立轮切削岩石的数值模拟分析

为了提高PDC钻头在难钻地层中的机械钻速,提出一种新型立轮式PDC钻头技术,并从微观角度探寻立轮在刮切破岩过程中的运动特性和受力规律,定量分析立轮切削齿的破岩规律,开展立轮破岩机理的数值模拟.结果表明:立轮刮切破岩会在岩石上形成“锯齿状”的交替刮痕,从Mises等效应力场的应力云图上看,立轮切削齿与岩石互作用时应力场以立轮齿齿刃与岩石的接触点为中心,随着区域的扩大应力值呈阻尼型减小;立轮切削齿在刮切破碎岩石时岩屑的产生过程可分为裂纹萌生、裂纹扩展和裂纹贯穿三个阶段;法向偏角越大,立轮在岩石上形成的刮痕越长,刮痕的径向覆盖范围更宽,刮痕交替、连续.法向偏角为5°的立轮刮痕比10°的立轮形成的刮痕长32.20%,比15°和20°的立轮形成的刮痕长38.98%;随着法向偏角的增大,岩石上的Mises应力和等效塑性应变PEEQ均在增加,立轮上的平均切削力随之减小.