PDC钻头破岩规律分析.ppt

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PDC钻头切削齿破岩载荷规律的分析
华北石油局第五普查勘探大队
许爱
摘要通过对PDC钻头切削齿上的载荷变化规律的分析,,(不同的切削齿与切削齿之间的径向距离和切削齿之间的高度差)来分析PDC钻头冠部形状和切削齿布齿密度对切削齿受力的影响,以及将切削齿的磨损状态简化成与切削齿在钻头上装配方向垂直的平面来分析切削齿磨损状态对切削齿受力的影响.

关键词 PDC钻头;切削齿;破岩载荷; 载荷规律

在许多的分析中都涉及PDC钻头切削齿切削岩石时的切削过程,即在切削塑性岩石时和切削软金属差不多;在切削脆塑性岩石时可分为挤压、小剪
切、大剪切三个过程,因此,在切削岩石的过程中,切削齿的运动是呈阶跃式向前运动的,因而作用在切削齿上的力也是阶跃式变化的,如图1所示.
图1 PDC钻头切削齿切削脆塑性岩石时切削力的变化过程
由图1可看出,切削齿上所受的力是变化的,也就是说切削齿在切削岩石的过程中是振动的。
不合理的钻头转速会导致PDC钻头发生共振,引起钻头先期损坏。
2 影响PDC钻头切削齿上受力的因素分析
PDC钻头在钻进时,是多个切削齿作用于岩石的,对于每一个切削齿而言,它在切削岩石时,, 基本上是把PDC钻头切削齿切削岩石时的情况作为平面切削来处理的,因此,切削面积、切削弧长、切削深度以及岩性对切削力、切削齿的轴向力、切向力的影响分析的相当多,对于PDC钻头切削齿的结构参数一般分析负切削角、装配角、,因此没有考虑切削齿在钻头上不同部位对各种切削力的影响,实际上,不同部位的切削齿的受力是大不相同的。
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PDC钻头上的切削齿基本上可把它分成4部分:内锥齿、外锥齿、锥顶齿和保径齿,,它主要是起保径作用,并不参与切削岩石,因此不对它进行分析。下面主要分析另外3类切削齿的受力特点。
经对现场使用过的PDC钻头进行观察分析,内锥部分的切削齿的磨损较小,而外锥齿的磨损却很大,锥顶齿的磨损与接近保径齿的磨损差不多,整个钻头上切削齿沿径向的磨损规律是:由小变大→减小→增大→减小,而且磨损最大的切削齿位于钻头边缘稍靠里一点,锥顶齿磨损也较严重,保径部分切削齿和钻头中心的切削齿磨损较轻,如图3所示。
图2 PDC钻头冠部形状示意图
图3 现场使用过的PDC(P156M)钻头磨损规律示意图
(单位:mm)
影响切削齿磨损大小的因素,除了受力因素外,线速度也是一个因素。对于图3所示的磨损规律,如果认为外锥齿的磨损较大是由于它的线速度较大而引起的,但是在锥顶齿的线速度比锥顶外部一点的切削齿的线速度要小,从切削齿的受力来分析看,内锥齿的切削面积要比外锥齿的切削面积大得多(因为随着切削半径的增大齿与齿之间的距离是大幅度减小的),因此它的轴向力、切削力也要大得多,如果用流行的PV值来衡量(其中P是切削齿所受的轴向力,V是切削齿的线速度),那么,他们的磨损量应该是差不多的,因为他们的PV值相差不大.
实际上,PDC钻头在钻进过程中,切削齿是作用在具有不同曲率的岩石自由面上的,如果我们假定外锥齿切削的曲面为负曲面,,这种负曲率的绝对值越大,其支撑力越大,对于内锥齿来说,周围的岩石对岩石的破碎基本上不起支撑作用,因此这一部分的岩石比较容易破碎。对于锥顶部分的岩石,由于它没有轴向自由面, 是最难破碎的,所以,如果切削面积相同的话,锥顶的切削齿承受的轴向载荷最大.