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PDC钻头切削断面对破岩效率的影响
祝效华;易勤健
【摘要】Accordingtotheelastic-plasticmechanicsandrock
mechanics,theDrucker-Pragercrite-rionwasusedastherockconstitutive
relationandtheshearcriterionwasusedtopredictdamageiniti-
ations.BasedonthefeasibilityofrockmodelandPDCcutter-rock
modelingmethod,athree-dimen-sionalsimulationmodelofcutting
shapesrockwithaPDCcutterwasestablished,andtheinfluencesof
cuttingareas,thebackrakeanglesandsiderakeanglesofthePDCcutters
onrockbreakingeffi-ciencywerestudiedfordifferentconfining
pressures.Theresultsshowthatreducingthecuttingshapeareasunder
anyconfiningpressuresisbenefittorockbreaking,andthewidecutting
shapesmaybeusedinPDCbits.Comparedwiththesiderakeanglesofthe
PDCcutters,thebackrakeanglesofthePDCcuttershavegreatereffects
onrockbreakingefficiency,andtheoptimalbackrakeangleisas5°atlow
confiningpressureandisas20°athighconfiningpressures.%基于弹塑性力
学和岩石力学,以Drucker-Prager准则作为岩石的本构关系,采用剪切失效准则,在
验证岩石模型及PDC齿破岩建模方法可行性的基础上,建立了PDC齿切削3种典
型断面岩石的三维有限元模型,并针对井底不同围压,研究了切削断面的面积、切削
齿的后倾角及侧转角对破岩效率的影响.结果表明:不论何种围压,减小切削断面的面
积有利于岩石的破碎,且应多采用宽切削断面进行PDC钻头径向布齿;切削齿后倾
角对岩石破碎效率影响大于切削齿的侧转角对岩石破碎效率影响,切削齿最优破岩
后倾角在低围压下为5°,在高围压下为20°.
【期刊名称】《中国机械工程》
【年(卷),期】2018(029)007
【总页数】7页(P817-823)
【关键词】PDC钻头;切削断面;破岩效率;Drucker-Prager准则;数值模拟
【作者】祝效华;易勤健
【作者单位】西南石油大学机电工程学院,成都,610500;西南石油大学机电工程学
院,成都,610500
【正文语种】中文
【中图分类】TE921
0引言
在油气勘探开发过程中，PDC(polycrystallinediamondcompact)钻头凭借其钻
速高、寿命长和成本低等特点得到了广泛应用。相对于牙轮钻头的冲击、压碎破碎
岩石，PDC钻头通过固定PDC齿剪切破碎岩石显然更加有效。然而，随着钻探活
动向深部硬地层钻进，PDC钻头并不能发挥其最大性能。以往的研究认为，影响
PDC钻头破岩效率的因素除了钻井参数和地层岩性外，PDC齿的空间布置参数也
是一个重要因素[1]。
当前，国内外学者对PDC钻头布齿进行了相关研究。HIBBS等[2]通过试验得到了
8.13mm切削齿切削砂岩的最优后倾角在10°～20°范围内。梁尔国等[3]利用改
装后的车床模拟了切削齿的不同切削断面形状、重复切削状态及磨损状态，并对多
种岩样进行了切削齿的试验研究，研究认为切削面积相同的情况下，切削齿受力随
接触弧长呈线性变化趋势，其切削齿受力最小的后倾角在5°～10°范围内。
RAJABOV等[4]对PDC齿在大气压及围压下切削大理岩、
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