孫祺斌，沈立娜，楊甘生，田國亮，阮海龍，陳 西

特高多層胎體孕鑲金剛石鉆頭設(shè)計與數(shù)值模擬

孫祺斌1，沈立娜2，楊甘生1，田國亮3，阮海龍2，陳 西1

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2. 北京探礦工程研究所，北京 100083；3. 山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第六地質(zhì)大隊，山東 威海 264200)

針對金剛石鉆頭壽命受限于鉆頭胎體高度的問題，提出了一種新型多層特高胎體孕鑲金剛石鉆頭的設(shè)計方案。鉆頭設(shè)計中，引入了偏心交錯切削齒、交替式水口以及擋水片結(jié)構(gòu)，保證了多層特高胎體鉆頭的冷卻及有效鉆進(jìn)。通過強(qiáng)度及水力流場模擬，校核了鉆頭強(qiáng)度，驗證了水路結(jié)構(gòu)的合理性，并進(jìn)一步實現(xiàn)了鉆頭成品加工制造。該鉆頭打破鉆頭胎體高度的限制，為大幅提高鉆頭壽命提供了新的思路。

特高多層胎體鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計；擋水片；強(qiáng)度分析；流體場分析；數(shù)值模擬

在資源日漸緊缺的現(xiàn)狀下，鉆探開始向更深部、更復(fù)雜地層發(fā)展，需要性能優(yōu)良的鉆探工具，特別是直接影響鉆探成本和效率的鉆頭。鉆頭的機(jī)械鉆速和工作壽命是衡量其性能優(yōu)劣的兩個關(guān)鍵參數(shù)，提高機(jī)械鉆速可縮短純鉆進(jìn)時間，增加鉆頭壽命可減少提下鉆次數(shù)，縮短鉆探工作總時間，最終實現(xiàn)降低鉆探成本的目的。為了改善金剛石鉆頭性能，國內(nèi)外學(xué)者主要從鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計、胎體材料選擇、燒結(jié)工藝參數(shù)優(yōu)化、金剛石表面鍍覆等[1-7]方面進(jìn)行研究。在深孔鉆探中使用金剛石繩索取心鉆進(jìn)工藝可以提高鉆速，減少起下鉆的次數(shù)和間隔，從而節(jié)約鉆進(jìn)成本[8-10]。但制約金剛石繩索取心鉆進(jìn)效果的瓶頸是金剛石鉆頭的使用壽命[11-13]。而為了改善鉆頭壽命，現(xiàn)在進(jìn)行改善鉆頭結(jié)構(gòu)方面的研究，大多從改善胎體性能包括設(shè)計雙層水口的高胎體結(jié)構(gòu)。但這些設(shè)計大多只有兩層結(jié)構(gòu)，并且大多在水口分流泥漿的問題上未能給出合理有效的設(shè)計。

為了延長金剛石鉆頭的使用壽命，筆者提出一種高胎體多層水口鉆頭設(shè)計。并且針對多層水口的分流沖洗液問題進(jìn)行進(jìn)一步研究，并提出有效的解決方案。

1 新型多層特高胎體鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 交錯式多層胎塊結(jié)構(gòu)

為保證鉆進(jìn)中始終存在金剛石胎塊對地層磨削，采用交錯多層金剛石胎塊設(shè)計，使下一層金剛石胎塊的工作層頂面始終高于上一層金剛石胎塊的工作層底面。即在鉆頭空間結(jié)構(gòu)上，縱向分布有多層金剛石胎塊，如圖1a所示。為了保證金剛石胎塊在鉆頭同一橫切面上始終有工作層在工作，每相鄰兩層與相鄰兩列的金剛石胎塊工作層頂面之間有固定高度差。利用這種交錯排列的設(shè)計，該種鉆頭在鉆進(jìn)工作中能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)切削地層。

其磨損機(jī)制設(shè)計如下：當(dāng)端面第一層金剛石胎塊磨損到位置1時，鉆頭結(jié)構(gòu)如圖1b所示，在頂端第一層金剛石胎體工作層全部磨損后，每個磨損塊附近一列的第二層金剛石胎體仍舊在工作；當(dāng)端面第二層胎塊磨損到位置2時，鉆頭結(jié)構(gòu)如圖1c所示，第二層金剛石胎塊工作層部分已完全磨損，第三層胎塊已經(jīng)接替工作。以后多層均如此循環(huán)，完成各層胎塊之間的交替磨損。

圖1 新型多層特高胎體鉆頭不同磨損狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意

1.2 鉆頭水力結(jié)構(gòu)設(shè)計

a. 交替式水口 為了在鉆進(jìn)中實現(xiàn)連續(xù)冷卻，鉆頭水口伴隨金剛石胎塊同樣形成多層交錯排列設(shè)計，交替式水口(為區(qū)別于胎塊工作層，文中稱之為交替式水口)通過上下層水口高度差實現(xiàn)全鉆進(jìn)過程的冷卻。

b. 擋水片部件 由于該鉆頭為特高胎體結(jié)構(gòu)，縱向分布有多層水口。鉆頭在鉆進(jìn)工作時，可能出現(xiàn)泥漿大部分從非工作面處水口流出，造成鉆頭冷卻沖洗不足而發(fā)生提前破壞。如果通過加大泵量來實現(xiàn)冷卻，將會對井壁和鉆進(jìn)壓力產(chǎn)生影響[14]。為此，必須設(shè)計一種結(jié)構(gòu)，改善鉆頭鉆進(jìn)過程中的冷卻和沖洗效果。通過優(yōu)化設(shè)計一種U型擋水片結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。

如圖2所示，在水口內(nèi)側(cè)，設(shè)計一薄壁片狀結(jié)構(gòu)，幾乎完全擋住內(nèi)水口，其側(cè)向切割成U型縫隙，只有頂邊與鉆頭鋼體通孔的內(nèi)壁相連接，形成一端連接的擋水片，端面層水口不設(shè)計擋水片。在鉆頭初始工作時，由于擋水片的設(shè)計，大部分泥漿沖洗液從端面流出，正常攜漿并冷卻鉆頭，當(dāng)鉆進(jìn)到中間過渡層胎體時，擋水片連接處磨斷，擋水片脫落，泥漿大部分流經(jīng)此處，實現(xiàn)正常冷卻。

1.3 內(nèi)外保徑設(shè)計

鉆頭的內(nèi)外保徑對于鉆頭工作壽命十分重要。金剛石鉆頭在實際鉆探工作中，其磨損量伴隨著不斷進(jìn)尺在逐漸增加，這主要影響了鉆頭胎體的內(nèi)外徑是否能維持合理范圍。如果鉆頭沒有設(shè)置保徑，那么當(dāng)鉆頭不斷磨削地層的過程中，鉆頭頂端工作面減少的同時，內(nèi)外徑也將被磨損。外徑的磨損會使鉆頭外徑尺寸不斷變小，當(dāng)外徑尺寸減小到和鉆具一致時，井壁將開始磨損鉆具使其受損。鉆頭內(nèi)徑的磨損會使鉆頭內(nèi)徑尺寸變大，進(jìn)入巖心管的巖心也隨之變粗，最后巖心進(jìn)入管內(nèi)會導(dǎo)致卡管現(xiàn)象，井下工作被迫停止，可見保徑對于實際鉆探工作的重要性[15]。由于鉆頭胎高理論上可以不受限，因此，在鉆頭的內(nèi)外保徑上，縱向設(shè)計PCD切片復(fù)合保徑，以滿足長時間磨損鉆進(jìn)需求。如圖3所示，黃色部分為保徑結(jié)構(gòu)。

圖2 新型多層特高胎體鉆頭剖面及擋水片結(jié)構(gòu)示意

圖3 鉆頭保徑結(jié)構(gòu)示意

1.4 鉆頭的實物加工

為驗證設(shè)計的可行性，加工制造了HQ口徑(外徑為95.5 mm，內(nèi)徑為63.5 mm)的鉆頭實際樣品，如圖4所示，為三層胎體結(jié)構(gòu)鉆頭，工作層高度為68 mm。

圖4 三層胎體結(jié)構(gòu)鉆頭加工實物

包括如圖5所示的除頂層頂端未封閉水口外，其他層未出露水口內(nèi)的擋水片實際結(jié)構(gòu)。

圖5 鉆頭水口擋水片結(jié)構(gòu)實物

2 多層特高胎體鉆頭的強(qiáng)度及流場分析

2.1 鉆頭強(qiáng)度模擬分析

為了驗證鉆頭的強(qiáng)度，保證鉆頭在工作狀態(tài)下不會發(fā)生形變導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，采用SolidWorks SimulationXpress數(shù)值模擬，對HQ口徑mm的鉆頭進(jìn)行了初步的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度分析?？紤]到鉆頭胎體強(qiáng)度一般大于剛體強(qiáng)度，在剛體不出現(xiàn)變形的情況下，可以將其視作整體進(jìn)行強(qiáng)度校核。鉆頭完整高度為117 mm，工作層高度為68 mm。選材為45號鋼，其抗拉強(qiáng)度b≥600 MPa，屈服極限s≥355 MPa。由于抗剪強(qiáng)度一般取材料屈服極限s數(shù)值的一半，故45號鋼抗剪強(qiáng)度應(yīng)為≥178 MPa。安全系數(shù)取1.6，所以45號鋼許用應(yīng)力應(yīng)不超過112 MPa?？紤]到實際井下情況，鉆頭受到扭矩不超過2 000 N·m。

基本模擬操作步驟為：首先建立模型(包括5種不同磨損狀態(tài)下的鉆頭模型)，選取結(jié)構(gòu)單元為AISI 1045鋼，夾具固定鉆頭底部非工作部分進(jìn)行約束，沿周向施加總數(shù)為25 000 N的載荷，最后運(yùn)行模擬，得出結(jié)果。圖6a—圖6e分別是鉆頭在von Mises屈服準(zhǔn)則下5種磨損狀態(tài)的Mises等效應(yīng)力分布。

由數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，在鉆頭模型受到相應(yīng)扭轉(zhuǎn)力發(fā)生形變的情況下，最薄弱處受到的最大屈服應(yīng)力為圖6e中水口處所受應(yīng)力，其值為95.5 MPa，圖6a—圖6d中最薄弱處所受最大應(yīng)力均小于該值，分別為59.2、75.8、93.4、93.7 MPa，且該部分應(yīng)力不僅小于前面算出的45號鋼最大許用應(yīng)力值112 MPa，而且遠(yuǎn)小于SolidWorks SimulationXpress軟件中所提供的材料屈服力的最大值530 MPa，故該鉆頭在材料為45號鋼時的結(jié)構(gòu)及材料強(qiáng)度處于合理范圍內(nèi)。

2.2 鉆頭的流體分析

為了保證擋水片設(shè)計能夠起到有效作用，利用軟件SolidWorks FloXpress對有擋水片和沒有擋水片的兩種不同水口結(jié)構(gòu)的鉆頭分別進(jìn)行了流體模擬。

具體實施方案是，首先建立2種三層水口鉆頭的三維模型，及包括這兩種鉆頭的4種不同磨損狀態(tài)模型，分別對應(yīng)不同層水口工作時的鉆頭狀態(tài)。環(huán)境溫度設(shè)置在200 ℃，泥漿泵量取100 L/min，模型中液體柱數(shù)量為50，代表了液體流量，并以各水口作為液體出口。圖7—圖10分別為不同磨損程度的鉆頭、不同層工作水口的有無擋水片情況下，鉆頭流體的對比圖。

由圖7和圖8有無擋水片的兩種鉆頭內(nèi)流體模擬結(jié)果對比可以看出，在鉆頭包含兩層以上水口時，通過頂層水口內(nèi)液流柱數(shù)量與于下面各層水口對比可知，有擋水片的多層水口鉆頭水路中流體大部分是從頂層水口流出，并且在靠近鉆頭的頂部位置仍舊能保持一定的流速。但是沒有擋水片的多層水口鉆頭只有一小部分的流體從頂端水口流出，其他層水口分流了大部分的流量，并且在靠近頂部位置的流體已經(jīng)很難維持流速。由圖9和圖10對比可以看出，當(dāng)只有兩層水口時，水口內(nèi)含有擋水片的多層水口鉆頭內(nèi)幾乎全部流體都會從頂部已經(jīng)出露的水口內(nèi)流出，只有極少部分流體會從擋水片縫隙流出。而沒有擋水片遮擋水口的多層水口鉆頭雖然大部分流體會從頂部水口流出，但下層未出露水口仍舊會分流相當(dāng)一部分流體。由以上分析可以得出，對于該多層特高胎體鉆頭，擋水片能夠?qū)崿F(xiàn)泥漿分流。

圖7 鉆頭未磨損時有無擋水片流體示意

圖8 鉆頭第1種磨損狀態(tài)下有無擋水片流體示意

圖9 鉆頭第2種磨損狀態(tài)下有無擋水片流體示意

Fig 9 Schematic diagram of fluid with or without a baffle in the second wear state of the bit

圖10 鉆頭第3種磨損狀態(tài)下有無擋水片流體示意

3 結(jié)論

a. 為了能夠有效提高鉆頭壽命，節(jié)約鉆進(jìn)成本，提出了一種特高多層胎體孕鑲金剛石鉆頭的優(yōu)化設(shè)計方案，并制造了HQ口徑，工作面高度為68 mm的三層胎體結(jié)構(gòu)鉆頭。

b. 經(jīng)過對該鉆頭包括不同磨損程度狀態(tài)下的力學(xué)分析，證明了該種多層特高胎體鉆頭強(qiáng)度符合實際鉆進(jìn)工作需要。

c. 設(shè)計并加工了一種多層水口的高胎體鉆頭水口擋水片。經(jīng)過對有無擋水片的同種多層水口鉆頭的流體場分析，包括不同磨損程度的過渡層的分析，驗證了擋水片對該鉆頭防止泥漿分流方面的有效性。

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Design and numerical simulation of multi-layer bit with extra-high matrix

SUN Qibin1, SHEN Lina2, YANG Gansheng1, TIAN Guoliang3, RUAN Hailong2, CHEN Xi1

(1. School of Engineering and Technology, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China; 2. Beijing Exploration Engineering Institute, Beijing 100083, China; 3. The Sixth Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development, Weihai 264200, China)

Aiming at the problem that the life of the diamond bit is limited by the height of the bit matrix, an optimized design scheme of an impregnated diamond bit with extra-high multi-layer matrix was proposed. In the design of the bit, eccentric staggered cutting teeth, alternate waterways and water baffles were introduced to ensure the cooling and effective drilling of the bit. Through strength and hydraulic flow field simulation, the strength of the drill bit was checked, the rationality of the waterway structure was verified, and the finished product of the drill bit was further realized. The drill bit breaks the restriction of the height of the drill matrix, and provides a new idea for the signficant increase of the drill bit life.

structural design of the bit with extra-high multilayer matrix head ; water baffle; strength analysis; fluid field analysis; numericalsimulation

TD41

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.032

1001-1986(2020)03-0225-06

2020-02-14；

2020-04-30

國家重點研發(fā)計劃課題(2018YFC0603404)

National Key R&D Program of China(2018YFC0603404)

孫祺斌，1996年生，男，吉林通化人，碩士研究生，研究方向為地質(zhì)工程. E-mail：1113683037@qq.com

沈立娜，1985年生，女，天津人，高級工程師，從事金剛石鉆頭及鉆具的優(yōu)化設(shè)計. E-mail：shenln@bjiee.com.cn

孫祺斌，沈立娜，楊甘生，等. 特高多層胎體孕鑲金剛石鉆頭設(shè)計與數(shù)值模擬[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(3)：225–230.

SUN Qibin，SHEN Lina，YANG Gansheng，et al. Design and numerical simulation of multi-layer bit with extra-high matrix[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：225–230.

(責(zé)任編輯 聶愛蘭)