PDC取芯钻头切削齿磨损规律的研究

论文摘要

本文针对如何降低PDC取芯钻头切削齿在钻进岩层时的磨损,在理论分析的基础上,利用复合片在立式车床上磨削岩样的方法模拟PDC取芯钻头切削岩石,对PDC取芯钻头的切削角、出露量、平均线速度和岩石压入硬度对复合片切削齿磨损规律的影响进行了研究。试验设定了六组不同的切削角、五组不同的出露量、五组不同的平均线速度以及五组不同岩样,在正压力和磨削路程不变的情况下,分别测得各个条件下复合片体积磨损量的变化规律。采用ANSYS有限元分析软件对钻头切削角在钻进时的应力分布做了进一步分析,并通过现场试验对前期的研究成果进行了可行性验证。本课题得到的主要结论有：（1）为了最大限度地降低复合片切削齿的体积磨损量,当切削角为10°和15°时,其最佳出露量为2.00mm；当切削角为20°25°和30°时,最佳出露量为3.00mm;而5°的切削角是不可取的；（2）为了最大限度地降低复合片切削齿的体积磨损量,当出露量为1.50mm时,切削角应选用10°；出露量为2.00mm时,切削角选择10°-15°之间的数值；出露量为2.50mm时,切削角应选择20°；出露量为3.00mm和3.50mm时,切削角应设计为30°；（3）复合片切削齿的体积磨损量在钻进时与平均线速度成正比：（4）复合片切削齿的体积磨损量与岩石压入硬度成反比；（5）压入硬度大的岩石,适宜采用较大的切削角,而压入硬度小的岩石,适宜较小的切削角；（6）切削齿受力点的有效应力随切削角的减小而增大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 PDC钻头的发展与应用
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 金刚石复合片性能研究情况
• 1.2.2 切削齿工作角的研究情况
• 1.2.3 切削齿尺寸设计研究情况
• 1.2.4 布齿密度研究情况
• 1.3 本课题的主要研究目的、意义及内容
• 1.3.1 本课题的研究目的及意义
• 1.3.2 本课题的研究内容
• 第二章 PDC取芯钻头的设计与制造
• 2.1 金刚石复合片
• 2.1.1 混合型复合片
• 2.1.2 聚晶型复合片
• 2.2 PDC钻头
• 2.2.1 PDC钻头的分类
• 2.2.2 PDC取芯钻头的制作流程
• 2.2.3 PDC取芯钻头的结构参数
• 2.2.4 PDC取芯钻头的性能特点
• 2.2.5 PDC取芯钻头的工作特点
• 2.3 PDC取芯钻头的磨损
• 2.3.1 PDC取芯钻头的破岩机理
• 2.3.2 PDC取芯钻头的失效形式
• 2.3.3 PDC取芯钻头的磨损机理
• 第三章 PDC取芯钻头切削齿磨损试验
• 3.1 试验方案设计
• 3.2 试验准备
• 3.2.1 复合片的选定
• 3.2.2 卡具制作
• 3.2.3 岩样制备
• 3.2.4 岩样的可钻性
• 3.3 试验装置
• 3.4 试验步骤
• 第四章 PDC取芯钻头切削齿磨损试验结果与分析
• 4.1 出露量和切削角对PDC切削齿磨损规律的影响
• 4.2 平均线速度对PDC切削齿磨损规律的影响
• 4.3 压入硬度对PDC切削齿磨损规律的影响
• 第五章 PDC取芯钻头切削齿应力分布有限元分析
• 5.1 有限元分析的简介
• 5.1.1 基本思路
• 5.1.2 有限元分析软件
• 5.1.3 ANSYS软件的特点
• 5.2 PDC切削齿应力分布的有限元分析
• 5.3 数值模拟结果分析
• 第六章 PDC取芯钻头现场钻进试验
• 6.1 现场钻进
• 6.1.1 设备型号及参数
• 6.1.2 所用钻头规格及钻进规程
• 6.1.3 钻进工艺
• 6.1.4 操作注意事项
• 6.1.5 地层情况
• 6.2 钻头使用情况对比分析
• 第七章 结论与建议
• 7.1 课题结论
• 7.2 进一步研究建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要成果