基于有限元分析的煤矿井下新型弧角型聚晶金刚石复合片钻头优化设计
本文选题:钻井工程 + 硬地层 ; 参考:《吉林大学学报(工学版)》2017年06期
【摘要】:为了提高煤矿井下硬地层的钻进效率,借鉴石油钻头的设计和加工理念,提出了一种适用于煤矿井下硬岩钻进的新型弧角型PDC钻头的设计思路。采用有限元数值模拟方法,分别对直径为113mm的弧角型聚晶金刚石复合片(PDC)钻头的切削结构和水力结构进行优化设计,得出:当采用内锥角为130°、外锥圆弧半径为20mm的冠部形状,切削齿切削角度为-15°、侧转角为4°~6°,刀翼采用直刀翼的钻头切削结构时,破岩效果最佳;喷嘴喷射角为22°~30°、方位角的设计靠近切削齿的工作面时的钻头水力结构,能够满足岩屑的有效运移。基于此,试制了直径为113mm的弧角型PDC钻头,并进行现场试验,结果表明:弧角型PDC钻头的平均寿命为626m,平均钻进时效为25m/h,与工区现用普通内凹型钻头相比,寿命提高了4倍,钻进效率提高了1倍,说明本文设计的弧角型PDC钻头能够代替普通内凹钻头应用于硬地层钻进,可同时达到提高钻进效率和降低施工成本的目的。
[Abstract]:In order to improve the drilling efficiency of hard formation in coal mine, a new type of arc angle PDC bit for hard rock drilling in coal mine is put forward by referring to the design and processing idea of oil bit. By using finite element numerical simulation method, the cutting structure and hydraulic structure of arc angle polycrystalline diamond composite diamond (PDC) bits with diameter of 113mm are optimized. The results show that when the inner cone angle is 130 掳and the outer cone arc radius is 20mm, the shape of the crown is obtained when the inner cone angle is 130 掳and the outer cone arc radius is 20mm. The cutting angle of cutting teeth is -15 掳, the side turning angle is 4 掳/ 6 掳, the cutting structure of cutting blade is straight blade, the cutting effect of cutting bit is best, the jet angle of nozzle is 22 掳~ 30 掳, and the design of azimuth angle is the hydraulic structure of bit when it is close to the working face of cutting teeth. It can satisfy the effective migration of cuttings. Based on this, the arc angle bit with diameter of 113mm is trial-produced, and the field test is carried out. The results show that the average life of arc angle 113mm bit is 626m, the average drilling time is 25m / h, which is 4 times longer than that of conventional concave bit used in the working area. The efficiency of drilling has been increased by 1 times, which shows that the arc angle PDC bit designed in this paper can replace the common concave bit and be used in hard formation drilling. It can also improve the drilling efficiency and reduce the construction cost.
【作者单位】: 西安科技大学建筑与工程学院;中国煤炭科工集团西安研究院有限公司;吉林大学建筑与工程学院;
【基金】:“十三五”国家科技重大专项项目(2016ZX05045-003) 陕西省2014年科技统筹创新工程计划项目(2014KTCL03-14)
【分类号】:TD421
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,本文编号:1997474
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