真空无水环境PDC单齿切削机理研究及结构优化
发布时间：2021-07-19 12:23
月表高真空无水和复杂的温度环境,会导致钻探采样过程中钻头和月岩之间产生大量的热量,且热量无法及时扩散,进而加剧了刀具的磨损,导致钻头切削性能、使用寿命下降。目前PDC钻头多数采用标准圆柱形锋利齿,由于切削齿尖端存在应力集中和切削力波动行为,切削齿易于产生磨钝与断齿现象。切削齿的磨损主要集中在切削刃区域,使得切削齿失去了切削效率,最终导致用于岩石切削的能量急剧增加。据文献调研表明,PDC切削齿齿刃形状已经成为岩石切削的重要研究对象,它对减少切削齿的磨损、提高切削齿寿命至关重要。本文主要考虑圆弧形状切削齿对切削破岩的影响,研究了岩石切削过程中切削力、温度的变化规律、刀具磨损形貌以及岩石破碎机理。主要研究结论如下:（1）真空条件下的摩擦系数与切削齿上温度远高于环境空气条件,在大气条件下切削齿接触区域主要发生光滑磨损的过程,这种磨损模式通常是在均质地层中钻井时发生的,该地层具有较强的研磨性,经过抛光后的表面非常平整,而没有导致它在宏观意义上的断裂。而真空条件下,切屑塑性变形产生的热量和切削齿与切屑、岩石摩擦产生的热量大部分传递给切削齿,导致切削齿温度上升,在缺乏钻井液的条件下,真空中产生的热量...
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
拉伸破碎力学模型
4Gray[25]通过对单齿切削研究认为，在剪应力的作用下，岩石断裂裂纹首先沿着近似于对数螺旋线的路径发展，然后向上延伸，直至自由表面。Nishimatsu[26]通过对煤岩、砂岩、水泥回转切削过程的研究，提出类似的回转切削力学模型。切削时后刀面接触的岩石首先被压碎，随后在剪应力作用下向自由表面产生断裂裂纹扩展。Nishimatsu剪切模型切削力计算公式：=公式（1-2）式中：—切削深度；—岩石剪切强度；—岩石切削摩擦角；—应力分布系数、—岩石内摩擦角；—刀具前倾角。Appl等[3]也认为，在低钻速下的岩石，表现为刚塑性，并服从Tresca最大剪应力破坏准则。剪切破碎力学模型如图1-2所示。图1-2剪切破碎力学模型3、拉剪联合作用破碎别隆等[27]采用高速摄影法记录煤炭的切削破碎过程。在切削力的作用下，煤炭首先被剪碎成极细的颗粒，在切削齿刀尖处形成压实核，随着切削力逐渐增大，从压实核边缘产生大体积拉伸破碎。王成勇[17]通过对辉绿岩的研究，对此模型进行了验证，在辉绿岩大块切屑形成过程中，初始裂纹及扩展是由拉伸应力作用产生，在进一步的裂纹扩展过程中，拉应力与剪应力共同作用。中岛严[28]也建立了类似的拉剪作用切削力学模型，刃前岩石先压碎或剪碎成粉，然后在拉应力作用下产生裂缝扩展和块体断裂[29]。拉剪破碎力学模型如图1-3所示。
5图1-3拉剪破碎力学模型（2）基于岩石与切削齿不同接触形式力学模型近期回转切削力学模型在拉剪破碎分析的基础上根据岩石与切削齿不同的工作阶段和接触形式进行研究，主要表现为利刃切削、钝刃切削。LiangE等[30]通过研究切削面积、接触弧长等不同因素对切削力的影响，对不同种类岩石进行回转切削试验，研究了PDC利刃切削一般力学模型，为钻头设计优化和钻头的合理使用提供了理论基矗DemengChe等[31]在利刃切削的基础上，通过分析在线性切削中PDC切削齿与岩石的相互作用，提出如图1-4所示力学模型：切削齿的前刀面刀刃处引入尖端破碎区，即为压实核，压实核边界处压应力与裂纹扩展处拉应力σ假设为均匀分布，切削齿破碎岩石过程转化为尖端破碎区与岩石的相互作用。为了评估力学模型，进行全面线性岩石切削实验验证。图1-4利刃切削力学模型虽然对利刃切削过程产生的切削力建模较为成熟，但对影响磨损平面上接触力的因素研究仍有待完善[32]。Detournay和defourny[33]考虑摩擦力的作用，将模型分为利刃切削和钝刃切削，建立了切向力与轴向力之间的关系。该模型具有局限性，不能准确描述给定具体钻压、扭矩、钻进速度以及角速度参数之间的力学
【参考文献】：
期刊论文
[1]PDC切削齿破碎干热岩数值模拟[J]. 祝效华,但昭旺. 天然气工业. 2019(04)
[2]PDC钻头新技术及发展趋势分析[J]. 思娜,王敏生,李婧,邓辉,光新军. 石油矿场机械. 2018(02)
[3]正交切削SiCp/Al复合材料的切削力分析[J]. 段春争,傅程,孙伟,冯占. 工具技术. 2018(02)
[4]大理岩RHT模型参数确定研究[J]. 李洪超,刘殿书,赵磊,李晨,张振园. 北京理工大学学报. 2017(08)
[5]基于离散单元方法的岩石切削数值模拟分析[J]. 祝效华,刘伟吉,贺显群. 应用基础与工程科学学报. 2017(03)
[6]PDC钻头新进展及发展思考[J]. 潘军,王敏生,光新军. 石油机械. 2016(11)
[7]PDC钻头切削破岩机理及数值模拟研究[J]. 李琴,刘永升,黄志强,蔡春雷. 机械科学与技术. 2016(02)
[8]岩石切削机理模型分析及实验研究[J]. 何录忠,周琴,李斌斌,杜垚森. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2014(09)
[9]岩石切削损伤后PDC齿破岩规律探讨[J]. 伍开松,廖飞龙. 石油机械. 2014(05)
[10]适用于特定地层的PDC钻头个性化设计[J]. 刘志鹏,曾恒,周学军. 天然气工业. 2013(03)
硕士论文
[1]月面钻取采样过程钻具热特性测试系统研制与试验研究[D]. 侯佑松.哈尔滨工业大学 2013
[2]PDC钻头切削齿破岩过程热分析与仿真[D]. 李勇.西南石油大学 2012
本文编号：3290696
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
拉伸破碎力学模型
4Gray[25]通过对单齿切削研究认为，在剪应力的作用下，岩石断裂裂纹首先沿着近似于对数螺旋线的路径发展，然后向上延伸，直至自由表面。Nishimatsu[26]通过对煤岩、砂岩、水泥回转切削过程的研究，提出类似的回转切削力学模型。切削时后刀面接触的岩石首先被压碎，随后在剪应力作用下向自由表面产生断裂裂纹扩展。Nishimatsu剪切模型切削力计算公式：=公式（1-2）式中：—切削深度；—岩石剪切强度；—岩石切削摩擦角；—应力分布系数、—岩石内摩擦角；—刀具前倾角。Appl等[3]也认为，在低钻速下的岩石，表现为刚塑性，并服从Tresca最大剪应力破坏准则。剪切破碎力学模型如图1-2所示。图1-2剪切破碎力学模型3、拉剪联合作用破碎别隆等[27]采用高速摄影法记录煤炭的切削破碎过程。在切削力的作用下，煤炭首先被剪碎成极细的颗粒，在切削齿刀尖处形成压实核，随着切削力逐渐增大，从压实核边缘产生大体积拉伸破碎。王成勇[17]通过对辉绿岩的研究，对此模型进行了验证，在辉绿岩大块切屑形成过程中，初始裂纹及扩展是由拉伸应力作用产生，在进一步的裂纹扩展过程中，拉应力与剪应力共同作用。中岛严[28]也建立了类似的拉剪作用切削力学模型，刃前岩石先压碎或剪碎成粉，然后在拉应力作用下产生裂缝扩展和块体断裂[29]。拉剪破碎力学模型如图1-3所示。
5图1-3拉剪破碎力学模型（2）基于岩石与切削齿不同接触形式力学模型近期回转切削力学模型在拉剪破碎分析的基础上根据岩石与切削齿不同的工作阶段和接触形式进行研究，主要表现为利刃切削、钝刃切削。LiangE等[30]通过研究切削面积、接触弧长等不同因素对切削力的影响，对不同种类岩石进行回转切削试验，研究了PDC利刃切削一般力学模型，为钻头设计优化和钻头的合理使用提供了理论基矗DemengChe等[31]在利刃切削的基础上，通过分析在线性切削中PDC切削齿与岩石的相互作用，提出如图1-4所示力学模型：切削齿的前刀面刀刃处引入尖端破碎区，即为压实核，压实核边界处压应力与裂纹扩展处拉应力σ假设为均匀分布，切削齿破碎岩石过程转化为尖端破碎区与岩石的相互作用。为了评估力学模型，进行全面线性岩石切削实验验证。图1-4利刃切削力学模型虽然对利刃切削过程产生的切削力建模较为成熟，但对影响磨损平面上接触力的因素研究仍有待完善[32]。Detournay和defourny[33]考虑摩擦力的作用，将模型分为利刃切削和钝刃切削，建立了切向力与轴向力之间的关系。该模型具有局限性，不能准确描述给定具体钻压、扭矩、钻进速度以及角速度参数之间的力学
【参考文献】：
期刊论文
[1]PDC切削齿破碎干热岩数值模拟[J]. 祝效华,但昭旺. 天然气工业. 2019(04)
[2]PDC钻头新技术及发展趋势分析[J]. 思娜,王敏生,李婧,邓辉,光新军. 石油矿场机械. 2018(02)
[3]正交切削SiCp/Al复合材料的切削力分析[J]. 段春争,傅程,孙伟,冯占. 工具技术. 2018(02)
[4]大理岩RHT模型参数确定研究[J]. 李洪超,刘殿书,赵磊,李晨,张振园. 北京理工大学学报. 2017(08)
[5]基于离散单元方法的岩石切削数值模拟分析[J]. 祝效华,刘伟吉,贺显群. 应用基础与工程科学学报. 2017(03)
[6]PDC钻头新进展及发展思考[J]. 潘军,王敏生,光新军. 石油机械. 2016(11)
[7]PDC钻头切削破岩机理及数值模拟研究[J]. 李琴,刘永升,黄志强,蔡春雷. 机械科学与技术. 2016(02)
[8]岩石切削机理模型分析及实验研究[J]. 何录忠,周琴,李斌斌,杜垚森. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2014(09)
[9]岩石切削损伤后PDC齿破岩规律探讨[J]. 伍开松,廖飞龙. 石油机械. 2014(05)
[10]适用于特定地层的PDC钻头个性化设计[J]. 刘志鹏,曾恒,周学军. 天然气工业. 2013(03)
硕士论文
[1]月面钻取采样过程钻具热特性测试系统研制与试验研究[D]. 侯佑松.哈尔滨工业大学 2013
[2]PDC钻头切削齿破岩过程热分析与仿真[D]. 李勇.西南石油大学 2012
本文编号：3290696
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