弧角型PDC钻头
切削齿布齿模式仿真分析
居培，王传留
(中煤科工集团西安研究院有限公司，
陕西西安)
01
摘要
钻头在钻进复杂非均质地层时，由于其冠部形状的限制，钻头各部位切削齿受力不均匀，局部切削齿受到较大的冲击载荷，导致钻头发生“涡动”现象。
为了解决上述问题，提出“多级力平衡”的切削齿周向布齿方案，通过建立全尺寸钻头破岩有限元仿真模型，分析顺时针、逆时针以及“多级力平衡”3种周向布齿模式下切削齿及钻头的受力特性。
模拟结果表明：相对于顺时针和逆时针周向布齿，“多级力平衡”布齿模式下各刀翼载荷分布比较均匀，钻头的稳定性和攻击性均得到较大改善，钻头的破岩效率提高28%以上；顺时针布齿模式下钻头的侧向力最大，其稳定性相对最差；逆时针布齿模式下钻头的钻压最大，其攻击性相对较差，并且钻头的破岩效率最低。
上述研究成果能够为指导PDC钻头切削齿的周向布齿设计提供理论依据。建议今后加强“多级力平衡”周向布齿模式下切削齿载荷沿钻头径向分布规律方面的研究，以指导防涡稳定PDC钻头的优化设计。
02
关键词
布齿模式；多级力平衡；数值模拟；破岩载荷；破岩效率
03
结论
a.采用数值模拟方法分别对顺时针、逆时针以及“多级力平衡”3种周向布齿模式进行仿真，对比分析3种布齿模式下钻头破岩载荷和破岩效率，得出：顺时针布齿模式下钻头的稳定性相对较差；逆时针布齿模式下钻头的攻击性相对较差；而“多级力平衡”布齿模式下钻头稳定性和攻击性均得到较大改善的结论。
b.从理论和数值计算的角度对顺时针、逆时针和“多级力平衡”3种周向布齿模式进行定量
分析，数值结果验证了“多级力平衡”周向布齿模式的优越性，并为PDC钻头切削齿的周向布齿设计提供理论依据。
c.本文给出了“多级力平衡”周向布齿模式最佳的结论，但并未开展“多级力平衡”周向布齿模式下切削齿载荷沿着钻头径向分布规律的研究，今后工作中需继续进行该方面的研究，以指导建立最佳的“多级力平衡”布齿模式下PDC钻头的设计方案。
03
引用格式
引用格式:居培，王传留.弧角型PDC钻头切削齿布齿模式仿真分析[J].煤田地质与勘探，，48(5)：–.
JUPei，WANGChuanliu.SimulationofthecutterarrangementpatternofthearcPDCdrillbit[J].CoalGeologyExploration，，48(5)：–.
04
主要附图
图1PDC切削齿顺时针与逆时针周向排布方式
图3“多级力平衡”周向布齿方式
图4?mm弧角型PDC钻头几何模型
图5?mm四翼弧角PDC钻头布齿井底覆盖图
图7井底形状
图9切削齿受力随时间变化曲线
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