仿生PDC 齒旋轉破巖時的溫度場和破巖特性模擬研究

吳澤兵，席凱凱，趙海超，黃 海，張文超，楊晨娟

（西安石油大學機械工程學院，陜西西安 710065）

隨著油氣資源持續開采，淺層油氣已經越來越少，人們將勘探開發目標轉向深層油氣資源，但深層儲層的巖石更堅硬、研磨性更強。PDC 鉆頭憑借其較高的機械鉆速和破巖效率，在深層油氣鉆井領域得到廣泛應用。常規PDC 鉆頭在鉆進初期著力點小，易吃入地層，鉆頭的破巖效率較高；隨著切削齒工作部位的磨損，切削齒與巖石的接觸面積不斷增大，導致切削齒越來越鈍，鉆進越來越困難[1]，在鉆深井或超深井時需不斷更換鉆頭才能保證正常鉆進，嚴重影響了鉆井效率，造成鉆井成本升高。鉆頭破碎泥巖等軟巖時，脫落的巖屑會遇水膨脹，如果不及時排離井底，會黏附在鉆頭上形成鉆頭泥包，導致鉆速降低或停鉆、卡鉆等情況[2]。針對上述問題，研究人員觀察和研究動物體表發現，某些生物體外表具有耐磨、減阻、防黏和再生功能[3]，筆者從中得到啟發，以自然界多種生物作為仿生原型，從多個維度進行結構仿生，設計出一種新型耦合仿生PDC 齒，并模擬研究了其破巖特性，以解決上述問題。

PDC 齒在破巖過程中會出現溫度明顯升高的現象，溫度過高會使鉆頭產生的熱應力超過鉆頭材料的許用強度，導致鉆頭過早失效。尤其是PDC 鉆頭切削齒的失效與工作溫度密切相關，當聚晶金剛石層溫度達350 ℃以上時，熱載荷對PDC 齒在研磨硬地層磨損的影響則變得明顯；當溫度達到700 ℃時，切削齒將失去工作能力[4]。……