（固体力学专业论文）PDC钻头的主要几何参数对其力学性能影响的研究.pdf

硕士生：刘向东 ( 签名) 歪l 鱼凹二 指导教师：屈钧利 ( 签名) 占丕雄 p d c 钻头是2 0 世纪8 0 年代研制出的一种以人造聚晶金刚石复合片为切削齿的钻 头，能显著地提高钻井效率而且使用寿命长，在地质、油田钻井工程中获得了广泛的运 用。然而，影响其力学性能的主要几何参数以往是根据实验和经验公式来确定的，关于 这方面的理论研究文献并不多见。因此对钻头的主要几何参数对其力学性能的影响进行 理论研究，为钻头的优化设计提供依据，是十分必要的。本文针对三翼内凹p d c 钻头 和取心p d c 钻头进行了这方面的研究 对钢体p d c 钻头( 包括三翼内凹钻头、取心钻头) 破岩机理进行了较为深入的分析， 研究了p d c 钻头各几何结构参数之间的关系，在不作几何假设和简化的情况下导出了 p d c 钻头几何学基本方程式；分析了岩石的力学性能，对p d c 齿与岩石作用力分析模 型的研究作了探讨，对两种p d c 齿载荷作用下的应力场作了研究：分析了切削齿及其 上任一点在井底的运动规律和工作状态，确定了切削齿的工作状态参数；讨论了钻头的 回旋和钻头局部周向反转，简化了计算模型，对切削齿工作角度等进行了分析及计算， 研究了p d c 钻头切削力学等内容。 采用c a d 软件p r o e 建立两种典型p d c 钻头的三维实体模型，利用a n s y s 与p r o e 的数据交换功能将p d c 钻头模型导入a n s y s 中，建立了p d c 钻头有限元分析模型， 并对模型在静载作用下的应力、位移进行了数值分析研究。获得p d c 钻头的主要几何 参数对其力学性能影响的变化规律。在此基础上，对p d c 钻头的主要几何参数进行了 优化分析。获得了主要几何参数的最佳取值范围。优化结果改善了p d c 钻头的力学性 能，且为p d c 钻头的设计提供了理论依据。 关键词：p d c 钻头；聚晶金刚石复合片；切削载荷；有限元；a n s y s ；优化设计 研究类型：应用研究 s u b j e e t ：r e s e a r c ho nm a i ng e o m e t r i cp a r a m e t e r so fp d cb i t i n f l u e n c i n go nt h em e c h a n i c a lb e h a v i o r s p e c i a l t y ：s o l i dm e c h a n i c s n a m e：l i ux i a n g d o n g i n s t r u c t o r ：q uj u n l i a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 厶辑 ( s i g n a t ur e ) 丘4 她出 p d cb i tw a sd e v e l o p e dd e p e n d i n go nt h es y n t h e t i cp 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 s f o rc u t t i n gt e e t hd u r i n gt h e2 0 t hc e n t u r y i tc a nr e m a r k a b l yi m p r o v ed r i l l i n ge f f i c i e n c y m o r e o v e r , b e c a u s eo fi t sl o n gw o r k i n gl i f e p d cb i to b t a i n e da 、析d er a n g eo fu s ei ng e o l o g y , o i lf i e l dd r i l l i n gp r o j e c t h o w e v e r , m a i ng e o m e t r i cp a r a m e t e r si n f l u e n c i n go ni t sm e c h a n i c a l b e h a v i o rw e r ed e t e r m i n e db ye x p e r i m e n t sa n de m p i r i c a lf o r m u l a si nt h ep a s t ，a n dt h e o r y s t u d yd o c u m e n t so nt h i sa s p e c tw e r er a r e s oc a r r y i n go u tt h e o r yr e s e a r c ha c c o r d i n gt ot h e m a i ng e o m e t r i cp a r a m e t e r si sq u i t en e c e s s a r yf o rp r o v i d i n go p t i m i z a t i o nd e s i g n 、】 r i t l lb a s i s t h ep a p e ra i m i n ga tt h r e ew i n g si n n e rs u n k e np d cb i ta n dc o r i n gp d cb i td i ds o m e r e s e a r c h e s a t h o r o u g ha n a l y s i so nr o c kb r e a k i n gm e c h a n i s md u et os t e e lp d cb i t ( i n c l u d i n gt h r e e w i n g si n n e rs u n k e np d cb i ta n dc o r i n gp d cb i t ) w a sp e r f o r m e d ，a n dt h er e l a t i o na m o n g g e o m e t r ys t r u c t u r ep a r a m e t e r so fp d c b i tw a ss t u d i e d t h eg e o m e t r yb a s i se q u a t i o no fp d c b i tw a sd e r i v e du n d e rt h es t a t eo fh a v i n gn og e o m e t r yh y p o t h e s i sa n dg e o m e t r ys i m p l i f i c a t i o n ； t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o c kw e r ea n a l y z e d ，a n di n v e s t i g a t i o na i m i n ga ts t u d yo ff o r c e a n a l y s i sm o d e lb e t w e e np d c t o o t ha n dr o c kw a sd o n e b e s i d e s ，s t r e s sf i e l dw a sr e s e a r c h e d u n d e rt h ee f f e c to ft w op d cs i n g l et o o t h ；m o t i o nl a wa n dw o r k i n gs t a t eo fc u t t i n gt e e t ha n d a n yb i to ft h e mi nt h eb o t t o mw e r ea n a l y z e d ，a n dw o r k i n gs t a t ep a r a m e t e r so fc u r i n gt e e t h w e r ed e t e r m i n e d ；i n v o l u t i o no fb i ta n dc i r c u m f e r e n t i a lr e v e r s eo fb i tp a r tw e r ed i s c u s s e d ，a n d c a l c u l a t i o nm o d e lw a ss i m p l i f i e d s o m ew o r ko fa n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nw a sd o n et o w o r k i n ga n g l eo fc u r i n gt e e t h i na d d i t i o n , p d cb i tc u t t i n gm e c h a n i c sa n ds oo nw e r e r e s e a r c h e d t h ep a p e ra d o p t e dc a ds o f t w a r ep r o et ob u i l dt w ot y p i c a lt h r e e - d i m e n s i o n a le n t i t y m o d e lo fp d c b i t ，a n du t i l i z e dd a t ae x c h a n g i n gf u n c t i o no fa n s y sa n dp r o ei ni m p o r t i n g p d cb i tm o d e li na n s y s f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lo np d c b i tw a sb u i l t m o r e o v e r , t h e r e s e a r c ho fn u m e r i c a la n a l y s i sa i m i n ga tt h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to fm o d e lu n d e rt h ee f f e c t o fs t a t i cl o a dw a sc a r d e do u t v a r i a t i o nr e g u l a r i t yo nm a i n g e o m e t r i cp a r a m e t e r so fp d c b i t i n f l u e n c i n go nt h em e c h a n i c a lb e h a v i o rw a sa c q u i r e d o nt h i sb a s i s ，t h ep a p e rd i ds o m e o p t i m i z a t i o na n a l y s i sd u et om a i ng e o m e t r i cp a r a m e t e r so fp d cb i t ，a n do b t a i n e dt h eb e s t v a l u er a n g eo fm a i ng e o m e t r i cp a r a m e t e r so fp d c b i t o p t i m i z a t i o nr e s u l t si m p r o v e dt h e m e c h a n i c a lb e h a v i o ro fp d c b i t ，a n dp r o v i d e dt h e o r yb a s i sf o rd e s i g no fp d cb i t k e y w o r d s ：p d cb i t 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 s c u t t i n gl o a d f i n i t ee l e m e n t a n s y s o p t i m i z a t i o nd e s i g n t h e s i s ：a p p l i e dr e s e a r c h 西妻料技夫学 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：匆( 勺埔日期：如罗f 7 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 题冉撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 指微彦荆 叫年厂月7 日 1 绪论 1 1 研究背景与意义 1 绪论 聚晶金刚石复合片( 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 ，p d c ) ，是在高温高压条件下 由金刚石和硬质合金( w c c o ) 烧结复合而成的超硬复合材料。该材料具有金刚石的强度 和耐磨性以及硬质合金基体材料的韧性和可焊性，是一种优良的切削工具与耐磨材料， 广泛地应用于机械加工工具、石油与地质钻头、砂轮修整工具等【l 】。国外在上世纪七十 年代中期开始研究，八十年代初投入使用，和井下马达、随钻测试及计算机在钻井上的 应用被称为二十世纪八十年代的四大钻井新技术【2 】。近3 0 年来，随着技术和生产工艺的 不断进步使聚晶金刚石复合片钻头在钻头市场上占有重要份额，而且其份额还在不断增 长。例如，2 0 0 0 年度p d c 钻头的钻井进尺约占总进尺的2 6 ，而到2 0 0 3 年该钻头的钻 井进尺已占到总进尺的5 0 。聚晶金刚石复合片钻头水马力、切削件和动态稳定性的改 进导致该钻头的机械钻速和寿命大幅度增长。过去，p d c 钻头仅适用于钻软、中硬地层， 不能用于钻研磨性地层。今天，许多发明和技术突破使聚晶金刚石复合片钻头的钻速更 快、钻井质量更好而且钻井更深，其应用范围也扩大到硬地层和研磨性地层。目前，国 内油田钻头的用量为：牙轮钻头约为4 0 0 0 0 只年，金刚石钻头约3 5 0 0 4 0 0 0 只，其中 高性能的钻头约1 5 0 0 2 0 0 0 只，而地质勘探、矿井瓦斯与地下水排放、井壁巷道的锚固 等都大量的用到p d c 钻头，随着金刚石钻头高性能及高效益的凸现，牙轮钻头的用量 将会逐步减少，金刚石钻头的用量将会进一步上升。 随着聚晶金刚石复合片钻头技术创新所带来的高钻速、高时效，在降低钻井总成本、 增加经济效益的同时，对影响聚晶金刚石复合片钻头力学性能的主要几何参数的研究还 停留在试验论证阶段，主要依靠实验手段来确定各个参数的取值，且更侧重于钻头碎岩 效果的研究，而关于主要几何参数对钻头力学性能影响的理论研究及优化，尤其是钻头 的强度研究，迄今尚未见有文献报道。 因此，对p d c 钻头的主要几何参数对其力学性能影响进行系统地研究，在此基础 上，对各主要几何参数进行优化设计，为科学地指导p d c 钻头设计提供理论依据，从 而可进一步提高钻头的钻进效率和使用寿命，降低生产成本。无疑本课题的研究将丰富、 完善p d c 钻头的设计理论，且必将产生显著的经济效益和社会效益。 西安科技大学硕士学位论文 1 2 国内外的研究发展动态及发展趋势 1 2 1 国内外的研究发展动态 ( 1 ) p d c 材料研究发展动态 p d c 钻头是七十年代末八十年代初美国石油钻井技术的一项重大成就。从投入使用 到现在已经3 0 余年，国内外学者进行了一些研究，技术上取得了长足的进步f 3 - 6 1 。 聚晶金刚石( p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n d ，简称p c d ) 是经过筛选的人造金刚石微晶体在 高温高压下烧结而成的复合材料。聚晶金刚石是美国g e 公司于2 0 世纪7 0 年代首次人 工合成的。继美国之后，德国、日本等工业发达国家先后开发出p c d ，并将其用于非金 属材料和有色金属材料的高速切削加工和其它领域。 我国在开发聚晶金刚石的过程中，与国外走的是不同的技术路线，国外优先发展的 是聚晶金刚石复合片( p d c ) ，其产品主要是用于做刀具，特别是在汽车零件加工方面， 而我国主要集中发展的是聚晶烧结体( p c d ) ，主要应用于地质、石油钻探等方面。上个 世纪9 0 年代，国内还只有直径2 0 r a m 以下的刀坯。近年来，随着我国六面顶超高压设 备大型化的发展，直径2 5 m m 的p d c 复合刀具材料发展逐渐成熟。而六面顶超高压设 备的进一步扩大，直径3 5 - - 4 2 m m 的p d c 复合刀具材料最近也有可能进入市场。这就大 大缩短了国产p d c 复合刀具材料在尺寸规格上与国外的差距【7 1 。 ( 2 ) p d c 切削载荷的研究动态 p d c 钻头是切削型的破岩工具，对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。切削载荷的测试与分析是p d c 钻头性能分析技术的基础，国内外学者 们在此方面做了一些实验和理论研究工作。 文献 8 】介绍了j b c h e a h t n a l 等人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。且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，说明可以用塑性金属 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，而与齿的形状无关。 文献【9 ，1 0 】介绍了s a n d i a 实验室在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： 单个磨钝齿切削岩石时正压力f 与切削深度d 的关系为 了f ：c l 沙 4 1 2 1 绪论 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 - - - g d 屯 当齿的切削深度d 为定值是，切削正压力f 正比于齿磨损面面积4 ，；当齿的切削 深度d 和磨损面面积凡，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。 文献【1 l 】，e d e t o u m a y 等人介绍了一种p d c 齿切削载荷计算模型： 新齿模型：f j = e a ，砰= 倒 钝齿模型：c = ( 1 一孝) 鲥+ g f , ，c = 砰+ 眉 在上式中，c 和砰分别代表金刚石表面承受的水平力和垂向力( 即平行于已切削 表面方向的力和垂直于已切削表面方向的力) ；只和c 分别代表钝齿的水平力和垂向 力；爿表示作用于钝齿磨损平面的垂向力；a 为切削断面的面积；s 为岩石固有比能： 善为垂向力与水平力之比；为岩石与齿磨损面之间的摩擦系数。 翟应虎等人对单个p d c 齿切削载荷规律以及在重叠和覆盖条件下齿的切削载荷规 律做了实验研刭1 2 】，得出了以下结论： 切削力与轴向力成正比；切削力和轴向力与齿的切削深度成幂函数关系；在岩石和 切削齿条件不变时，切削比功随切削深度的增加而减小：在岩石和切削齿条件相同时， 切削断面的形状和面积是影响切削载荷的主要因素；在岩石和切削齿条件相同时，如果 保持切削断面的面积不变，切削载荷、切削比功、切削单位面积岩石所需的切削力和轴 向力都随着切削齿刃与岩石接触弧长的增加而增大；若保持接触弧长不变，切削载荷随 着切削断面面积的增大而增大，而切削比功和切削单位面积岩石所需的切削力、轴向力 都随着切削断面面积的增大而减小。 其中，还给出了在重叠和覆盖条件下齿的切削力和轴向力计算的经验公式。 杨迎新等人在p d c 钻头基础工作理论方面做了一些研究【1 3 , 1 4 】，建立了p d c 切削力 学理论模型，并通过实验得以检验。 建立了确定p d c 钻头切削齿工作区域以及切削截面形状的方法，对一般的钻头布 齿设计中可能存在的切削截面形状作了比较系统的分类，并提出了求各种不同类型切削 截面面积的计算方法；推导出了齿刃轮廓线上任意点切削角度的计算公式，并对p d c 西安科技大学硕士学位论文 钻头几何参数对齿的切削角度的影响规律作了分析和总结；对p d c 钻头工作载荷的分 析理论和方法进行了探索，建立了分别适用于塑性和脆性岩石的p d c 钻头切削力计算 理论模型。 ( 3 ) 几何参数的研究工作【1 5 】 切削齿的后倾角( 角度与本文中齿前角对应) 是p d c 钻头的一个重要的设计参数， 对钻头性能有着很大的影响。h i b b s 于1 9 7 8 年研究提出，p d c 钻头切削齿的合理后倾 角为1 0 2 0 0 。h o o v e r 和m i d d l e t o n 在1 9 8 1 年报道了他们的台架试验结果，结论是切削 齿后倾角为2 0 0 的钻头在砂岩中的钻进性能最好，而在硬的花岗岩中，2 5 0 切削齿的碎 裂和磨损程度明显小于2 0 0 的切削齿。h o u g h 在1 9 8 6 年研究得出的结论是，在页岩中， 切削齿后倾角为1 5 0 、2 0 0 或2 5 0 的p d c 钻头的钻进速度没有明显的差别，优于后倾角 为7 0 的钻头。根据这些研究成果，在早期的p d c 钻头设计中形成了这样一种共识，即 软地层的p d c 钻头应采用1 0 2 0 0 后倾角，而硬地层钻头采用2 0 2 5 0 后倾角为宜，并 以2 0 0 作为p d c 切削齿的标准后倾角。 近年来，随着冲击碎裂和热加速磨损理论的发展，人们开始怀疑早期设计经验的合 理性。k a r a s a w a 1 6 j 和l i t l 7 j 等用后倾角为1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 、2 5 0 、3 0 0 和4 0 0 的切削齿切 削花岗岩，发现切削齿的受力随着后倾角的增大而增大，而且切削角较小的切削齿反而 不容易碎裂。邹德永等在石灰岩中进行了5 0 、1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 和2 5 0 切削齿的受力试验， 得出的结论是，1 0 0 时切削齿的受力最小，旋转扭矩也最小，随着切削角的增大，纵向 力、切削力和扭矩都呈增大的趋势。s i n o r 等【l8 】用后倾角分别为1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 和4 0 0 的 直径2 1 6m m 的p d c 钻头在灰岩和页岩中进行了台架试验，结果表明：在相同的钻压 和扭矩下，后倾角越小的钻头，钻进速度越快；在相同的钻速( 如1 2 m h ) 条件下，钻 压和扭矩随着后倾角的增大而增大。 1 2 2 发展趋势 p d c 钻头的发展趋势【1 9 j ( 1 ) 应用先进的设计理论和分析手段进行p d c 钻头的研究开发 p d c 钻头结构变化多，设计灵活性大，对适用地层和使用条件比较敏感。针对地层 性质和使用条件进行设计是p d c 钻头的一项关键技术，包括头型选择、结构设计、布 齿设计、切削角度设计、钻头水力设计和复合片的优选等。其发展方向是建立一套包括 地层资料数据库、钻头使用数据库以及钻头结构参数数据库的p d c 钻头综合分析和优 化设计系统，系统的核心是p d c 钻头切削结构以及水力结构的计算机仿真分析技术。 该系统可为p d c 钻头的个性化设计提供可靠的技术支持。 ( 2 ) 高性能切削齿的发展 p d c 钻头发展的另一趋势就是研究新型高性能p d c 切削齿。其一，提高复合片自 4 绪论 身工作性能和寿命指标( 提高磨耗比、表面粗糙度、抗冲击性) 和提高工艺性能指标( 热稳 定性) ，表现为出现许多高磨耗比、高耐热性、高抗冲击性复合片、抛光片、镜面片等。 其二，改变复合片的结构，表现为加厚复合片和非平面交界面型结构复合片的出现。其 三、改变复合片的外型，如楔型齿、矩形齿、球头齿等的出现。 1 3 研究内容 聚晶金刚石复合片钻头t l 从上个世纪7 0 年代投入使用以来，经历了3 0 多年的发展， 形成了丰富的产品线。p d c 钻头品种多规格全：既有普通型( 普通p d c 片，钢体式钻 头体) ，也有加强型( 精品p d c 片，胎体式钻头体) 。在不考虑温度效应及金属疲劳的条 件下，本课题主要研究两种适用于软一中硬岩层的钻头。选择研究的钻头类型主要基于 下列因素： p d c 钻头按照工作方式可以分为p d c 取心钻头、p d c 无心钻头和p d c 扩孔钻头。 常用的p d c 取心钻头有以下几种类型；钢体式p d c 取心钻头、底喷式p d c 取心 钻头、聚晶一p d c 混镶取心钻头。钢体式p d c 取心钻头具有价格低、排粉空间大、效率 高的特点，广泛应用于软一中硬岩层；底喷式p d c 取心钻头具有防煤心冲刷能力强、顶 底板中钻头耐磨性强、效率高的特点，适用于煤层( 大多数煤层) 及顶底板；聚晶一p d c 混镶取心钻头具有抗崩刃及保径能力强、在破碎岩层中寿命长、效率高的特点，适用于 中硬一硬的较破碎岩层层岩。 常用的p d c 无心钻头有以下几种类型：三翼内凹p d c 钻头、圆弧支柱p d c 钻头 和多翼刮刀p d c 钻头。三翼内凹p d c 钻头具有稳定好、效率高的特点，广泛应用于软 一中硬互层岩层；圆弧支柱p d c 钻头具有与岩石接触面积小，硬岩石效率高的特点，适 用于中硬一硬岩层；多翼刮刀p d c 钻头具有排粉空日j 大，破碎软岩效率高的特点，适用 于易糊钻的软岩层。 三翼内凹p d c 钻头是无心钻头类型中应用最多的一种钻头，其用途主要是面向软一 图】i 三翼内凹p d c 钻头 中硬互层岩层，如图11 所示。取心p d c 钻头在取心钻头类型中应用最广，它具有价格 西安科技走学硕士学位论五 低、排粉空日j 大、效率高等优点，j “泛应用于软一中硬岩层，如图1 2 所示。软中硬岩 层是煤田地质钻探中虽常见的岩层，但地层层岩分布并不均匀，有许多未知因素存在， 软一中硬忆层岩层中可能存在硬夹层，导致p d c 钻头提前失效。选取这两种钻头研究其 主要几何参数对钻头力学性能的影响是很有意义的。 崮12p d c 驳心l 古头 p d c 齿在空叫的方向山以下三个方向参数确定。法向角，指p d c 齿的方向基准线 与钻头中心线的央角( 内锥为负，外锥为正) ：齿前角a 指p d c 齿的方向基准线与切削 齿工作平面之f b j 的央角；侧转角卢指过中心点和钻头中心线的平面与切削齿工作平面之 j 的央角，如图13 所示。以卜二个参数是由钻头结构确定，萁中法向角取决于钻头冠 部形状和径向布置，而齿前角和侧转角山切削齿二作角度设计确定。 p d c 钻头的切削结构由若t 个分布在钻头表面不同部位的切削齿组成，每个切削齿 的空f i | j 方位和工作部位都不相同凼而p d c 钻头并个切削肯齿前角和侧转角设计既是 非常必要也是十分复杂的一项j 作。在过去的有些文献中有柏_ ) 乏的研究报告，但对于如 何合理确定齿| i 订角和侧转角的数值一直没有一种有效的方法。目骑的情况是钻头上各齿 的齿前角和侧转角都是根据单齿切削试验确定的数值。奉课题主要研究这两个参数对钻 头 图13 切削齿的侧转角、法向角和齿前角示意幽 6 2p d c 钻头的结构与工作原理 2p d c 钻头的构造与工作原理 2 1p d c 钻头的结构阻2 2 】 图2 1 为p d c 钻头的外型与主要结构，它主要由钻头体、切削齿、水力系统、排屑 槽和保径齿等组成。 刀翼 复合片 水眼 钢体 图2 1p d c 钻头的外形与结构 p d c 钻头有两种基本的类型：钢体钻头和胎体钻头。钢体钻头完全由机械加工而成， 首先将整块合金钢毛坯经机加工成钻头体，再将切削件焊在连接柱上，最后将连接柱压 入事先在钻头上钻的孔中( 孔不钻透) ，其加工质量容易保证。胎体钻头与金刚石钻头制 造方法相似，钻头体采用铸造碳化钨粉、碳化钨粉和浸渍料烧结而成，p d c 切削件通常 带有一伸长衬底焊到钻头上，其具有最好的保径( 用天然金刚石) 能力一规径面采用天然 金刚石或金刚石孕镶块保径作用强，有较强的抗侵蚀能力，没有连接柱，因而不会出现 连接柱断裂的现象，但制造工艺复杂些，加工不易控制。p d c 钻头是依靠安装在钻头体 上的切削齿切削地层的，这些切削齿按一定的方式布置在钻头体表面上，切削齿的安装 方位角度也不尽相同，切削齿有复合片式和齿柱式两种结构，它们的结构以及在钻头上 的安装方式如图2 2 所示。 一守 ( a ) 胎体式切削齿( b ) 齿柱式切削齿 图2 2 切削齿的安装方式 复合片式切削齿是将复合片直接焊接在钻头体上预留的凹槽内而成的，它一般用于 7 西安科技大学硕士学位论文 i ihi i 宣i i 昌宣昌i 暑i 昌暑宣i 宣i 宣i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣宣暑宣i i 萱宣暑审宣i i i i 置i 暑i 昌宣i 宣；i i 宣i i 宣 胎体钻头；齿柱式切削齿是将复合片焊接在碳化钨齿柱上而成的，安装时将其齿柱镶嵌 或焊接在钻头体上的齿孔内，它一般用于钢体钻头，也有用于胎体钻头的。人造聚晶金 刚石复合片( 简称为p d c ) 是切削齿的核心，一般为圆片状，其结构如图2 3 所示。 图2 3 复合片结构 它由人造聚晶金刚石薄层( 约0 5 m m ) 粘在较厚的( 约3 r a m ) 碳化钨衬底上，金刚石 晶体作随机排列，兼有金刚石的硬度、耐磨性和硬质合金的抗冲击韧性、自锐好等优点。 为了配合切削齿切削地层，钻头上还有水眼、排屑槽等组成的水力系统，它主要任务是 清除岩削、清洗井底和钻头表面、冷却和润滑切削齿。 2 2p d c 钻头破岩机理 一般而言，岩石的剪切强度明显低于抗压强度。所以，剪切破岩方式的效率总是高 于压碎破岩方式。图2 4 为p d c 钻头、牙轮钻头以及天然金刚石钻头的三种不同的破碎 岩石方式。牙轮钻头是高钻压以牙轮齿压碎岩石，效率低；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；p d c 钻头由于有自锐作用，刃口锋利，故一般在整个 使用过程中切削岩石，从而实现高速钻进，如图2 5 所示1 2 3 】。 缀鬃缀溅熊 缫 ( a ) pd 齿( b ) 牙轮齿( c ) 天然金刚石 图2 4 三种不同岩石破碎方式 图2 5p i ) c 齿自锐切削特性 p d c 钻头的具体破岩方式主要取决于钻头的切削结构及所钻地层的硬度和岩性，主 要分为四种： 剪切 8 2p d c 钻头的结构与工作原理 当p d c 钻头在软到中等硬度地层钻进时，复合片切削齿在钻压和扭矩的作用下克 服地层应力吃入地层并向前滑动，岩石在切削齿作用下沿其剪切方向破碎并产生塑性流 动，切削所产生的岩屑呈大块片状。这一切削过程与刀具切削金属材料非常相似。 预破碎 预破碎( 开槽效应) 是p d c 钻头的 尖圆齿交替布置切削结构所特有的岩石破 碎方式，主要作用于以纯剪切方式不容易钻进的地层，如中等、中硬和硬地层及带有硬 夹层的地层等。预破碎过程是通过开槽切削来完成的，具有这种切削结构的钻头在钻进 过程中，尖形切削齿因与地层接触面积小受力集中而先行吃入地层，岩石在接触应力作 用下产生破碎裂纹，随着钻头的不断旋转，尖形齿在岩石中切出一条条小小的螺旋状“卸 荷 槽，紧随其后的圆形切削齿则以剪切方式切削强度已大大减弱的大块岩石，达到快 速钻进的目的。这样大大提高了切削效率，降低了切削齿的磨损速度。 犁削 岩石在钻头钻进过程中，由于受到切削齿的作用，在其内部发生破碎并向表面传递。 堆积在切削齿前面的破碎岩屑由于切削齿的移动被推向两边，最后由泥浆带出井底，这 一切削过程相似于犁地过程。 磨削 p d c 钻头在钻进极硬的粗晶粒地层时，其切削结构常常以磨削方式破碎岩石。切削 齿在钻进过程中克服岩石的高抗压强度实现岩石的局部破碎。由于硬地层岩石的高强 度，使破碎的岩屑比较小，呈细粒状，因而钻头的机械钻速相应较低【2 4 】。 9 西安科技大学硕士学位论丈 j 置昌宣i 葺i 宣宣i 昌i i if ii 宣 k 一 ii - i i i i i i i i i i i i 暑i 暑i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i 宣i i 置宣i 3p d c 钻头几何学研究 p d c 钻头是一种典型的切削型钻头，其几何结构参数对工作性能具有十分显著的影 响，这些基本几何结构参数主要包括钻头体在井底的位置参数、切削齿在钻头上的空间 方向和位置参数以及切削齿上任一点在该齿上的位置参数等。在本章中系统地研究p d c 钻头上各基本几何结构参数之间的关系，建立完善的p d c 钻头几何学基本方程式。 3 1p d c 钻头的基本几何结构参数【1 3 】 p d c 钻头有胎体和钢体之分。从几何结构上讲，两种p d c 钻头的差别仅是由于切 削齿的结构不同而带来的钻头结构和切削齿在钻头上的定位参数不同。在研究p d c 钻 头几何学时，如暂不考虑齿柱式切削齿镶入钻头体内的支柱部分，那么齿柱式切削齿和 复合片式切削齿是可以统一起来考虑的，只是在选取两种齿在钻头上的空间方位定位点 时应区别对待。在接下来的几节中主要以复合片式切削齿作为研究对象，对其中的切削 齿，我们选复合片工作面中心d 点作为切削齿在钻头上的定位参考点。p d c 钻头的工 作单元是切削齿，钻头几何结构参数就是所有切削齿几何结构参数的集合。p d c 钻头的 基本几何结构参数主要有：钻头体在井底的位置参数、切削齿在钻头上的空间位置参数 和空间方向参数以及切削齿上任一点的位置参数等。 ( 1 ) 钻头体在井底的位置参数 如图3 1 所示，我们用以下四个参数来描述钻头在井底的位置： 钻头在井底的偏心距p ：定义为钻头轴线与井眼中心线之间的距离。 钻头在井底的方位角晓：定义为某一井底平面上，钻头中心相对于井眼中心的方 位角。 钻头标高风：定义为钻头的某一横截面相对于某一固定的井底平面的相对位置 高度。 钻头旋转位置角皖：定义为钻头的某一特定半径平面相对于井底上某一固定半 径平面的夹角。 以上四个参数在钻头工作过程中都是变量，其中p 和晓由钻头回旋运动方式所确 定，风由钻头的轴向进给运动所确定，而酿由钻头绕自身轴线的旋转运动所确定。 ( 2 ) 切削齿在钻头上的空间位置参数 它包括以下三个位置参数： 切削齿定位参考点到钻头轴线的距离( 半径) r ，。 切削齿定位参考点在钻头轴线方向的高度尺寸h ，。 切削齿定位参考点在钻头圆周方向的位置角以。 l o 3p d c 钻头几何学研究 r 夕一q 露匹三夏竹 。7 t 谳 nn 畛 忌巡豫 a j 向? b z x h 1 xf ， m 一她 0 ) 角，即把弛4 舭，z 4 ) 变换到0 2 _ 配y j 历 坐标系中，其坐标为： f x ；= s i n a t 巧= 一h c c o s q j r 。c o s a s i n ( 3 2 ) l z 3 = 一吃s 加尸+ c o s a t c o s 缈 再将坐标系d 2 _ 玛兄历绕侥历轴旋转角，即把p 奶声3 ) 变换到0 2 - 弱y 2 z 2 坐 标系中其坐标为： f x ，：匕j i n a c o s f l f ， 。c o s + c o s a s i n ( a ) s i n f l f ：一乏5 i n a s 伽卢一仇c o s 妒+ 名c o s a s i n c p ) c o s f l ( 3 3 ) i 三：一忍。s 拥缈+ c 。s 口c 伊 再将坐标系仍_ 磁场z 2 绕0 2 y 2 轴旋转一7 角，即把尸扰动变换到d 2 嘲y 汤坐 标系中，其坐标为： l xj ：r r ( c o s a t c o s q ，s i n y + s i n a t c o sf l c o s y c o s a s i n 缈s i n f l c o s7 ) l一办，豳加矽j 加y + ss i n f l c o s ? ) z e 二。：i ：；竺童兰笔算c o 砌sa t 缈s m ? t p 尸s l i 一1p ! ：竺my ：芸乏。s 卢s ；n 力 4 l，= ( c o s 口c o s 缈c o s y + s 。“。”。尸叫7 i 1 一九矗加伊c 。s y c 。s 缈j 砌s i n 厂j 然后将0 1 _ 蜀巧历坐标系中的坐标e ( x j ，y z ，) 变换到钻头圆柱坐标系0 ，r j p ，研 中，其坐标为： l = e c + o r c t g y i ( r c + x i ) l = h c 七z l ( 3 5 ) 最后参照图3 1 将钻头圆柱坐标系中的坐标尸( ，0 j ，h j ) 变换到井底圆柱坐标系0 一 r 6 ) h ，其坐标为： r = 、乒万五历丽而 0 0 笔+ a r c t g 2 r , s i c ( n ( 嘲o ，：描c o s ( o , 0 1w ， = e t 七9 l 一9 | ) l e + r lc 一七o j lh = h o + h ， ( 3 6 ) ( 3 4 ) 、( 3 5 ) 、( 3 6 ) - - - 式是p d c 钻头几何学的基本方程式，它把p d c 钻头紫竺翌茎 构参聂高位；数联系起来。这三可联合使用，也可单独运用，它们可以推导出许多有 1 3 西安科技大学硕士学位论文 应用价值的数学模型，直接应用于运动学、切削力学研究以及钻头设计计算中。 3 4 小结 本章研究了p d c 钻头各几何结构参数之间的关系，在不作几何假设和简化的情况 下导出了p d c 钻头几何学基本方程式，为p d c 钻头运动学、切削力学研究和钻头设计 计算提供了依据。 1 4 4 岩石的力学性能 4 岩石的力学性能 岩石力学是研究岩石在外力作用下的应力状态、应变状态和破坏条件等力学特性的 学科。岩石力学性质的含义包括两个：岩石的变形特征和强度特型2 5 】。其中变形特征是 指岩石试件在各种荷载作用下的变形规律，它反映了岩石的力学属性。而岩石强度是指 岩石试件在荷载作用下开始破坏时的最大应力( 强度极限) 以及应力与破坏之问的关系， 它反映了岩石抵抗破坏的能力和破坏规律。 4 1 岩石的变形类型及特征 岩石内部各质点的位置有了改变，则称产生了变形，其内部各质点相互位置的改变 可以由岩石内部孔隙体积的变化、岩石颗粒的变化、岩石颗粒的相互滑移、岩石矿物晶 体格架中原子、离子间距的变化，以及晶体内部的塑性变形等引起。岩石的变形，根据 其破坏特征可分为弹性、弹塑性、塑性、蠕变等【2 6 , 2 7 】。 ( 1 ) 弹性变形 弹性变形是多孔介质岩石在外力作用下产生变形，没有任何流动和破坏的象征，当 外力除去后，多孔介质岩石能够完全恢复原状的变形。弹性变形从本质上来说，是由于 外力破坏了组成物体各质点间原来存在的吸引力和排斥力间的平衡状态，使质点间的距 离发生了变化，从而建立起新的平衡。外力撤消后，各质点在相互作用力的作用下，又 恢复到原来的平衡状态。 描述弹性的主要指标为弹性模量e 、泊松比和剪切弹性模量g 。 一般造岩矿物和有些脆性岩石可以近似认为是弹性体它们受力后，在弹性变形阶 段应力仃和应变s 存在着线性关系，弹性模量为常数，即符合虎克定律。对于大部分岩 石来说，由于结构与构造多变性，一般都不符合虎克定律，其弹性模量常是随载荷的性 质、大小和加载速度而变化的。一般岩石在压缩时的弹性模量最大，为拉伸时弹性模量 的1 5 - 4 0 倍，而弯曲时的弹性模量则为拉伸弹性模量的1 1 1 3 倍。动载时的弹性模量 常大于静载时的弹性模量。岩石的泊松比也是随其结构、构造而在很大范围内变化的( = o 1 0 4 5 ) 。因此，应该指出：确定岩石的弹性指标，并不意味着岩石是弹性体，岩石 的弹性指标是指在规定的标准条件下的测定值。 ( 2 ) 塑性变形 多孔介质岩石由于在外力作用下而产生变形，当压力恢复到原始状态时岩石不能够 完全恢复原状的变形称为塑性变形。有些岩石，如石英等，在受外力破碎前，只产生弹 性变形，而无明显的塑性变形，这种岩石称为脆性岩石；有些岩石，如大理石等，在外 力作用下，先产生弹性变形，继而发生塑性变形，最后产生脆性破坏，称为塑脆性岩石， 1 5 西安科技大学硕士学位论文 暑i i i i i i 宣i i i 苦i i i 宣i i i i i i i i i iik i i 置i i 宣i 宣i i i i i i 宣宣i 宣i 宣i 宣；宣i i i 宣宣宣暑宣萱宣置宣暑宣萱宣宣宣宣i i i 宣i i 宣i i i 还有少数岩石，加很小外力便产生塑性变形，并不发生脆性破坏，称为塑性岩石。 岩石的塑性一般用塑性系数k 来表示。塑性系数是岩石在压模压入情况下，破