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２０２５年１月机械设计与制造工程Ｊａｎ.２０２５

第５４卷第１期ＭａｃｈｉｎｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ.５４Ｎｏ.１

ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.２０９５－５０９Ｘ.２０２５.０１.０１５

夹层砂岩中斧形齿的破岩优势分析

张春江ꎬ王红波ꎬ蔡茂盛ꎬ李赛

(长江大学石油工程学院ꎬ湖北武汉４３０１００)

摘要:在中国众多的油气藏中都存在大量的夹层砂岩ꎬ且层间构成复杂ꎬ使用普通平面齿ＰＤＣ钻

头破碎夹层砂岩时ꎬ很容易产生各种不良工况ꎬ如弹跳、回转等ꎬ给破岩带来了极大困扰ꎮ为此ꎬ

采用一种特殊的ＰＤＣ斧形齿钻头ꎬ并通过ＡＢＡＱＵＳ有限元仿真分析方法对比斧形齿与平面齿在

夹层砂岩中的破岩效果ꎮ结果表明:斧形齿特殊的三维结构在破岩时使剪切应力更加集中ꎬ并使

其在嵌入岩石时产生更大的破坏力ꎬ更容易切入岩石ꎬ破岩能力显著提升ꎮ

关键词:夹层砂岩ꎻＰＤＣ钻头ꎻ斧形齿ꎻＡＢＡＱＵＡꎻ仿真分析ꎻ优势分析

中图分类号:ＴＥ９２１.１文献标识码:Ａ文章编号:２０９５－５０９Ｘ(２０２５)０１－００７４－０５

在夹层砂岩地层中钻削的普通平面齿钻头寿破岩能力ꎬ因此选择单齿为研究对象进行破岩仿真

[８]

命短ꎬ易损坏ꎮ为解决此问题ꎬ斯伦贝谢公司研发实验ꎮ

[１]

了一种新型ＰＤＣ斧形齿钻头ꎮＰＤＣ斧形齿的聚单齿破岩仿真方案为:用斧形齿与平面齿分别

晶金刚石钻头ꎬ拥有一个突出棱和两个面的三维结切削夹层砂岩ꎬ再分别改变切削齿参数、岩石参数

构ꎬ在与岩石作用时有更大的破岩优势[２－３]ꎮ在夹进行实验ꎬ得到切削岩石时切削力与破岩做功随时

层砂岩钻进过程中ꎬ普通平面ＰＤＣ切削齿穿越夹间变化的规律ꎮ采用德鲁克－普拉格(Ｄｒｕｃｋｅｒ－

层时经常会出现各种不良工况ꎬ如突然遇到由软到Ｐｒａｇｅｒ)屈服准则进行切削齿的破岩仿真ꎬ其能准

[４]

硬夹层时会出现卡钻弹跳等现象ꎮ本文采用斧确反映切削齿破岩时中间主应力和剪应力对破岩

形齿进行夹层砂岩的破岩仿真模拟ꎬ旨在找出斧形强度的影响ꎬ表达式如下ꎮ

齿的破岩优势和最优破岩参数ꎮ不变应量ｆ:

ｆ＝αＩ＋Ｊ－Ｋ＝０(１)

１２

１斧形齿破岩优势分析及仿真原理其中:

１.１斧形齿的破岩优势Ｉ＝σ＋σ＋σ＝σ(２)

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斧形齿的破岩优势为其特殊的齿面结构ꎬ斧刃(σ－σ)２