新型非平面齿破岩规律研究_刘畅.pdf

第 19 卷第 2 期地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol192023 年 4 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringApr2023新型非平面齿破岩规律研究刘畅1，杨迎新1，姚建林2，黄奎林1(1西南石油大学 机电工程学院，成都 610500;2川庆钻探工程有限公司 钻采工程研究院，四川 广汉 618300)摘要:为了提高聚晶金刚石复合片(PDC)切削齿的破岩性能，设计了一种新型非平面齿，建立了该齿的破岩仿真模型，研究了新型非平面齿的脊长、脊倾角、斜角、切削深度和前倾角对其破岩规律的影响，结果表明:新型非平面齿的内切削刃使岩石产生体积破碎，其破岩效率高于屋脊齿;新型非平面齿的破岩比功和切削力随着脊长的增加呈现出先增大后趋近不变的趋势;新型非平面齿的切削力和破岩比功随脊倾角的增大而增大;新型非平面齿的破岩比功和切削力随斜角的增大而减小，考虑到齿刃的寿命，斜角应取 1020;新型非平面齿的破岩比功随吃入深度的增大而减小，最优吃入深度应大于其脊长;新型非平面齿的切向力和破岩比功随前倾角的增大呈现先减小后增大的趋势，最优前倾角是 15。关键词:新型非平面齿;破岩比功;破岩效率;吃入深度中图分类号:TE243;TE921文献标识码:A文章编号:1673-0836(2023)02-0428-09esearch on ock Breaking Law of New Non Planar CutterLiu chang1，Yang Yingxin1，Yao Jianlin2，Huang Kuilin1(1School of Mechanical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，PChina;2 esearch Institute of Drilling and Production Engineering Technology，Chuanqing Drilling Engineering Co，Ltd，Guanghan，Sichuan 618300，P China)Abstract:In order to improve the rock breaking performance of PDC cutters，we designed a new nonplanar cutter and established the rock breaking finite element simulation model of this new non planar cutterOn thebasis of this，we studied the rock breaking process of the new non planar cutter and the effects of ridge length，ridgeinclination，bevel angle，depth of cut and rake angle on the rock breaking specific energy of the new non planar cutterThe research results show that the concave curved surface in the middle of the new non planar cutter makes the rockvolume broken，and its rock breaking efficiency is higher than that of the ridge teeth;With the increase of ridgelength，the rock breaking specific energy and cutting force of the new non planar cutter show a trend of increasing atfirst and then approach the same trend;The rock breaking specific energy and cutting load of the new ridgecutter decrease with the increase of the bevel angle Considering the service life of the cutter edge，the bevel angleshould be 10 20;The cutting force and rock breaking specific energy of the new non planar cutter increasewith the increase of ridge inclination;With the increase of cutting depth，The rock breaking specific energy ofthe new non planar cutter increases firstly and then decreases，and the optimal cutting depth should be greater than thelength of its ridge;The cutting force and rock breaking specific energy of the new non planar cutter first decreaseand then increase with the increase of rake angle，and the optimal rake angle is 15 Keywords:the new non planar cutter;rock breaking specific energy;rock breaking efficiency;cutting depth收稿日期:2022-11-19(修改稿)作者简介:刘畅(1997)，男，四川南充人，硕士生，主要从事钻井岩石破碎学与钻头技术研究。E-mail:1215944618 qqcom通讯作者:杨迎新(1964)，男，甘肃永昌人，博士，博士生导师，主要从事钻井岩石破碎学与钻头技术研究。E-mail:yangyingxin swpueducn基金项目:博士后面上基金(2019M653479);中国石油西南石油大学创新联合体科技合作项目(2020CX040000)0引言随着钻探技术和工艺的不断发展，PDC 钻头所钻进的地质情况越来越复杂，常规 PDC 钻头经常在钻进过程中出现使用寿命短、机械钻速低的情况1-2。为了提高 PDC 钻头的性能，PDC 切削齿的聚晶金刚石层表面开始向多维发展，各种 3D 切削齿相继出现3。如 Schlumberger 公司研发的 Axe 屋脊齿和 Hyper 双曲线切削齿(见图 1)。图 1两种典型非平面齿Fig1Two typical non planar teeth国内外学者对屋脊齿进行了很多研究:Crane等4 通过室内岩石刮削试验表明，屋脊齿的切向力和 法 向 力 都 比 常 规 平 面 齿 下 降 了 大 约40%;Schlumberger 公司5 通过在二叠纪盆地的现场测试表明，屋脊齿在页岩的机械钻速比常规平面齿提高了 18%;赵东鹏等6 通过耐磨性和抗冲击性实验表明，屋脊齿的耐磨性和抗冲击性分别比常规平面齿高 40%和308%;林兆虎等7 通过数值模拟和室内单齿实验研究表明，屋脊齿脊角为 120时的破岩效率最高，约为常规平面齿的 2 倍;严成森等8 研究了屋脊齿的破岩机理，提出了屋脊齿钻头在复杂难钻地层的个性化设计方法;李乾等9 通过屋脊齿钻头在东海的应用表明屋脊齿和平面齿相比有更良好的抗冲击性和抗研磨性，而且出井评价磨损轻微，经济效益显著。虽然针对屋脊齿破岩效率和性能的研究较多，但所有的研究均认为屋脊齿的棱脊是一条水平、完整的棱脊，没有考虑屋脊齿脊长和倾斜角度对其破岩性能的影响。为了进一步提高屋脊齿的破岩性能，本文在屋脊齿的基础上作了改进，设计了一种新型非平面齿(如图 2)并建立了该切削齿的破岩有限元仿真模型，根据齿的受力情况和破岩效率揭示其性能。图 2新型非平面齿Fig2New non planar cutter1新型非平面齿的设计11新型非平面齿的设计原理屋脊齿以“犁削”的方式破岩，其特点在于破岩时先以棱脊通过点载荷挤压吃入岩石，使岩石产生裂纹并释放岩石的内应力，然后两脊面在侧向挤压岩石，使棱脊处产生的裂纹扩大，最后岩石被破碎剥离。新型非平面齿的上端面也设置有脊形切削结构，具有屋脊齿的“犁削”特性，其中部设置有一内凹曲面(如图 2)，该曲面减小了新型非平面齿棱脊与岩石的接触面积，使岩石与棱脊的接触部分所受应力更加集中，因此新型非平面齿更容易吃入岩石。同时，新型非平面齿棱脊与内凹曲面交汇处会构成一自带正前角的内切削刃，该切削刃与位于金刚石层边缘的外切削刃共同切削岩石。此外，新型非平面齿的棱脊与水平面有一脊倾角，当棱脊低于水平面时外削刃的曲率变大，有利于提高切削齿的吃入能力;当棱脊高于水面端面时外削刃的曲率变小，有利于提高切削齿的寿命。12新型非平面齿结构参数新型非平面齿的结构参数包括直径 D，厚度 h，脊角，圆角，脊长 l，斜角 和脊倾角，且定义当棱脊高于水平面时 为正，当棱脊低于水平面时 为负，具体结构如图 3 所示。脊角 与圆角 参照屋脊齿的相关研究，取新型非平面齿的脊角=120，圆角=4 mm;新型非平面齿的脊长 l 越小，棱脊处的应力越集中，切削齿吃入岩石的能力越强;斜角 越大，越有利于钻井液的流入，使岩屑有效排出并提高切削齿的散热效率;脊倾角 为正时有利于提高切削齿的使用寿命，脊倾角 为负时有利于提高切削齿的切削效率。9242023 年第 2 期刘畅，等:新型非平面齿破岩规律研究图 3新型非平面齿主要参数Fig3Main parameters of the new non planar cutter2岩石的强度准则与破岩比功21岩石的强度准则与失效判据在岩石的切削破坏研究中，通常用 Drucker-Prager(D-P)准则描述岩石塑性阶段下的本构关系，D-P 准则反映了体积应力、剪应力和中间主应力对岩石强度的影响。D-P 准则用正八面体面上的正应力(oct)和剪切应力(oct)表示中间主应力(2)对岩石破坏的影响10:oct=0+moct(1)其中oct=13(12)2+(23)2+(31)2(2)m=6，0=63k(3)oct=13(1+2+3)(4)式中:1、2、3分别是岩石单元的最大主应力、中间主应力和最小主应力，MPa;、k 分别表示岩石内摩擦角和粘结力相关的实验常数。岩石被 PDC 切削齿切削破坏的过程实质上是岩石单元在切削齿的剪切和挤压作用下发生塑性变形，当其塑性变形足够大(达到其完全失效时的等效塑性应变时)，岩石单元被破坏并从岩石体中失效移除的过程。图 4 是岩石的应力 应变曲线，图中的虚线表示岩石没有损伤的应力 应变响应，实线表示岩石损伤后的应力 应变响应。虚线和实线的交点处岩石开始被破坏，此时岩石的屈服应力为 y0，等效塑性应变为 0pl，损伤因子 D=0;实线与横坐标的交点处岩石单元完全被破坏，此时岩石的等效塑性应变为 fpl，损伤因子 D=1，岩石单元从岩石上完全移除。图 4岩石损伤过程中的应力 应变曲线Fig4Stress-strain curve during rock damage22破岩比功在石油钻井中，破碎岩石所消耗的能量是衡量钻井效率的重要指标，钻井提速的根本目的就是以更小的能耗破碎更多的岩石。将破碎单位体积的岩石所消耗的能量定义为破岩比功，其表 达式为11:MSE=WV(5)式中 MSE 表示破岩比功，m