仿生非光滑PDC切削齿切削机理与试验研究

【摘要】在地质、煤田钻探和油气钻井中，针对中硬以下地层，聚晶金刚石复合片（PDC）钻头因其出色的切削速度和较长的使用寿命已经成为最常用的破岩工具之一。但是随着PDC钻头的广泛应用，也逐渐暴露出一些不足，如PDC钻头在切削岩石时随着PDC切削齿的不断磨损，不能保持高速；钻进泥、页岩地层时，容易出现泥包现象，严重影响和制约PDC钻头的使用效果。产生以上不足的主要原因有：一是因聚晶金刚石与硬质合金的线膨胀系数相差较大，使得聚晶金刚石与硬质合金结合界面间热力学特性匹配不好，存在较大的残余热应力，极易导致金刚石与硬质合金结合界面分层而失效；二是PDC表面大都为平面，为减少切屑黏附现象和质量检查，一般采取抛光处理提高表面光洁度，磨成镜面，成本高，但防粘效果不明显；三是随着PDC工作刃部的不断磨损而形成平面或弧面，与岩石接触面积急增，对岩石切削产生的压强急降，破岩速度降低，磨损加快，尤其对于深井、超深井钻进，频繁更换钻头将增加钻井周期和钻井成本。本文引入仿生非光滑理论，采用仿生学相似原理和拓扑方法，PDC切削齿作为PDC钻头的基本切削元件，从PDC切削齿的切削角度进行研究，以蝼蛄的爪趾和贝壳为仿生原型，研制具有持续高效、耐磨的新型仿生非光滑PDC切削齿。首先对仿生非光滑PDC切削齿切削岩石的过程进行模拟仿真：利用ABAQUS软件对仿生非光滑PDC切削齿和常规PDC切削齿压入切削岩石过程进行模拟仿真，得出仿生非光滑PDC切削齿与岩石接触面为多点应力集中（数据较大），而常规PDC切削齿为单点应力集中（数据较小），说明仿生非光滑PDC切削齿在同样的相同切削条件下首先达到岩石的破碎极限，从而实现快速破岩目的；其次，进行仿生非光滑PDC切削齿的耐磨性能测试：与常规PDC切削齿进行磨耗比测试对比，结果显示仿生非光滑PDC切削齿的磨耗比要高于常规PDC切削齿；再次，进行防粘试验：利用自制粘土，对仿生非光滑PDC切削齿和常规PDC切削齿粘附性钻进试验，试验发现仿生非光滑PDC切削齿的防粘性能较常规PDC切削齿有明显改善；然后，进行微钻试验：制备4种不同后倾角（15°、20°）和侧转角（0°、5°）的微钻头，针对同一种岩石，进行钻进效果试验，得出两种工作角度对切削齿工作性能的影响。最后，对仿生非光滑PDC切削齿钻头进行了野外试验：试验结果，使用寿命与常规PDC切削齿钻头相当的前提下，机械钻速提高1.6倍。
【作者】刘婧；
【导师】高科；
【作者基本信息】吉林大学，地质工程，2014，硕士
【关键词】PDC；仿生非光滑；切削机理；防粘；耐磨性能；

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