非平面PDC切削齿破岩有限元仿真及试验

为了指导PDC钻头设计,对三棱形和斧形PDC切削齿、常规平面PDC切削齿的破岩性能进行了研究。利用有限元软件建立了PDC切削齿直线切削岩石和垂直压入岩石的三维有限元模型,模拟了相同布齿角度下、不同形状PDC切削齿垂直压入岩石和不同切削深度直线切削均质岩石及非均质岩石的过程,发现不同形状PDC切削齿的破岩过程存在明显差异。与常规平面PDC切削齿相比,三棱形PDC切削齿更易压入地层形成破碎坑;三棱形和斧形PDC切削齿破碎均质砂岩时所需的切削力较小,岩石产生的预破碎区域更大,破碎非均质岩石时的切向力波动幅度小,更易破碎岩石。根据模拟结果,设计研制了三棱形切削齿PDC钻头,并在钻进混合花岗岩地层时获得较好的效果。研究结果表明,有限元模拟可为PDC钻头设计提供参考。

塑性地层宽刃齿破岩机理研究与提速应用

常规PDC钻头在钻进塑性地层时,存在吃入困难、机械钻速低的问题。为提高复合片吃入地层的能力,对常规PDC钻头布齿情况下的比钻压分布进行理论分析,并提出一种新的宽刃齿齿形。建立了宽刃齿和常规平齿静态压入和切削破岩的有限元模型。模拟结果表明:在同压力下,宽刃齿压入深度比常规平齿深24%~430%,静压入体积也明显增多;在相同工况下,宽刃齿比常规平齿破碎比功更小,更易高效破碎岩石;同时,设计宽刃齿钻头时,前倾角和侧转角不宜过大。基于研究结果开发了新型宽刃齿钻头并在塑性泥岩地层进行了现场应用。应用结果表明,该新型钻头平均机械钻速比同型号常规齿PDC钻头提高515%。研究结果可为解决难钻塑性地层的钻井提速问题提供一种新的思路。