錨桿鉆頭PDC倒角對鉆進效率的影響

莫銘忠,莫一君,劉振輝

(桂林星鉆超硬材料有限公司，廣西 桂林 541004)

錨桿鉆頭PDC倒角對鉆進效率的影響

莫銘忠,莫一君,劉振輝

(桂林星鉆超硬材料有限公司，廣西 桂林 541004)

聚晶金剛石復合片(簡稱為PDC)以其使用壽命長而廣泛應用于錨桿鉆頭上，現場使用證明，PDC切削刃的形態對其在錨桿上的應用性能起決定性的作用，文章分析研究了倒角方式、倒角角度對錨桿鉆頭用PDC鉆進效率和抗沖擊韌性的影響，結果表明：在PDC聚晶層外側倒角15°、在刃口處局部倒角25°、外側，可大大減少復合片的崩裂，提高鉆進效率。

錨桿鉆頭;PDC鉆頭;聚晶金剛石復合片

1 前言

聚晶金剛石復合片(簡稱為PDC)以其使用壽命長而廣泛應用于錨桿鉆頭上，現場使用證明，PDC切削刃的形態對其在錨桿上的應用性能起決定性的作用。早前，安裝在錨桿鉆頭上的PDC多采用平面PDC，雖然切削面為平面的PDC的邊緣更鋒利，切削力增大，具有較快的鉆進速度，但是卻承受著較大的切向載荷，聚晶金剛石層易受沖擊導致崩齒。現有的錨桿鉆頭用PDC多采用弧面齒，其對應的斜鑲角較大，雖然抗沖擊韌性較好，但切削力小，鉆進效率慢，從而提高了鉆進成本[1] [2]。

本文采用在鉆機上模擬PDC錨桿鉆頭鉆進巖石的方法，從力學角度分析驗證PDC倒角與鉆進效率和抗沖擊韌性的關系，為優化PDC結構從而提高鉆進效率提供依據。

2 實驗

2.1 實驗設備及樣品選擇

模擬錨桿鉆進試驗在ZLJ-360煤礦用坑道鉆機上進行；鉆進巖石為岑溪紅花崗巖，其硬度為7.3級、厚度為500mm；試驗PDC樣品選擇本公司常規型號S1308，該產品在1500℃、5GPa以上條件下高溫超高壓合成，其耐磨性好，且在其內側進行特殊的倒角，可以在保證高抗沖擊韌性的同時有效提高鉆進速度，主要應用于錨桿鉆頭等，適用于較硬地層。

2.2 實驗方法

實驗1：類比PDC在錨桿鉆頭上的不同斜鑲角，將S1308型PDC樣品分4類，分別在其聚晶層外側倒角10°、15°、20°和25°，如圖1中的A，樣品編號分別為1#、2#、3#、4#，然后用這些樣品焊接錨桿鉆頭，每類PDC樣品焊接5個錨桿鉆頭。

將焊接好的錨桿鉆頭裝在ZLJ-360煤礦用坑道鉆機上進行模擬鉆進試驗，使用的鉆機推進力為10kN 、鉆速為1440r/min，每個鉆頭打5個孔，記錄下每次鉆進所消耗的時間，計算出鉆進平均速度，同時觀察PDC是否崩裂。

實驗2：選擇實驗1中的2#樣品，即在其聚晶層外側倒角15°的PDC樣品，分別在其聚晶層外側再局部倒角10°、20°、30°，如圖1中的B，樣品編號分別為5#、6#、7#，然后用這些樣品焊接錨桿鉆頭，每類PDC樣品焊接5個錨桿鉆頭。

圖1 PDC倒角示意圖Fig.1 Schematic diagram of PDC chamfering

3 實驗結果與分析

3.1 實驗結果

圖2為實驗1，即不同PDC外側倒角A錨桿鉆頭模擬鉆進試驗的鉆進速度結果，表1為崩齒率統計結果。

樣品編號1#2#3#4#外側倒角A10°15°20°25°錨桿鉆頭崩齒率(%)804000

分析圖2、表1結果可以得知，隨著PDC外側倒角A的增大，錨桿鉆頭的鉆進速度隨之降低，崩齒情況得到快速改善；反之，PDC外側倒角A越小，錨桿鉆頭的鉆進速度越快，但也越容易崩齒。

圖3為實驗2，即PDC外側倒角A為15°、不同PDC局部倒角B錨桿鉆頭模擬鉆進試驗的鉆進速度結果，表2為崩齒率統計結果。

圖3 不同PDC局部倒角B的錨桿鉆頭鉆進速度Fig.3 Drilling rate of different PDC chamfering B表2 不同PDC局部倒角B的錨桿鉆頭崩齒率Table 2 Tooth cracking rate of different PDC outside chamfering B

樣品編號2#5#6#7#外側倒角A15°15°15°15°外側局部倒角B0°10°20°30°錨桿鉆頭崩齒率/%402000

分析圖3、表2結果可以得知，當PDC外側倒角A一定時，隨著PDC外側局部倒角B的增大，PDC錨桿鉆頭的崩齒情況得到快速改善，而鉆進速度會稍許減少。因此，通過PDC外側局部倒角B，既可以保證PDC錨桿鉆頭具有較快的鉆進速度，又可以有效防止鉆頭崩齒。

3.2 PDC受力及失效分析

PDC 切削齒角度與巖石相互作用關系對鉆進效率的影響十分重要。PDC是斜鑲入鉆頭胎體或鋼體的，在鉆壓和扭矩的聯合作用下，PDC鉆頭與巖石之間亦相互作用，PDC承擔主要的切削任務[3]。為了分析明確作用在復合片上的受力規律，假定鉆頭是剛性的，孔底巖石是彈脆性體，孔壁本來也是彈脆性體，考慮到孔壁變形很小，忽略孔壁與鉆頭的作用。正常鉆進時，鉆頭與孔底接觸，僅PDC壓巖石，在PDC切削齒的作用下，微小巖塊從地層上脫離出來成為鉆碴，忽略鉆碴與PDC的作用力和孔底摩擦力[4]。

PDC鉆頭鉆進過程中的受力包括兩方面，鉆桿將扭矩與鉆壓傳遞到鉆頭上，通過PDC復合片對巖層產生切削作用，而巖層也對PDC產生反作用，圖4為實驗1條件下的PDC切削齒切削地層受力示意圖。

圖4 PDC切削齒切削地層受力示意圖Fig.4 The stress diagram of PDC cutting tooth when cutting into stratum

根據力的平衡原理：

(1)

(2)

式(1)和式(2)中，F1為鉆機扭轉力，F2為鉆進壓力，Fc為PDC端面正壓力，Fn為PDC側面壓力，α為PDC倒角，β為鑲嵌角。

在PDC形狀參數、切入角度、巖石性質等條件確定的情況下，Fn與Fc成正比[5]：

(3)

式(3)中，k是巖石性質有關的參數。

根據式(2)和式(3)

(4)

式(4)中,ω= arctg(k)；

在給定鉆進壓力下，當(α+β)越大，由式(4)可知，PDC前端面受到的沖擊力Fc越小，有利于保證PDC的完整。

正常工況下，在巖石是彈脆性體下，巖石對PDC端面的力為：

(5)

式(5)中,δ1為巖石破碎時的應力，S1為巖石與PDC端面接觸面積。當PDC半徑為R，切削深度為h時，PDC端面接觸面積為[6]：

(6)

由式(4)、(5)、(6)可得出：

(7)

4 結 論

(1)錨桿鉆頭上PDC倒角的大小影響鉆頭的鉆進效率和抗沖擊韌性，倒角的角度α越大，鉆進效率會降低，但抗沖擊韌性越好。相反，減小倒角角度α，可以提高鉆頭的鉆進效率，但易崩齒。

(2)在錨桿鉆頭PDC外側設計局部較大倒角，可以在保證鉆進效率的情況下，減少鉆頭崩齒，有效防止鉆頭過早失效。

[1] 張紹和,謝曉紅,王佳亮. 復合片斜鑲角對鉆頭鉆進性能的影響[J]. 西南石油大學學報(自然科學版),2012(1):171-175．

[2] 張紹和,謝曉紅,方海江,等. PDC鉆頭出露量和線速度對復合片磨損規律的影響[J]. 中南大學學報(自然科學版),2010(6):2173-2177．

[3] 李彥. PDC錨桿鉆頭的破巖機理及其優化設計[D].安徽理工大學,2014．

[4] 孟傳明. 錨桿鉆頭破巖過程建模及仿真分析[J]. 煤炭科學技術,2013(10):90-92．

[5] 諶湛.PDC鉆頭力學模型實驗研究[D]. 中國石油大學(華東)，2011．

[6] 劉向東,屈鈞利. 錨桿PDC鉆頭主要幾何參數的優化研究[J]. 煤礦機械,2010(1):29-31．

[7] 王海耀. 聚晶金剛石復合片(PDC)殘余應力與錨桿鉆頭失效機制[D].武漢理工大學,2013．

[8] 劉祖建. 淺談PDC錨桿鉆頭失效原因及改進對策[J]. 超硬材料工程,2012(4):28-31．

Influence of PDC Chamfer of Anchor Bits on Its Drilling Efficiency

MO Ming-zhong, MO Yi-jun, LIU Zhen-hui

(GuilinStarDiamondSuperhardMaterialCo.,Ltd.,Guilin,Guangxi,China541004)

Polycrystalline diamond compact (PDC) has been widely used in anchor bits manufacturing because of its long service life. Field application shows that the shape of PDC cutting edge plays a decisive role in its application performance on anchor bits. The influence of chamfering way and chamfering angle on the drilling efficiency and impact toughness of PDC used for anchor bits manufacturing has been sdudied in this article. Result shows that a chamfering angle of 15 ° outside the PDC polycrystal layer and partly 25 ° at the edge, outside, can greatly reduce the PDC crack and improve drilling efficiency.

anchor bits, PDC bits, polycrystalline diamond compac

2017-02-15

廣西科學研究與技術開發計劃項目(桂科AC16380092)、桂林市科學研究與技術開發計劃項目(2016010701-2)(20160220-1)

莫銘忠(1964-)，男，本科，工程師, 電氣自動化專業。2008年起從事超硬復合材料研究開發工作。E-mail：mmz@gk-pdc.com。

莫一君(1990-)，男，本科，學士，材料科學與工程專業專業，從事超硬復合材料研究開發工作，E-mail：380177164@qq.com。

莫銘忠,莫一君,劉振輝.錨桿鉆頭PDC倒角對鉆進效率的影響[J].超硬材料工程，2017，29(2)：35-38.

TQ164

A

1673-1433(2017)02-0035-04