锯齿形PDC刀具的破岩特性及温度场.pdf
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1、投稿网址:2023 年 第23 卷 第27 期2023,23(27):11615-07科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T引用格式:吴泽兵,袁若飞,张文溪,等.锯齿形 PDC 刀具的破岩特性及温度场J.科学技术与工程,2023,23(27):11615-11621.Wu Zebing,Yuan Ruofei,Zhang Wenxi,et al.Rock breaking characteristics and temperature field of serrated PDC cutter
2、J.Science Tech-nology and Engineering,2023,23(27):11615-11621.锯齿形 PDC 刀具的破岩特性及温度场吴泽兵,袁若飞,张文溪,杨晨娟(西安石油大学机械工程学院,西安 710065)摘 要 聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)刀具的结构是影响钻头性能的重要因素,锯齿形 PDC 刀具性能较好但研究较少,缺乏相关理论支撑。因此,基于弹塑性力学及 Drucker-Prager 准则构建了刀具与岩石的有限元模型,对锯齿形 PDC 及常规 PDC 刀具的破岩和温度场进行对比研究。结果表明,锯齿
3、形 PDC 通过剪切和犁碎的方式破岩,有效且明显提升了破岩效率。锯齿形 PDC 较常规 PDC 切削力均值减小约 20%,波动明显更小。后倾角变大,其切削力增加,破岩比能先增加减小又增加,存在最佳后倾角 10 15;切削深度增大,切削力变大,破岩比能先减小后增加,存在临界切深 1.5 2 mm;锯齿数增加,刀具的切削力与破岩比能先增加后减小,3 个锯齿为最佳。温度场研究结果表明,锯齿形 PDC 比常规 PDC刀具散热面积大,热稳定性更好,工作参数与温度变化之间存在规律。研究深度揭示了锯齿形 PDC 刀具的破岩特性以及温度场,对 PDC 刀具优化及高性能钻头布齿具有较为重要的指导意义。关键词 P
4、DC 刀具;锯齿形;有限元;温度场;破岩比能中图法分类号 TE921;文献标志码 A收稿日期:2022-12-19;修订日期:2023-07-06基金项目:陕西省重点研发计划(2022KW-10)第一作者:吴泽兵(1967),男,汉族,湖北公安人,博士,教授,硕士研究生导师。研究方向:井下工具 CAD/CAE/CAM、智能钻头与钻机及钻井自动化。E-mail:zbwu 。Rock Breaking Characteristics and Temperature Field of Serrated PDC CutterWU Ze-bing,YUAN Ruo-fei,ZHANG Wen-xi,YA
5、NG Chen-juan(Mechanical Engineering College,Xian Shiyou University,Xian 710065,China)Abstract The structure of polycrystalline diamond compact(PDC)cutter is an important factor affecting the performance of thedrill bit.The serrated PDC cutter has good performance but less research,and lacks relevant
6、 theoretical support.Therefore,based onelastoplastic mechanics and Drucker-Prager criterion,the finite element model of cutter and rock was constructed,and the rock break-ing and temperature field of serrated PDC and conventional PDC cutter were compared.The results show that the serrated PDC effec-
7、tively and significantly improved the rock breaking efficiency by shearing and ploughing.The mean cutting force of serrated PDC wasabout 20%lower than that of conventional PDC,and the fluctuation was obviously smaller.When the back rake angle became larger,the cutting force increases,and the specifi
8、c energy of rock breaking increased first,then decreases and increased again.There was anoptimal back rake angle of 10 15.With the increase of cutting depth,the cutting force increases,and the specific energy of rockbreaking decreases first and then increases.There was a critical cutting depth of 1.
9、5 2 mm.As the number of serrations increases,the cutting force and rock breaking specific energy of the cutter increase first and then decrease,and the three serrations were the best.The results of temperature field research show that the serrated PDC has a larger heat dissipation area and better th
10、ermal stability thanthe conventional PDC cutter,and there is a law between working parameters and temperature changes.The research depth reveals therock breaking characteristics and temperature field of the serrated PDC cutter,which has important guiding significance for PDC cutteroptimization and h
11、igh-performance bit tooth arrangement.Keywords PDC cutter;serrated;finite element;temperature field;rock breaking ratio 随着中国油气勘探的深入,钻井井深正从中浅层到深层甚至超深层延伸,油气资源所处地层环境复杂,开发难度大,对钻头要求更高1。聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)钻头寿命与效率较高,在钻井领域应用广泛,但在硬地层中易失效。PDC 刀具性能决定了钻头整体的效率和寿命。近年来,中国学者基于仿生学在工程领域的应用2进
12、行了大量研究,吴泽兵等3结合多种生物结构设计了一种多耦元仿生 PDC 刀具;孙茂凱等4设计出一种仿生手掌能达到理想抓取效果;高科等5基于仿生耦合理论设计了一种波浪形仿生 PDC 刀具;孙荣军等6通过对比波浪形、锯齿形投稿网址:11616科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(27)和梯形 PDC 刀具,发现锯齿形 PDC 刀具效果最好;徐建宁等7使用仿生设计提升了封隔器的稳定性。PDC 刀具由聚晶金刚石层和合金层构成,两者由于材料性质差异,其交界面处为薄弱位置8。在钻头破岩过程中,PDC 刀具与岩石接触生热,两种材料由于性质
13、差异易脱落导致 PDC 刀具过早失效。研究破岩温度场有助于了解单个 PDC 刀具破岩温度场的分布情况,对提高刀具的寿命、减少钻井成本意义重大9。目前,中国对仿生 PDC 刀具研究主要集中在波浪形 PDC 刀具上,且多数为破岩结构场,破岩过程中摩擦生热的温度场研究少。锯齿形 PDC 刀具攻击性强效果好,但缺乏相关布齿理论支撑,且以实验设备测量 PDC 刀具破岩中的温度场存在诸多限制10。因此,选择 Drucker-Prager 岩石本构模型,基于弹塑性力学建立刀具与岩石的有限元模型,分析工作和结构参数对锯齿形 PDC 破岩性能的影响,探究其破岩机理及温度场变化规律。以期为 PDC 刀具优化及高性
14、能钻头布齿提供理论支撑。1 理论基础1.1 温度场理论PDC 刀具破岩过程中升温主要是与岩石摩擦接触后机械能转化为热能所造成的,摩擦生热致使切削齿温度上升是根本原因。忽略刀具切削岩石过程中的能量消耗,并假设其破岩消耗能量都转化为热能,则产生的热量为Q=Fqv1+q(1)式(1)中:Q 为切削热;J;Fq为主切削力,N;v1为切削速度,m/s;q 为摩擦热,J。分析传热过程需根据传热方程以及热导方程确定,需全面考虑和钻头温度有关的岩石、岩屑以及环境影响因素等,才能确定其温度场。根据能量守恒和傅里叶导热定律可得导热微分方程为xExTx()+yEyTy()+zEzTz()+Q=cTTt(2)式(2)
15、中:表示材料密度;cT表示比热容;Ex、Ey、Ez分别表示 x、y、z 方向的热传导系数;Q 表示热源强度;T 表示温度,。基于傅里叶定律,将 PDC 齿与岩石及岩屑摩擦接触产生的热流密度与温度表示为ExTxnx+EyTyny+EzTznz=qf(t)(3)式(3)中:nx、ny、nz分别表示边界外法线的方向余弦;qf(t)表示边界上给定的热流密度,J/(m2 s)。破岩过程中假设 PDC 齿与岩石之间的摩擦全部转化为热能,可表示为qf(t)=Fv2(4)式(4)中:表示摩擦因数;F 表示接触面上的正法向力,N;v2表示滑动摩擦速度,m/s。1.2 岩石破碎性能评价研究 PDC 单齿的受力是其
16、性能分析的基础。假定钻头所受的横向力和轴向力分别为 Fx和 Fy,PDC刀具在破岩过程中受 Fy压力的作用吃入岩石,受 Fx作用旋转破坏岩石。另外,其切削刃面承受岩石摩擦力 Fs和反作用力 Ft,底部受岩石反作用力 Fb和摩擦力 Ft,为切削后倾角如图1 所示,力平衡方程为Fx=Ft+Fncos+Fssin(5)Fy=Fb+Fnsin+Fscos(6)图 1 受力分析图Fig.1 Force analysis diagram切削力和破岩比能是描述 PDC 刀具破碎岩石的基本特征。其中刀具所受切削力 Ft越小,钻头破碎岩石所需扭矩越小,越容易破岩;破岩比能代表破碎单位体积岩石所需能量,其越小,代
17、表效率越高,可用公式表示为H=EV(7)式(7)中:E 代表破岩消耗的能量,J;V 代表岩石破碎的体积,cm3;H 为破岩比能,J/cm3。2 模型建立2.1 刀具与岩石的有限元分析建立刀具与岩石的三维模型如图 2 所示。其中锯齿形结构高 0.5 mm,间距为 3.36 mm;金刚石层高 3 mm,合金层高 5 mm;刀具直径为 13.44 mm,后倾角为 15。根据圣维南原理,岩石尺寸为刀具尺寸的 5 10 倍,因此岩石尺寸为 100 mm 50 mm 25 mm。2.2 边界条件和材料为了保证计算精度和效率,在刀具与岩石接触位置细化网格为 1 mm,其余部位网格为 2 mm,刀具和岩石单元
18、类型均为 C3D8T,划分效果如图3 所示。投稿网址:2023,23(27)吴泽兵,等:锯齿形 PDC 刀具的破岩特性及温度场11617图 2 三维模型Fig.2 Three-dimensional model图 3 网格划分Fig.3 Grid divisionPDC 刀具只能沿着速度方向运动,岩石除上表面及切削路径的两个面外,其余均固定。设定刀具速度为200 mm/s,摩擦因数为0.3,初始温度27,模拟时间 0.5 s。PDC 刀具与岩石所需材料如表 1 所示,岩石本构模型选择 Drucker-Prager11。表 1 材料参数Table 1 Material parameters名称弹
19、性模量/GPa密度/(kg m-3)热导率/(W m-1)比热容/(J kg-1-1)热膨胀系数/-1泊松比金刚石层890.03 510543.07902.5 10-60.07硬质合金层 579.015 000100.02305.2 10-60.22砂岩13.62 6503.58005.2 10-70.303 结果分析与讨论3.1 岩石破碎机理分析本节将常规 PDC 刀具与锯齿形 PDC 刀具进行对比。切削深度2 mm,后倾角为15,图4 为两不同PDC 刀具破岩过程中切削力曲线。从图 4 中可以看出破岩过程中切削力呈现周期性波动,这是由于当岩石受到的应力大于其屈服应力时将会被削弱或破坏,破碎
20、的岩石消耗能量致使切削力快速下降,随后岩石开始新一轮破碎,切削力增加,所以其呈周期性波动。图 4 切削力曲线Fig.4 Cutting force curves图 4 中还显示出锯齿形 PDC 刀具的切削力峰值与最小值均明显小于常规 PDC 刀具,波动更小。从图 5 中可以看出,锯齿形 PDC 刀具的切削力均值与破岩比能数值明显小于常规 PDC,经计算其切削力相比常规 PDC 约减少 20%,效率提升约 17.2%。这说明,对比常规 PDC 刀具,锯齿形 PDC 刀具穿透地层能力强,破岩效率优势明显,所需扭矩更小,切削性能更加可靠。图 5 切削力均值和破岩比能Fig.5 Mean value
21、of cutting force and rock breaking ratioPDC 刀具的寿命与效率具有很强的相关性12。刀具表面所受应力一定程度上可以反映其磨损程度。常规和锯齿形 PDC 刀具接触应力如图 6 所示。从图 6 中可以看出应力主要出现在刀具和岩石接触部位,且两种齿的接触应力云图分布具有显著差异。常规 PDC 刀具的应力区域主要集中在聚晶金刚石层外边缘的底部,而锯齿形 PDC 的应力区域主要分布在锯齿脊状两侧。另外,锯齿形 PDC 刀具的最大接触应力约是常规 PDC 刀具的 0.67 倍,所以其耐磨性好于常规 PDC 刀具。图 7 为两种 PDC 刀具破岩过程中的岩石应力云图
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