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(duì)鉆進(jìn)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(fù)合片(簡(jiǎn)稱為PDC)以其使用壽命長(zhǎng)而廣泛應(yīng)用于錨桿鉆頭上，現(xiàn)場(chǎng)使用證明，PDC切削刃的形態(tài)對(duì)其在錨桿上的應(yīng)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(duì)錨桿鉆頭用PDC鉆進(jìn)效率和抗沖擊韌性的影響，結(jié)果表明：在PDC聚晶層外側(cè)倒角15°、在刃口處局部倒角25°、外側(cè)，可大大減少復(fù)合片的崩裂，提高鉆進(jìn)效率。

錨桿鉆頭;PDC鉆頭;聚晶金剛石復(fù)合片

1 前言

聚晶金剛石復(fù)合片(簡(jiǎn)稱為PDC)以其使用壽命長(zhǎng)而廣泛應(yīng)用于錨桿鉆頭上，現(xiàn)場(chǎng)使用證明，PDC切削刃的形態(tài)對(duì)其在錨桿上的應(yīng)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(jìn)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(dǎo)致崩齒?，F(xiàn)有的錨桿鉆頭用PDC多采用弧面齒，其對(duì)應(yīng)的斜鑲角較大，雖然抗沖擊韌性較好，但切削力小，鉆進(jìn)效率慢，從而提高了鉆進(jìn)成本[1] [2]。

本文采用在鉆機(jī)上模擬PDC錨桿鉆頭鉆進(jìn)巖石的方法，從力學(xué)角度分析驗(yàn)證PDC倒角與鉆進(jìn)效率和抗沖擊韌性的關(guān)系，為優(yōu)化PDC結(jié)構(gòu)從而提高鉆進(jìn)效率提供依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及樣品選擇

模擬錨桿鉆進(jìn)試驗(yàn)在ZLJ-360煤礦用坑道鉆機(jī)上進(jìn)行；鉆進(jìn)巖石為岑溪紅花崗巖，其硬度為7.3級(jí)、厚度為500mm；試驗(yàn)PDC樣品選擇本公司常規(guī)型號(hào)S1308，該產(chǎn)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(nèi)側(cè)進(jìn)行特殊的倒角，可以在保證高抗沖擊韌性的同時(shí)有效提高鉆進(jìn)速度，主要應(yīng)用于錨桿鉆頭等，適用于較硬地層。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)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(cè)倒角10°、15°、20°和25°，如圖1中的A，樣品編號(hào)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(gè)錨桿鉆頭。

將焊接好的錨桿鉆頭裝在ZLJ-360煤礦用坑道鉆機(jī)上進(jìn)行模擬鉆進(jìn)試驗(yàn)，使用的鉆機(jī)推進(jìn)力為10kN 、鉆速為1440r/min，每個(gè)鉆頭打5個(gè)孔，記錄下每次鉆進(jìn)所消耗的時(shí)間，計(jì)算出鉆進(jìn)平均速度，同時(shí)觀察PDC是否崩裂。

實(shí)驗(yàn)2：選擇實(shí)驗(yàn)1中的2#樣品，即在其聚晶層外側(cè)倒角15°的PDC樣品，分別在其聚晶層外側(cè)再局部倒角10°、20°、30°，如圖1中的B，樣品編號(hào)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(gè)錨桿鉆頭。

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

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2為實(shí)驗(yàn)1，即不同PDC外側(cè)倒角A錨桿鉆頭模擬鉆進(jìn)試驗(yàn)的鉆進(jìn)速度結(jié)果，表1為崩齒率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

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

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

圖3為實(shí)驗(yàn)2，即PDC外側(cè)倒角A為15°、不同PDC局部倒角B錨桿鉆頭模擬鉆進(jìn)試驗(yàn)的鉆進(jìn)速度結(jié)果，表2為崩齒率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖3 不同PDC局部倒角B的錨桿鉆頭鉆進(jìn)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(hào)2#5#6#7#外側(cè)倒角A15°15°15°15°外側(cè)局部倒角B0°10°20°30°錨桿鉆頭崩齒率/%402000

分析圖3、表2結(jié)果可以得知，當(dāng)PDC外側(cè)倒角A一定時(shí)，隨著PDC外側(cè)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(jìn)速度會(huì)稍許減少。因此，通過PDC外側(cè)局部倒角B，既可以保證PDC錨桿鉆頭具有較快的鉆進(jìn)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(guān)系對(duì)鉆進(jìn)效率的影響十分重要。PDC是斜鑲?cè)脬@頭胎體或鋼體的，在鉆壓和扭矩的聯(lián)合作用下，PDC鉆頭與巖石之間亦相互作用，PDC承擔(dān)主要的切削任務(wù)[3]。為了分析明確作用在復(fù)合片上的受力規(guī)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(jìn)時(shí)，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(jìn)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(fù)合片對(duì)巖層產(chǎn)生切削作用，而巖層也對(duì)PDC產(chǎn)生反作用，圖4為實(shí)驗(yàn)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(jù)力的平衡原理：

(1)

(2)

式(1)和式(2)中，F(xiàn)1為鉆機(jī)扭轉(zhuǎn)力，F(xiàn)2為鉆進(jìn)壓力，F(xiàn)c為PDC端面正壓力，F(xiàn)n為PDC側(cè)面壓力，α為PDC倒角，β為鑲嵌角。

在PDC形狀參數(shù)、切入角度、巖石性質(zhì)等條件確定的情況下，F(xiàn)n與Fc成正比[5]：

(3)

式(3)中，k是巖石性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)。

根據(jù)式(2)和式(3)

(4)

式(4)中,ω= arctg(k)；

在給定鉆進(jìn)壓力下，當(dāng)(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(duì)PDC端面的力為：

(5)

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

(6)

由式(4)、(5)、(6)可得出：

(7)

4 結(jié) 論

(1)錨桿鉆頭上PDC倒角的大小影響鉆頭的鉆進(jìn)效率和抗沖擊韌性，倒角的角度α越大，鉆進(jìn)效率會(huì)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(jìn)效率，但易崩齒。

(2)在錨桿鉆頭PDC外側(cè)設(shè)計(jì)局部較大倒角，可以在保證鉆進(jìn)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(fù)合片斜鑲角對(duì)鉆頭鉆進(jìn)性能的影響[J]. 西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(duì)復(fù)合片磨損規(guī)律的影響[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010(6):2173-2177．

[3] 李彥. PDC錨桿鉆頭的破巖機(jī)理及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].安徽理工大學(xué),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(xué)技術(shù),2013(10):90-92．

[5] 諶湛.PDC鉆頭力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)研究[D]. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)，2011．

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

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

[8] 劉祖建. 淺談PDC錨桿鉆頭失效原因及改進(jìn)對(duì)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(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(桂科AC16380092)、桂林市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016010701-2)(20160220-1)

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

莫一君(1990-)，男，本科，學(xué)士，材料科學(xué)與工程專業(yè)專業(yè)，從事超硬復(fù)合材料研究開發(fā)工作，E-mail：380177164@qq.com。

莫銘忠,莫一君,劉振輝.錨桿鉆頭PDC倒角對(duì)鉆進(jìn)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