2021年12月第6期第41卷总第246期
金刚石与磨料磨具工程
D i a m o n d&A b r a s i v e s
E n g i n e e r i n g
D e c.2021
N o.6 V o l.41 S e r i a l246不同斧型钻齿切削刃角下的破岩方式* 李尚劼1，赵星1，黄继庆2，刘维3
(1.深圳市海明润超硬材料股份有限公司，广东深圳518000)
(2.中国石油集团渤海石油装备制造有限公司，天津300457)
(3.中国石油大学(北京)，石油工程教育部重点实验室，北京102249)
摘要为进一步理解斧型P D C钻齿破岩机理，建立P D C钻齿破岩的3D有限元模型，对3种不同切削刃夹
铍青铜热处理角的斧型P D C钻齿破岩方式开展对比研究㊂结果表明：与150ʎ和165ʎ的钻齿相比,135ʎ的斧型钻齿受到的剪切力和切削力更小，从而具有更高的破岩效率㊂在相同的后倾角㊁相同的切削深度和相同的切削力下,165ʎ斧型钻齿切削力波动较小，稳定性更高㊂与立式车床上的实验数据相比，仿真结果与实验结果总体趋势一致，误差在可接受范围内㊂
关键词斧型P D C钻齿；有限元分析；单齿切削模拟；实验室立车测试
中图分类号 T G58;T G74文献标志码A 文章编号1006-852X(2021)06-0085-06
D O I码10.13394/j.c n k i.j g s z z.2021.6.0015
R o c k b r e a k i n g m o d e s u n d e r d i f f e r e n t c u t t i n g e d g e a n g l e s o f a x e d r i l l t e e t h
L I S h a n g j i e1Z H A O X i n g1H U A N G J i q i n g2L I U W e i3
1S h e n z h e n H a i m i n g r u n S u p e r h a r d M a t e r i a l s C o L t d S h e n z h e n518000G u a n g d o n g C h i n a 2B o h a i E q u i p m e n t M a n u f a c t u r i n g C o L t d C h i n a N a t i o n a l P e t r o l e u m C o r p o r a t i o n T i a n j i n300457C h i n a 3M o E K e y L a b o r a t o r y o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m B e i j i n g B e i j i n g102249C
h i n a A b s t r a c t T o f u r t h e r s t u d y t h e r o c k-b r e a k i n g m e c h a n i s m o f t h e a x e b l a d e P D C c u t t e r a3D f i n i t e e l e m e n t m o d e l o f t h e d y n a m i c r o c k b r e a k i n g o f t h e P D C c u t t e r w a s e s t a b l i s h e d a n d a c o m p a r a t i v e s t u d y o f t h r e e a x e c u t t e r s w i t h d i f f e r e n t a n g l e s w a s e v a l u a t e d T h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e b l a d e w i t h 135ʎh a s h i g h e r s h e a r i n g f o r c e a n d c u t t i n g f o r c e c o m p a r e d t o t h o s e o f c u t t e r s w i t h150ʎa n d165ʎw h i c h r e s u l t s i n a h i g h e r e f f i c i e n c y o n r o c k b r e a k i n g I t i s a l s o f o u n d t h a t w i t h t h e s a m e b a c k r a k e a n g l e c u t t i n g d e p t h a n d c u t t i n g f o r c e t h e a x e b l a d e w i t h165ʎc u t t i n g e d g e s h o w s a s m a l l e r f l u c t u a t i o n t h a n t h o s e o f o t h e r s C o m p a r e d w i t h t h e d a t a c o l l e c t e d f r o m v e r t i c a l l a t h e V T L t h e t r e n d o f s i m u l a t i o n r e s u l t s m a t c h e s w i t h t h e e x p e r i m e n t o n e a n d t h e d e v i a t i o n s b e t w e e n e x p e r i m e n t a n d f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s F E A c a n b e a c c e p t e d
K e y w o r d s a x e t y p e P D C d r i l l t e e t h f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s s i m u l a t i o n o f s i n g l e b l a d e c u t t i n g l a b o r a t o r i a l v e r t i a l l a t h e e x p e r i m e n t
随着国内外油气钻探迅速发展，金刚石钻头已成最主要的钻井工具之一㊂然而，面对复杂的工况环境，常规金刚石钻头钻进速度慢，抗冲击性差，使用寿命短，直接影响生产效率㊂
为了提高金刚石钻头在特定地层的破岩能力，开发出非平面异型切削钻头，其在硬地层㊁研磨性地层及非均质地层的钻进性能有了突飞猛进的发展[1–2]㊂史密斯钻头公司推出的斧型金刚石复合片钻头，采用独特的脊状斧型切削齿，集成了传统聚晶金刚石钻头的剪切破岩与硬质合金钻头挤压破岩的功能㊂参考斯伦
*基金项目：页岩油气㊁致密油气水平井 一趟钻 高端钻头系列化㊂
金刚石与磨料磨具工程总第246期
贝谢公司提供的钻井数据，使用斧型P D C复合片的六刀翼(12.25i n c h，约31.115c m)钻头在高耐磨地层进尺达到27.5m/h的记录，与常规P D C的相比性能提升超过40%㊂
随着斧型复合片的优秀钻进性能不断显露，出现了更多基于犁削破岩机理的非平面复合片设计，然而对于不同夹角的斧型钻头的切削机理鲜有深入研究，导致在选择斧型金刚石产品时缺少理论依据㊂虽然有理论研究证明120ʎ脊角的破岩效率最高[3–5]，但是120ʎ斧型㊁135ʎ斧型等产品的合成不容易实现，并且产品的稳定性较差㊂目前市场上对如何挑选斧型复合片以针对实际工况作业并没有相关的研究，导致一些钻头应用端一味地追求小角斧齿的破岩效率，而忽略了使用小角斧齿带来的弊端㊂
因此，利用有限元分析(f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s, F E A)对3种常见的不同切削刃夹角切削脊
刃的斧型齿的破岩方式进行对比研究，并与实验室测试数据比较，为不同切削刃夹角的斧型齿在特定地层的使用提供实测与分析参考[6–9]㊂3种典型斧型齿的切削刃夹角分别为135ʎ㊁150ʎ和165ʎ㊂
1实验部分
1.1研究对象
研究所用的3款斧型齿(a x e c u t t e r)如图1所示㊂其中d h为金刚石齿刃到基体的高度,d h=3.0mm;β为切削刃脊的夹角，其中1#样本的β1=165ʎ,2#的β2=150ʎ,3#的β3=135ʎ；齿边缘倒角为0.4mm；复合片直径为15.88mm；复合片总高为13.20mm㊂样品均选用相同P C D原料的配方与硬质合金为基材，在相同的条件(压力为7.7G P a，合成温度为1450~ 1550ħ)下使用六面顶压机合成㊂测试前,3款样品均使用3D轮廓仪测量刃脊夹角，角度误差均小于1ʎ㊂
图1斧型齿照片与结构
F i g.1P i c t u r e s a n d s t r u c t u r e o f a x e c u t t e r s 1.2F E A建模
在异型齿的结构研究中，有限元分析是一种常见的单齿破岩数字化研究方法，可用于非平面异型金刚石复合片的切削原理研究㊂有限元分析建模计算是基于连续介质理论，将物体划分为有限个单元，节点用数学方程联系起来㊂虽然有限元法对均质物体计算的准确性较高，但是对岩土体之类且含有节理
㊁裂痕的物体计算得出的数据可靠性并不高㊂因此在有限元分析测试应用在单齿破岩范畴时，需要先建立一个理想化模型，并设定一定的边界条件约束仿真分析，有限元分析可用于对比不同非平面异性复合片的切削表征，但也需要通过收集大量的实验室测试数据，对有限元计算结果进行修正㊂
使用A N S Y S W o r k b e n c h软件的显示动力模块，建立3种不同切削刃夹角的斧型复合片单齿直线切削岩石的有限元模型㊂模拟选用D r u c k e r-P r a g e r(D-P)准则下的岩石本构关系并定义其硬化特征[10–11]㊂切削时的倾角为15ʎ，岩石尺寸为100mmˑ50mmˑ30 mm，如图2所示㊂为了减少计算误差及应对A N S Y S 动力模块后处理器结果不收敛的问题，岩石块及复合片为均布网格，网格尺寸为0.5mm㊂复合片与岩石接触方式为一般接触，岩石材质设置为均一连续介质，为显示岩石破碎及排屑效果，重设损伤演化系数，并调整岩石的初始切削温度为27ʎ(室温)㊂切削过程中由于摩擦力带来的切削温度损耗不计算在其中，岩石四周添加固定约束㊂切削时长为0.30s，切割速度为400mm/s㊂主要材料参数如表1[12]㊂ 图2斧型齿切削破岩有限元模型
F i g.2F i n i t e e l e m e n t m o d e l o f c u t t i n g r o c k w i t h a x e c u t t e r
表1有限元分析的材料属性
T a b l e1M a t e r i a l p r o p e r t i e s i n F E A m o d e l
材料
密度ρ
k g㊃m-3
弹性模量
E/P a
泊松比
ε
比热容c
J㊃k g-1㊃ħ-1金刚石层32008.80ˑ10110.07790
硬质合金150005.79ˑ10110.22230
68
第6期李尚劼，等：不同斧型钻齿切削刃角下的破岩方式1.3岩石破碎机理实验
为接近实际打井工况，单齿破岩切削实验的设备
为立式车床(v e r t i c a l l a t h e，简称V T L)㊂采用V T L干
磨切削方法研究斧型复合片切削时岩石的破碎方式,
并对比切削后复合片磨口形态，以评估复合片的耐磨
性㊁抗冲击性及耐热性[13–14]㊂为对比不同切削刃夹角
斧型齿的岩屑样本，设计低速单圈走刀的加工方式，可
观察岩石破碎过程，并收集㊁对比切削后的岩石样本㊂
选用如图3所示的圆柱石材㊂石块内径为400
mm，外径为1100mm㊂同时，对3组样品进行实验
室湿磨测试，来对比不同切削刃夹角斧型产品的耐磨
性㊂V T L测试参数参见表2㊂
图3立式车床
F i g.3V e r t i c a l l a t h e
表2V T L实验参数
T a b l e2P a r a m e t e r s o f V T L e x p e r i m e n t
测试类型吃刀深度a p
mm
线速度v f
m㊃m i n-1复合片钻头
进给c
mm/r
倾角α
(ʎ)
湿磨测试0.51681.2570干磨测试1.520070 2结果与讨论
2.1不同切削刃夹角对岩石切削力的影响
斧型复合片的破岩方式与常规金刚石复合片的剪切破岩方式有相似之处，但也有很大的不同㊂二者都是在轴向力和扭矩作用下完成连续旋转破岩，不同之处在于斧型P D C结构破岩以切削刃脊的剪切破碎作用为主,2个切削面挤压粉碎岩石为辅㊂岩石破碎过程中单斧型齿的受力如图4所示，岩石对P D C的反作用力在P D C接触面可分为轴向力F v，切削力F h和摩擦力f㊂切削力与轴向力垂直，其方向与切削速度方向相反㊂其中,α是切削后倾角,v是切削速度,h为吃刀深度
㊂
图4斧型齿切削受力分析
F i g.4F o r c e a n a l y s i s o f a x e c u t t e r
同时，岩石破碎时需要消耗一定的能量，单位体积岩石破碎的能量E M S E是计算岩石破损破碎的重要指标，其计算公式可表示为:
E M S E=W V=
F h w h(1)
其中:W为岩石破损所需要的能量,J/m3;V是岩石破损体积,m3;w为切入岩石复合片的宽度, m[15–22]㊂因此，可通过分析切削力的数据评估复合片的破岩效率及破岩能耗㊂
2.2不同切削刃夹角对岩石破碎方式的影响
蜗轮副图5为3种不同切削刃夹角的斧型钻头切削岩石的剪切应力分布模拟结果㊂通过分析岩屑破碎形态，发现165ʎ斧型钻齿(1#样本)的切削方式以挤压刮削为主，剪切力为辅；从岩层剪切应力分布可看出，当应力岩石底部应力集中区域达到峰值后，岩石出现大体积脱离，但切削齿未能主动断屑㊂
从2#样本(150ʎ斧型P D C)的岩石排屑方式可看出，在切削齿切入岩石的同时脊刃对脱落岩屑二次切削实现断屑；从岩石剪切应力也可看出，剪切应力集中区域主要分为3个部分，分别为中部切削刃应力集中区及两侧挤压面应力集中区域，每个区域应力分工较为明确，此款齿更适用于耐磨性较强的均质地层㊂
3#样本(135ʎ斧型P D C)的破岩形态与2#样本的破岩形态相似，在切削齿切入岩石时破岩及断屑同时完成㊂
切入过程中的M i s e s应力分布如图6所示㊂从图6可看出:1#样本与2#样本的M i s e s峰值应力面积更大，因此岩石破碎所需能量更大㊂3#样本切入岩石时，岩石主应力峰值区域集中，因此推断135ʎ斧型对岩石的破坏性更强，在硬脆性岩层工况下可引起岩层大体积剥离破碎㊂
78
金刚石与磨料磨具工程总第246
期
(a)1#平板电脑支撑架
(b)2#
(c)3#
图5不同切削刃夹角斧型齿切削均质岩层时剪切力分布
F i g.5S h e a r s t r e s s o f a x e c u t t e r s w i t h d i f f e r e n t a n g l e s
根据图7所示的不同切削刃夹角–斧型切削岩石时切向力随时间变化曲线，可以看出:3#样本的数据小于其余2组数据，因此135ʎ斧型破岩所需的切削力小，钻机提供的扭矩及钻压也越小，有利于水平井的钻进㊂从切向力随时间波动剧烈并出现多处峰值分析, 1#样本的切向力波动幅度小于3#样本的㊂切向力波动的原因主要是在破岩过程中，切削齿遇到硬质成分后切向力迅速升高，当达到岩石屈服极限后岩石崩碎断裂，然后切向力迅速降低㊂更小的切削力波动幅度说明165ʎ斧型齿与岩石接触更均匀，有利于降低震动[23–25]㊂
图8为3种切削刃夹角–的V T L干磨测试后的岩石样品对比㊂其中3#样本切削后岩屑以大颗粒岩屑为主，
颗粒尺寸在0.2~0.5mm，且分布较为均匀;2 #样本的切削岩样本中，岩屑颗粒大小以0.2mm为主;1#样本的岩屑以粉末为主，有少量岩石颗粒，且小颗粒岩石粒径在0.03~0.15mm ㊂
(a)1#
(b)2#
(c)3#
图6不同切削刃夹角–斧型齿切削均质岩层时M i s e s应力分布
F i g.6M i s e s s t r e s s o f a x e c u t t e r s w i t h d i f f e r e n t a n g l e
s
图7不同切削刃夹角斧型切削岩石时切向力随时间变化曲线
F i g.7T a n g e n t i a l f o r c e v s t i m e f o r d i f f e r e n t a x e c u t t e r s
88
第6期
李尚劼，等:
不同斧型钻齿切削刃角下的破岩方式
(a )1#
(b )2#
(c )3#
图8 不同切削刃夹角–斧型齿V T L 测试走刀及岩屑样本F i g .8C u t t i n g p a t h a n d c h i p
s o f d i f f e r e n t a x e c u t t e r s 图9所示为V T L 切削后的岩石槽型与F E A 切削
后的岩石槽口对比㊂从图9中可以看出:165ʎ斧型齿的切削痕迹接近弧形,150ʎ斧型齿及135ʎ斧型齿的刀痕为V 字型;3组样本的槽型边缘都较为平整,F E A
切削模拟对照组与实际切削槽型结果相似㊂实验通过使用有限元模拟的方式得出了岩石在3种不同样本复合片切削作用下的结果，并且得到的岩石破碎效果与对应的V T L 干磨槽型结果
㊂
液压冷却系统
(a )V T L 切削岩石槽型
V T L c u t t i n g g
r o o v e s (b )F E A 切削岩石槽口
F E A g r o o v e s
图9 V T L 切削后的岩石槽型与F E A 切削后的岩石槽口对比
F i g .9V T L c u t t i n g g r o o v e s c o m p
a r e d w i t h F E A g r o o v e s 由此可知:
斧型齿的切削刃的夹角对岩石破碎有显著影响，夹角更小(135ʎ和150ʎ)的斧型齿结构主要破岩方式为剪切破碎，夹角接近平齿时(165ʎ)，岩石破碎方式则更接近挤压粉碎㊂
采用V T L 湿磨测试实验对比样品的耐磨性,3组
样本各完成40个单程测试后其结果如图10所示㊂3组样品选用相同基材，并且在相同的合成条件下完成制样㊂从图10中的3组样本的磨口对比可发现:165ʎ斧型齿的磨口小于150ʎ斧型齿和135ʎ斧型齿的㊂
135ʎ斧型齿磨口表面积是165ʎ
斧型齿磨口表面积的2倍㊂在相同的钻进条件下,165ʎ脊角的斧型齿的耐研磨性更好
㊂
图10 不同斧型齿耐磨性柚子去皮机
F i g
.10W e a r r e s i s t a n c e o f d i f f e r e n t a x e c u t t e r s 3 结论
(1
)通过切削力波动幅度可知：脊刃口角度增大可保留非平面齿的稳定性㊂针对研磨性地层可选用165ʎ的斧型齿以保证钻进的稳定性，同时破岩时的切向力波动幅度更小，对降低钻头在脆性硬性工况时的振动非常有益；并且可以降低钻头的黏滑现象，可使用在造斜及水平井段㊂
(2)150ʎ斧形齿具备一定的剪切破岩能力，也保留了稳定的挤压碎岩能力，可作为钻头肩部布齿㊂在冲击性强的混合工况下仍具有较高的机械钻速，所以150ʎ斧型齿可适用于钻进冲击性强，研磨性高的地层㊂(3)135ʎ
斧型齿具有更高的穿透地层的能力，所需要的破岩能量小，且破岩效率高更易形成较大体积破损并且降低岩石断裂时对切削齿的冲击性，更适用于砾岩地层㊂
参考文献:
1 郑家伟 国外金刚石钻头的新进展 J 石油机械 2016 44 8
31–36 9
8
豫公网安备41160202000603
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