失效分析度选型 2 地质p d c 钻头失效分析及选型 2 1 地质p d c 钻头失效类型 2 1 i 钻头体失效 钻头在井下的工作环境非常恶劣，钻头体在钻进过程中的失效会直接影响到钻头自 身的使用寿命。通过钻井后取出的报废钻头发现，通常钻头体破坏部位有钻头捧屑槽和 钻头丝扣等处。如图2 1 所示。 圃 磐， o 。 图2 i 失效钻头体 2 12 切削齿失效 现场应用说明钻头失散的主要原因是由于复合片与岩石的摩擦刮削、冲击碰撞等作 用，这是造成聚晶金剐石层的破损而失去切削能力。复合片失效的主要形式有以下几种： ( 1 ) 平滑磨损t p d c 切削齿平滑磨损的特征是磨损面宏观上表现较为平整，其金刚石和w c 基体 均在切削过程中被磨损而形成磨损平面。 ( 2 ) 微断裂 微断裂表现为金刚石片近似地沿切削方向形成微尺度的片状断裂。其裂纹起源于会 刚石片的圆平面上，继而向纵深发展而导致微片状断裂。微断屑失效发展速度比平滑磨 损快，损害也严重得多。 ( 3 ) 宏观破裂 宏观破裂表现为大尺寸的金刚石的破断。它是p d c 切削齿破坏最为严重的一种失 效形式，通常导致钻头报废。 ( 4 ) 其他失效形式 残余应力破坏 西安科技大学硕士学位论文 p d c 钻头的切削齿是由聚晶金刚石薄层和碳化钨基柱组成的，由于金刚石催化剂钴 和碳化钨基柱的热膨胀系数各不相同。在高温高压的冷却阶段，压制块中留有严重的残 余应力。相当大的一部分p d c 切削齿由于残余应力太高而报废，有时p d c 薄层从碳化 钨基柱上自然脱离。 p d c 钻头水力失效【”j 水力失效主要指钻头泥包。p d c 钻头在钻软地层时钻速快，岩屑量大，如果钻头选 型不当、钻压过大、泥浆排量和水功率过小，以及泥浆性能不符合要求等原因，使已经 破碎的岩屑不能及时地从井底排出，导致钻头流道堵塞，形成钻头泥包。 功能性失效 当钻头的规径齿受到过度的磨损或脱落时，规径齿规径能力减弱，造成缩井，使钻 出的井不能达到设计要求，尽管此时钻头虽未丧失破岩能力，仍需终止使用。 2 2 影响地质p d c 钻头失效因素 2 2 1 影响钻头体失效因素 ( 1 ) 地质因素 在钻进参数及钻进规程一定时，p d c 钻头钻进软岩、破碎、易缩径的地层时，围岩 对钻头的磨损加剧，以致钻孔口径逐渐缩小，最终导致钻头失效。当钻头钻进软硬互层 的地层时，由于钻头受力不均，易使钻头产生轻微幅度不规律的跳动，使钻头失效。 ( 2 ) 钻进工艺因素 冲洗液量过大时易冲蚀钻头体表面，规径易于磨小。为了有效地清除和携带岩屑， 保证井底切削齿的清洁、润滑及散热能力，通常的做法是增加钻头的水力能量，以便改 善井底的清洁、切削齿的润滑和散热能力，这样做的同时也增加了对p d c 钻头体的冲 蚀作用，给钻头的使用带来了危险；钻头的钻压过大时，吃入地层就越深，地层阻力较 大，并且动态钻进恢复力所占钻压的百分比就更大，所以钻头不容易涡动。相反，在较 低钻压下钻进时，钻头易产生涡动，从而加大了钻头与井壁之间的摩擦，使钻头使用寿 命降低；高转速会使钻头产生较大的侧向力和侧向位移，也会加剧钻头与孔壁之间摩擦。 ( 3 ) 钻头体材质及加工因素 对于胎体钻头来说，其主要性能参数是胎体的抗高压、抗高冲击、高强度和耐磨性， 这些参数是由其胎体的配方、磨具的制造及烧结工艺所决定的。胎体硬度过低，保径不 强，均会导致钻头体过早失效。 对于钢体钻头来说，虽然其耐磨性不如胎体钻头，但优良的加工及表面处理技术也 能降低其失效的速度。先进的表面硬化处理可以大大提高钻头的耐用度，至少使钻头经 得住2 0 0 h 的钻进时间f 1 6 】。 6 2 地质p d c 钻头失效分析及选型 2 2 2 影响切削齿失效因素 ( 1 ) 切削齿的切削深度对切削齿的影响【1 6 1 如图2 2 所示。切削齿相对磨损量h 为： 五：一l d 式中：b 相对磨损量( h 1 ) ； 己切削齿的切削深度，m m ； 扛切削齿直径， ( 2 1 ) 图2 2 切削齿磨损几何关系 由图2 2 看出几何关系： 夕：i d c 。s ； 夕2 i c o s 。 则 办：1 y 2d 即 办：一1 一王d 竺：1 二! 竺望办：一一王竺：1 二! 竺望 2d2 式中是磨损弦长对应的角。 解出弦长对应角表达式为： e o s p = 1 - 2 h 因为磨损面积正比于对应角所对应的弦长，所以磨损面积正比与直径和卢角。而 切削齿磨损速度反比于磨损面积。切削齿的磨损速度随着相对齿磨损量的增大而减小。 此时切削齿的相对磨损量h 介于0 到o 5 之间。当高于此范围时，磨损速率随h 增大而 增大。因此切削齿切削深度最好不要超过切削齿半径。 7 西安科技大学硕士学位论丈 ( 2 ) 轴向压力对切削齿磨损的影响 p d c 的硬度是碳化钨硬度的5 倍左右，具有高抗磨蚀性能。当切削硬岩时，需要施 加高钻压，使切削齿承受巨大的机械应力。作用在切削齿的摩擦力随钻压的增大而增大， 摩擦力可以写成： 厂邓f ( 2 2 ) 式中厂_ 摩擦力； ，卜切削齿与岩石之间的摩擦系数； 卜作用在切削齿磨损面上的力。 由式( 2 2 ) 可以看出，切削齿的磨损与润滑介质有关，清水中钻井t = l ， 井= 0 3 。另一方面，钻压的增加显著地使切削齿和岩石界面的摩擦热上升， 削齿的热磨损，这是钻压增加导致切削齿磨损量增加的主要原因。 单位切削长度的体积磨损与切削齿的压力即钻压是成正比的： d v ：c f d l 式中d v 切削齿体积磨损增量； 刃切削长度增量； f 切削齿上的压力，n ； c 岩性和切削齿材料的相关系数。 由式( 2 3 ) 可以求出切削齿体积磨损速度与钻压之间的关系表达式： d v 享塑c f d td t 式中华切削齿体积磨损速度； 空气中钻 导致了切 ( 2 3 ) ( 2 4 ) _ a l 切削齿相对岩石的移动速度； 讲 f 切削磨损面上的作用力，n 。 若切削齿移动速度为常数，则： 堕：c f( 2 5 ) 廊 可见切削齿的体积磨损速度与钻压是呈线性关系。随着钻压增加，磨损速度增加n 4 1 。 ( 3 ) 切削速度对切削齿磨损的影响 切削齿每齿切削距离为刃的体积磨损受切削速度的影响很大，但是磨损机理基本没 有变化。增加切削速度的结果是切削齿和岩石接触面上的温度迅速升高，切削温度增加 使切削齿磨损速度急剧升高。 8 2 地质p d c 钻头失效分析厦选型 从分析钻头失效类型及因素看出，p d c 钻头失效主要有切削齿崩齿、断裂和钻头体 失效等形式。这些失效类型不仅缩短了钻头的使用寿命，而且很大的影响了钻井的效率。 2 3 典型地质p d c 钻头的选型 地质p d c 钻头的类型多种多样，而三翼内凹钻头和取心钻头使用范围相对比较广 泛，应用效果也特别好。因此，本文选择这两类钻头作为研究对象，如图2 3 所示。 ( 1 ) p d c 三翼内凹钻头 p d c 三翼内凹钻头即钢体式钻头。钻头直径9 8 m m 、内凹孔径4 4 m m 、冠部高4 3 m m ， 冠部侧面开有宽6 2 m m 保径槽、钻头体高1 2 5 n l r n 、切削齿复合片厚8 m m ，直径1 34 m m 、 内凹镶有合金柱体半径8 m m ，内凹水眼半径5 m m 。 对失效的钻头进行观察，发现地质p d c 三翼内凹钻头失效的形式主要有：p d c 切 削齿受损和内凹齿柱断裂等。 ( 2 ) p d c 取心钻头 钻头内径7 3 r a m 、外径9 8 m m 、翼部高2 8 r a m ，翼部侧面开有宽6 2 m r n 保径槽，钻 头体高1 2 5 m m 、切削齿复合片厚8 m m ，直径1 34 m m 、钢体丝扣长4 0m m 。 对已失效的p d c 取心钻头分析发现，其主要失效形式有：p d c 切削齿的破坏、翼 部受损、p d c 钻头体丝扣破坏等。 陬 a ) 地质p d cj 凭内凹钻头 ( b ) 地质p d c 取心钻头 圈2 3 两种典型的p d c 地质钻头 2 耋：鉴盔：罂当：竺兰三 3 地质p d c 钻头力学模型的研究 3 1p d c 钻头简介 按制造工艺和材料的不同，p d c 钻头分为两类：胎体式钻头和钢体式钻头。胎体式 钻头的奉体用铸造碳化钨粉与浸溃金属烧结而成，表面耐冲蚀能力强。钢体式钻头由碳 钢毛坯经机加工而成，表面耐冲蚀能力不及胎体式钻头，但钻头体成本低、韧性好i ”l 。 本文研究的地质p d c 钻头属于刚体式钻头如图3 1 所示。 幽3l 地质p d c 刚体式钻头 ( i ) p d c 切削齿 p d c 切削齿( 聚晶金刚石复合片) 是金刚石微粒在触媒的作用下，经高温高压下， 与硬质合金衬底粘结在一起所形成的复合材料，p d c 切削齿为圆片状，如图32 所示。图 3 _ 3 和图3 4 为材料合成装置。 图3 2 金刚石复台片 复合片聚晶层厚l m m 左右，硬质合金衬底厚5 2 0 r a m ，复合片直径8 m m 以上。因为 金刚石聚晶层有很高的耐磨性和抗冲击韧性，并且金刚石聚晶层能始终保持锐利的切削 刃，因此在地质和石油钻井的软至较硬岩层中获得广泛应用。复合片的缺点是热稳定性 较差，其环境温度超过7 0 0 3 2 时，盒刚石晶粒粘结剂失效，导致切削齿损坏。因此，p d c 齿不能烧结在胎体上，只能采用熔点较低的银台金钎焊于钻头体空穴上。我国目前生产 0 i ：丝彗蓦兰奎：兰鉴：兰筌垒 的复合片性能已经接近国际先进水平，磨耗比在1 0 x 1 0 4 6 1 旷；抗冲击韧性也很高 抗热损伤温度达9 0 0 ( 国外已经达1 2 0 0 ) 【1 8 1 。表3 1 为几种材料性能对比。 图3 3 六面顶压机加载方式图34 围产六面顶压机外观厘腔内图 表3 1 材料性能对比 ( 2 ) p d c 钻头的结构 p d c 钻头主要由钻头体、切削齿、水力系统等组成。它是依靠焊接在钻头体上的切 削齿切自拙层的，这些切削齿按一定的方式焊接在钻头体表面上。为了提高切削齿切削 地层的效率，钻头上有由水眼等组成的水力系统，它主要任务是清除岩屑、清洗井底、 冷却钻头与润滑切削齿。图35 是典型地质p d c 钻头结构示意图。 图35p d c 钻头结杓 p d c 钻头的性能特点如下： 在适宜的地层中破岩效率高。因为p d c 钻头既不像牙轮钻头靠压碎破岩，也不像 天然金刚石钻头犁削和微切削，而是以剪切方式破碎岩石，i j p d c 齿自始自终保持锋利r 自锐作用明显，因而在低钻压、低转速条件下就能获得较高钻速。 西安科技大学硕士学位论文 寿命长，成本低。p d c 钻头既具有金刚石的耐磨性，又兼有碳化钨的抗冲击性。 p d c 钻头在适宜的地层钻进，可以在相当长的时间内持续钻进，这样可以节约大量的起 下钻时间，从而大大降低单位进尺成本。 生产工艺相对简单，钻头结构设计的灵活性大，制造周期短。 可靠性高。由于钻头上无活动部件，一般不会出现钻头零部件落入井内的现象， 避免井下事故发生，从结构上消除了事故隐患。 3 2p d c 钻头破岩机理 机械破碎是钻井使用的破岩方法，通过对岩石的冲击、磨蚀或冲蚀进行破碎方法， 当机械作用力产生了超过岩石强度的拉伸或剪切应力时，岩石就发生塑性屈服或碎性破 坏。根据岩石力学性质，岩石抗压强度往往比剪切强度高数倍乃至l o 多倍。因此，利 用剪切或切削方式破碎岩石的工具，必然会是一种高效的工具。以往镶齿的刮刀钻头对 岩石的破碎虽然也称为以剪切或切削方式破碎岩石，但实际上，在大部分的钻进时间内， 它不是处于切削而是处于刮削状态。而复合片钻头的切削齿具有金刚石耐磨层，虽然其 厚度很薄，但硬度高，一般比碳化钨硬质合金的硬度高1 0 0 倍以上，因而刃口锋利，且 刃尖后面的聚晶层能与前面的聚晶层同步或超前磨损，因而复合片钻头在切削过程中， 其刃口能自锐，锐利的刃口切入岩石，在扭矩和轴向压力的共同作用下向前移动，剪切 岩石。故复合片钻头具有高速切削岩石的优势。 图3 6 为牙轮钻头、天然金刚石钻头和p d c 钻头三种不同破岩的方式。牙轮钻头是 高钻压以牙轮齿压碎岩石，被压碎的岩石在继续增大的钻压下向周围岩石产生侧压力， 侧压力形成剪应力，当其值超过岩石抗剪强度时，内部裂缝将沿最大剪应力发展至表面， 于是形成破碎坑穴。因此，最后还是剪应力起作用，但是经过这种应力状态的传递，效 率很低。天然金刚石刮削或磨削岩石，切入很浅，一般低于0 2 5 毫米。由于天然金刚石 单晶存在固有的弱节理面，故尖棱易于破碎磨钝、圆化，最后仅是一种研磨作用。p d c 钻头由于有自锐作用，刃口锋利，故在整个使用过程中切削岩石，从而实现高速钻进【1 9 】。 ( a ) 牙轮钻头破岩的方式( b ) 天然金刚石钻头破岩的方式( c ) p d c 钻头破岩的方式 图3 6 三种类型钻头破岩的方式 另外，从钻进效果来看，牙轮钻头在钻进过程中，只有接触井底三个牙轮牙齿破碎 1 2 3 地质p d c 钻头力学模型的研究 地层，而p d c 钻头是全部牙齿都在破碎地层，其破碎面积大于牙轮钻头，因此在相同 的钻井参数下，p d c 钻头的破岩效率要高于牙轮钻头。从清岩角度来看，在牙轮钻头工 作时，钻头底部三个牙轮的空间较大，井筒内的静液柱压力和地层压力之间存在着压差， 破碎下来的岩屑在泥浆的冲击下有往返运动的趋势，岩屑在压力差的作用下，将被紧压 在原破碎坑内不能及时排离，所以还会形成低效率的重复破碎现象。而p d c 钻头底部 空间体积很小，当钻井液冲击井底时，底部空间形成很高的压力，岩屑在高压力作用下 能及时脱离井底流向环空。p d c 钻头在切削过程中，由于切肖i j 齿的切削破岩方式，岩屑 将自然脱离井底，岩屑上下压力平衡，所以不存在由于压差引起的岩屑清除障碍问题。 3 3p d c 切削齿切削区域 p d c 切削齿的工作区域和切削量是决定切削载荷的根本因素，正确计算切削齿工作 区域是p d c 钻头切削力分析和计算的基础。对切削区域的分析和计算是在以下假设前 提下进行的。第一，钻头中心线与井筒中心线重合：第二，钻头每转的进尺是恒定的1 2 0 j 。 切削齿工作区域如图3 7 所示。 图3 7p d c 切削齿工作区域 切削齿的轴线在与岩石切削表面垂直的平面内，在该平面内将切削齿的受力分解成 两个力，如图3 7 所示。即沿切削方向的切向力f 。和与岩石切削表面垂直的正压力f n 。 p d c 切削齿破岩过程中，岩石对切削齿的反作用力主要由岩石破碎阻力和切削面上 的摩擦力两部分构成。因此，切削面的几何性质直接影响到p d c 切削齿的受力。本文选 择了几种常见的切削面形状进行分析，如图3 8 所示【2 i 】。 ( a ) 切削面形状1( b ) 切削面形状2( c ) 切削面形状3 图3 8 切削面形状示意图 1 3 西安科技大学硕士学位论文 切削区域与切削齿的前倾角、侧转角以及切削深度有着密切的关系【2 2 】。切削齿的切 削量通常可以用切削深度、切削弧长、切削面积三种方式来描述。切削深度是指与岩石 接触的切削齿区域的纵向高度d ；切削弧长三是指与岩石接触的切削齿轮廓线的长度；切 削面积s 是指与岩石接触的切削齿区域的面积。 切削面形状l 的面积 如图3 9 所示，切削齿半径r = 1 3 4 m m ；切削深度为d ；前倾角a = 1 2 0 。通过面积公式 ( 3 1 ) 计算在不同切削深度条件下，切削面积的大小值，如表3 1 所示。 ：竺掣d例z、d砂f云co写s12。s c o sc o s ， ：二二里q 出2 三! 二万，z 一) b 2 一( ，一生) z ) 3 6 0 0 ” 1 2 、 、77 三：竺兰：竺丕d 巫2 z r三= 型盐生 表3 1 切削面形状1 的参数 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 切削面形状2 的面积 如图3 1 0 所示，切削齿半径，；切削深度d ；前倾角仅，并设切削面两边夹角为6 0 0 。 通过面积公式( 3 3 ) 计算在不同切削深度条件下的切削面积，如表3 2 所示。 1 4 3 地质p d c 钻头力学模型的研究 图3 1 0 切削面2 区域图 s = 否1 呖 r 2 - ( ，一盎) 2 】 表3 2 切削面形状2 的参数 ( 3 3 ) 切削面形状3 的面积 如图3 1 1 所示，切削齿半径，；切削深度d ；前倾角反，并设切削面两边夹角为6 0 0 。 通过面积公式( 3 4 ) 计算在不同切削深度条件下，切削面积的大小值，如表3 3 所示。 图3 1l 切削面3 区域图 州2 - a r e e l o s ( 1 产dz)以(，一(面d埘ir2百d+z2r ) ) ) _ s = ( 1 器虬啊2 一( ( ，一面河+ z ) 。 ) ) ) 一 ( ( 丢嘶一忐) 2 ) 一( 三( h 志+ z ) 渺一南) ) 1 5 西安科技大学硕士学位论文 表3 3 切削面形状3 的参数 通过以上的分析，分别计算出在不同切削深度条件下不同切削面的切削面积和切 削弧长，为后续载荷的计算和在分析软件中对切削齿受力面上的载荷施加奠定了基础。 3 4p d c 切削齿载荷受力因素分析及岩样的选择 切削齿载荷受多种因素的影响，一般而言，这些影响因素可以归入三个方面：钻 头结构参数与特性参数( 主要包括p d c 齿的直径、前倾角、侧转角、齿的倒角结构、金 刚石表面粗糙度等) 对切削载荷的影响；岩石的力学性质对切削载荷的影响；钻头的工 作参数( 如切削深度等) 对切削载荷的影响。 因为选定的钻头其参数已经不变，所以本文主要研究岩石的力学性质和钻头工作 参数对钻头的影响，其钻头结构参数如下：p d c 三翼内凹钻头( 0 9 8 m m ) 、p d c 取芯钻 头( 1 2 l9 8 7 3 m m ) 、p d c 齿直径为1 3 4 m m 、前倾角为1 2 0 ，侧转角为0 0 。如图3 1 2 所示。 ( a ) 前倾角0 【( b ) 侧转角口 图3 1 2 地质p d c 钻头结构参数 3 4 1 岩样的选择 切削齿切削岩石时，其工作载荷与岩石的种类及岩石的力学性质有着密切的关系。 依据p d c 钻头的适应地层，选了以下五种岩样口2 1 。分别如下： ( 1 ) 红砂岩 棕红色厚层状细粒砂岩，颗粒大小均一，以石英为主，有白云母碎片，混质胶结， 微层理明显。其硬度系数f = 4 。 ( 2 ) 香溪砂岩 灰白色细粒含岩屑长石质石英岩，岩屑为灰褐色，约占5 1 0 ，孔隙式胶结，胶 结物为硅质和泥质。其硬度系数f = 4 。 1 6 3 地质p d c 钻头力学模型的研究 ( 3 ) 嘉一灰岩 矿物成分为石英、长石、云母，孔隙式和接触式胶结，胶结物为方解石和泥质。 其硬度系数f - - 6 。 ( 4 ) 砂湾灰岩 深灰色亮晶石灰岩，致密坚硬，厚层状，微含硅质，显深浅不一的条纹状。其硬 度系数f - - - 6 。 ( 5 ) 白云岩 灰白色细晶，质纯，厚层状，有小孔洞，方解石晶粒颗粒充填，未填充完全。其 硬度系数f = - 5 。 3 4 2 岩石性质参数 切削齿切削岩石的工作载荷，和岩石的力学性质有着密切关系。岩石力学性质的 测试是分析切削载荷的基础。岩石的力学性质参数主要有单轴抗压强度、弹性模量、 泊松比、剪切强度、内摩擦角、抗拉强度、硬度、塑性系数等。本文选用石志明在p d c 切削齿载荷的测试与分析一文中的实验数据 2 2 1 。 ( 1 ) 抗压强度、弹性模量和泊松比 岩样在压应力作用下发生破坏，是由于某一截面剪应力达到岩石的剪切强度而引 起的。通常以达到破坏时的最大轴向载荷除以受力截面积所得之值作为岩石的抗压强 度。单轴抗压强度指岩石试件在单轴压力下达到破坏的极限强度，数值上等于破坏时 的最大压应力湖，其中肋试件破坏时载荷( n ) ，彳为试件受力截面积( i n 2 ) 。如图3 1 3 所示岩石抗压强度实验装置示意图。 在弹性范围内大多数材料服从虎克定律，即变形与受力成正比。纵向应力与纵向 应变的比例常数就是材料的弹性模量e ，也叫杨氏模量。横向应变与纵向应变之比值称 为泊松比，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。 e - - a f l ( a ( a l ) s ) ；= s 如，其中，奶白载荷增量；l 为岩样长度；妫岩样截面积； 址为变化量；岛为横向应变量；岛为纵向应变量。 图3 1 3 岩石抗压强度实验装置示意图 1 7 西安科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 剪切强度及内摩擦角 岩石的剪切强度即岩石抵抗剪切作用的能力，为剪切破坏时单位面积上的剪应力。 如图3 1 4 所示，为将剪切断裂面斜放在同水平方向成任意角目的位置，进行剪断试验的 方法。设p 为试件被剪断时加的载荷值，法向力为p c o s o ，切向力为p s i n o 。若该力 均匀分布于剪断面上，其剪断面的面积为彳时，剪断时的正应力及剪应力为： dd 仃= 5 - c o s o ；f = l s i n o 改变剪断面的倾角9 ，从而求出各种倾角下断裂时的正应 以4 力及剪应力的值。 图3 1 4 剪切强度变角剪实验装置示意图 ( 3 ) 岩石抗拉强度 岩石抵抗单轴拉伸破坏的最大能力，称为岩石的抗拉强度，即岩石受单轴拉伸而破 坏时，受拉面的极限应力值。劈裂法是在圆柱体试样的直径方向上施加相对的线性载荷， 使之发生破坏的试验方法，如图3 1 5 抗拉强度实验装置示意图。从0 2 9 , - 0 4 9 m p a s 的 速率加载，直至破坏为止，并记录最大破坏载荷p 。试样的直径d 和高度h 。 ，n 仃= 等，其中盯为抗拉强度( m p a ) ；p 为破坏时的最大载荷；d 为试样直径( n n ) ； 丌n n h 试样高度( 衄) 。 图3 1 5 抗拉强度实验装置示意图 1 8 3 地质p d c 钻头力学模型的研究 ( 4 ) 硬度及塑性系数 岩石的硬度可理解为岩石抵抗压入其内的能力，其值为岩石局部压坏时的单位载 荷。塑性系数是指岩石破碎前耗损的总功与弹性变形功的比值。计算岩石硬度和塑性系 数值采用苏联学者史立涅尔介绍的方法。 ( 5 ) 岩石和切削齿工作表面之间的摩擦系数 切削齿的工作表面和岩石紧密接触，产生摩擦力。岩石的摩擦系数指金刚石表面与 岩石表面之间的摩擦系数。不同的