針對聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）鉆頭在鉆井破巖過程中因受力不平衡,導(dǎo)致鉆井傾斜、井徑擴(kuò)大、鉆頭產(chǎn)生橫向振動和渦動,造成鉆頭早期失效的問題,基于已有PDC鉆頭切削力學(xué)知識,構(gòu)建了PDC鉆頭彎曲力矩及全局力平衡布齒優(yōu)化設(shè)計(jì)模型,并提出模型求解方法。布齒設(shè)計(jì)實(shí)例結(jié)果表明,采用全局力平衡布齒設(shè)計(jì)方法得到的布齒結(jié)構(gòu)可使PDC鉆頭在不同進(jìn)尺條件下均能保持全局力平衡狀態(tài),尤其低進(jìn)尺（小于1 mm）時的力平衡狀態(tài)得到極大改善,提高了PDC鉆頭的鉆井穩(wěn)定性,對于改善鉆頭受力、提升鉆頭使用壽命、提高鉆井質(zhì)量與效率具有重要意義。 

【文章來源】：中國機(jī)械工程. 2020,31(20)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

PDC鉆頭破巖鉆進(jìn)過程中的受力分析

如圖2所示,采用近似半圓球形狀來表述PDC鉆頭的外輪廓,PDC鉆頭上第i顆切削齒的齒心在平面M和N上,平面M過鉆頭軸線OH,平面N垂直于軸線OH,則第i顆切削齒的受力用三個正交力表示,分別為軸向分力fa、徑向分力fr和切向分力ft,這三個力的方向分別平行于鉆頭鉆進(jìn)方向(OH軸)、過齒心的鉆頭徑向和周向。分別在OR軸、OY軸和OH軸上構(gòu)建i、j、k單位矢量,則第i顆切削齒的受力F和矢徑rAO可表示為

目前PDC鉆頭的力平衡設(shè)計(jì)主要基于恒定的吃入深度進(jìn)行設(shè)計(jì),當(dāng)吃入深度發(fā)生變化時,其所受的側(cè)向力與彎曲力矩將發(fā)生較大變化。圖 4所示為某PDC鉆頭在每轉(zhuǎn)進(jìn)尺為[0.1 mm,6 mm]范圍內(nèi)所受的側(cè)鉆比與彎扭比:①進(jìn)尺大于1 mm時,PDC鉆頭側(cè)鉆比與彎扭比隨著進(jìn)尺的增大而減小,力平衡狀態(tài)較好;②進(jìn)尺在0.1～1 mm范圍時,鉆頭側(cè)鉆比和彎扭比的波動較大,且均超過5%和15%的力平衡標(biāo)準(zhǔn)值。在實(shí)際鉆井現(xiàn)場,PDC鉆頭低進(jìn)尺鉆進(jìn)工況下確實(shí)極易發(fā)生井眼擴(kuò)大和鉆頭渦動等現(xiàn)象,這與低進(jìn)尺時PDC鉆頭力平衡性能差有較大關(guān)系,因此,PDC鉆頭布齒設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮不同鉆井進(jìn)尺對力平衡狀態(tài)的影響。

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號：3514668