PDC钻头混合布齿参数对破岩的影响分析

易燕 胡庆华 杨君

摘  要：本文重点探究PDC钻头混合布齿参数对破岩的影响，从PDC钻头特点入手，分析PDC钻头混合布齿参数对破岩的影响情况，基于磨损速度优化模型以及侧向力优化模型下，对PDC钻头混合布齿参数进行优化设计，希望为PDC钻头混合布齿参数设计提供参考借鉴，不断提升PDC钻头破岩效率。

關键词：PDC钻头;混合布齿参数;破岩优化

引言

PDC钻头中存在较多重要的参数，如布齿密度、后倾角以及切削齿尺寸等，这些参数均会对钻头破岩效率产生一定的影响，不过在现阶段对PDC钻头混合布齿参数设计中，仍然存在一定的局限性，并没有得出有效的优化设计结果，因为不具备较强的理论依据，使得钻头设计仍存在一些问题，未能很好的发挥出PDC钻头的作用，影响了破岩效率，本文重点提出布齿参数的优化设计模型，具体如下。

一、PDC钻头特点

对于PDC钻头而言，其自身具备较多特点，如效率高、钻速快等，在油气开采中应用较为广泛，不过在油气开发不断发展中，会到达更深的地层，以往应用的PDC钻头已经无法很好的用于深部硬地层油气开发中，出现了锥形PDC齿钻头，其具备更好的抗冲击性，能够更加适用于研磨性以及深部地层中。当前，国内外学者不断加大对于PDC钻头的研究，结合PDC钻头及锥形PDC齿钻的优点，开发出了混合布齿PDC钻头，大大延长了钻头寿命，并且也使钻速有效提升。而PDC钻头混合布齿参数会在一定程度上影响破岩效率，因此，需要对此进行深入研究。

二、PDC钻头混合布齿参数对破岩的影响

通过实际试验，分析PDC钻头混合布齿参数对破岩的影响，将电机转速设置为55 r /min，主要步骤如下：

首先，在试验台上放置白砂岩试样，将锥形PDC齿与常规PDC齿固定好，同时将切削角度分别调至15°以及-15°，完成对刀，并将数据采集系统连接好。其次，将锥形PDC齿切深设置为2毫米，并将齿间距设置为8、9、10、11 及12毫米，保持两种PDC齿的高度差分别为0. 0、0. 4、0. 8、1. 2 及 1. 6 毫米，进行混合布齿切削试验，同时，将岩屑收集好。通过实际混合布齿切削试验，得出以下结果：第一，当两种PDC齿的布齿高度差一定时，锥形PDC齿布齿间距不断增大下，相应的，常规PDC 齿的轴向力及切削力会逐渐增加。第二，通过进行混合布齿参数的合理制定，会明显提升混合布齿参数的破岩效率，降低破岩难度，最终达到最高的破岩效率。同时实际试验中得出，当锥形PDC齿的布齿间距为9毫米，同时布齿高度差为0.4毫米时，会获得常规 PDC 齿最小机械比功，此时，会得到最高的破岩效率。第三，利用锥形PDC齿进行预破碎，会导致岩石切痕间凸脊出现损伤情况，与根部越接近，则出现的损伤就会越严重，同时，布齿间距减小下，损伤会越严重。第四，当凸脊位置处的损伤较为严重时，会出现裂纹，若混合布齿参数更加合理，则会使裂纹的形成及拓展更顺利，同时，会出现破碎坑，最终减小破岩环节的均值切削载荷，从而会进一步提高破岩效率。

三、PDC钻头混合布齿参数的优化设计

在实际研究中发现，PDC钻头混合布齿参数能够直接影响钻头的破岩效率，因此，若想获得良好的破岩效果，需要进行布齿参数的优化设计，本文将重点放在磨损速度及侧向力优化上，并提出了相应的优化设计模型。

1. 磨损速度优化模型

设钻头存在n颗切削齿，根据切削距离进行升序排列，同时分别进行编号，钻头冠部曲线不变，轴向高度最大齿为鼻部齿，编号为h，定位半径最大齿及最小齿的编号分别为n、1，这三个的位置参数也不变，同时相邻两齿不会出现干涉情况，各切削齿后倾角与定位半径为决策变量。相邻两齿间存在的磨损速度差的平方和的公式如下：

公式中，L表示的是切削齿的位置函数;R表示的是切削齿定位半径;表示的是岩始钻头切削齿定位半径;表示的是优选后后倾角;表示的是后倾角变化值;d表示的是相邻两齿的距离;D表示的是k号刀翼上号切削齿直径;表示的是刀翼数;为刀翼号，为齿号。通过该模型，会得到优化后的轴向高度、定位半径以及后倾角。

2.侧向力优化模型

设钻头存在n颗切削齿，存在于m个刀翼上，所有刀翼首颗切削齿周向方位角，均表示各个刀翼的方位角，进行升序排列，同时做好编号。φ为第号刀翼周向方位角，θ为号刀翼第j颗齿的周向方位角，n为号刀翼切削齿数量，则

设为优化前每个切削齿的周向方位角，为优化前每个刀翼的周向方位角，得出侧向力优化模型为：

表示的是刀翼周向方位角优化调整值，结合经验与刀翼数目确定，提升计算效率的同时，刀翼之间不会出现干涉情况。使侧向不平衡力与钻压比值不超过5%，会获得良好的平衡效果。

结束语

綜上所述，PDC钻头混合布齿参数会对破岩效率产生直接的影响，因此，若想提升PDC钻头的破颜效率，需要将重点放在PDC钻头混合布齿参数的优化设计上，本文提出磨损速度优化模型以及侧向力优化模型，重点对布齿参数进行优化设计，通过两个优化模型的应用，能够有效提升PDC钻头破岩效率。

参考文献

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