全局力平衡PDC钻头布齿优化设计

发布时间：2021-11-23 21:25

　　针对聚晶金刚石复合片（PDC）钻头在钻井破岩过程中因受力不平衡,导致钻井倾斜、井径扩大、钻头产生横向振动和涡动,造成钻头早期失效的问题,基于已有PDC钻头切削力学知识,构建了PDC钻头弯曲力矩及全局力平衡布齿优化设计模型,并提出模型求解方法。布齿设计实例结果表明,采用全局力平衡布齿设计方法得到的布齿结构可使PDC钻头在不同进尺条件下均能保持全局力平衡状态,尤其低进尺（小于1 mm）时的力平衡状态得到极大改善,提高了PDC钻头的钻井稳定性,对于改善钻头受力、提升钻头使用寿命、提高钻井质量与效率具有重要意义。 

【文章来源】：中国机械工程. 2020,31(20)北大核心EICSCD

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

PDC钻头破岩钻进过程中的受力分析

如图2所示,采用近似半圆球形状来表述PDC钻头的外轮廓,PDC钻头上第i颗切削齿的齿心在平面M和N上,平面M过钻头轴线OH,平面N垂直于轴线OH,则第i颗切削齿的受力用三个正交力表示,分别为轴向分力fa、径向分力fr和切向分力ft,这三个力的方向分别平行于钻头钻进方向(OH轴)、过齿心的钻头径向和周向。分别在OR轴、OY轴和OH轴上构建i、j、k单位矢量,则第i颗切削齿的受力F和矢径rAO可表示为

目前PDC钻头的力平衡设计主要基于恒定的吃入深度进行设计,当吃入深度发生变化时,其所受的侧向力与弯曲力矩将发生较大变化。图 4所示为某PDC钻头在每转进尺为[0.1 mm,6 mm]范围内所受的侧钻比与弯扭比:①进尺大于1 mm时,PDC钻头侧钻比与弯扭比随着进尺的增大而减小,力平衡状态较好;②进尺在0.1～1 mm范围时,钻头侧钻比和弯扭比的波动较大,且均超过5%和15%的力平衡标准值。在实际钻井现场,PDC钻头低进尺钻进工况下确实极易发生井眼扩大和钻头涡动等现象,这与低进尺时PDC钻头力平衡性能差有较大关系,因此,PDC钻头布齿设计中应考虑不同钻井进尺对力平衡状态的影响。

【参考文献】：
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本文编号：3514668