锚杆钻头PDC倒角对钻进效率的影响

莫铭忠,莫一君,刘振辉

(桂林星钻超硬材料有限公司，广西 桂林 541004)

锚杆钻头PDC倒角对钻进效率的影响

莫铭忠,莫一君,刘振辉

(桂林星钻超硬材料有限公司，广西 桂林 541004)

聚晶金刚石复合片(简称为PDC)以其使用寿命长而广泛应用于锚杆钻头上，现场使用证明，PDC切削刃的形态对其在锚杆上的应用性能起决定性的作用，文章分析研究了倒角方式、倒角角度对锚杆钻头用PDC钻进效率和抗冲击韧性的影响，结果表明：在PDC聚晶层外侧倒角15°、在刃口处局部倒角25°、外侧，可大大减少复合片的崩裂，提高钻进效率。

锚杆钻头;PDC钻头;聚晶金刚石复合片

1 前言

聚晶金刚石复合片(简称为PDC)以其使用寿命长而广泛应用于锚杆钻头上，现场使用证明，PDC切削刃的形态对其在锚杆上的应用性能起决定性的作用。早前，安装在锚杆钻头上的PDC多采用平面PDC，虽然切削面为平面的PDC的边缘更锋利，切削力增大，具有较快的钻进速度，但是却承受着较大的切向载荷，聚晶金刚石层易受冲击导致崩齿。现有的锚杆钻头用PDC多采用弧面齿，其对应的斜镶角较大，虽然抗冲击韧性较好，但切削力小，钻进效率慢，从而提高了钻进成本[1] [2]。

本文采用在钻机上模拟PDC锚杆钻头钻进岩石的方法，从力学角度分析验证PDC倒角与钻进效率和抗冲击韧性的关系，为优化PDC结构从而提高钻进效率提供依据。

2 实验

2.1 实验设备及样品选择

模拟锚杆钻进试验在ZLJ-360煤矿用坑道钻机上进行；钻进岩石为岑溪红花岗岩，其硬度为7.3级、厚度为500mm；试验PDC样品选择本公司常规型号S1308，该产品在1500℃、5GPa以上条件下高温超高压合成，其耐磨性好，且在其内侧进行特殊的倒角，可以在保证高抗冲击韧性的同时有效提高钻进速度，主要应用于锚杆钻头等，适用于较硬地层。

2.2 实验方法

实验1：类比PDC在锚杆钻头上的不同斜镶角，将S1308型PDC样品分4类，分别在其聚晶层外侧倒角10°、15°、20°和25°，如图1中的A，样品编号分别为1#、2#、3#、4#，然后用这些样品焊接锚杆钻头，每类PDC样品焊接5个锚杆钻头。

将焊接好的锚杆钻头装在ZLJ-360煤矿用坑道钻机上进行模拟钻进试验，使用的钻机推进力为10kN 、钻速为1440r/min，每个钻头打5个孔，记录下每次钻进所消耗的时间，计算出钻进平均速度，同时观察PDC是否崩裂。

实验2：选择实验1中的2#样品，即在其聚晶层外侧倒角15°的PDC样品，分别在其聚晶层外侧再局部倒角10°、20°、30°，如图1中的B，样品编号分别为5#、6#、7#，然后用这些样品焊接锚杆钻头，每类PDC样品焊接5个锚杆钻头。

图1 PDC倒角示意图Fig.1 Schematic diagram of PDC chamfering

3 实验结果与分析

3.1 实验结果

图2为实验1，即不同PDC外侧倒角A锚杆钻头模拟钻进试验的钻进速度结果，表1为崩齿率统计结果。

样品编号1#2#3#4#外侧倒角A10°15°20°25°锚杆钻头崩齿率(%)804000

分析图2、表1结果可以得知，随着PDC外侧倒角A的增大，锚杆钻头的钻进速度随之降低，崩齿情况得到快速改善；反之，PDC外侧倒角A越小，锚杆钻头的钻进速度越快，但也越容易崩齿。

图3为实验2，即PDC外侧倒角A为15°、不同PDC局部倒角B锚杆钻头模拟钻进试验的钻进速度结果，表2为崩齿率统计结果。

图3 不同PDC局部倒角B的锚杆钻头钻进速度Fig.3 Drilling rate of different PDC chamfering B表2 不同PDC局部倒角B的锚杆钻头崩齿率Table 2 Tooth cracking rate of different PDC outside chamfering B

样品编号2#5#6#7#外侧倒角A15°15°15°15°外侧局部倒角B0°10°20°30°锚杆钻头崩齿率/%402000

分析图3、表2结果可以得知，当PDC外侧倒角A一定时，随着PDC外侧局部倒角B的增大，PDC锚杆钻头的崩齿情况得到快速改善，而钻进速度会稍许减少。因此，通过PDC外侧局部倒角B，既可以保证PDC锚杆钻头具有较快的钻进速度，又可以有效防止钻头崩齿。

3.2 PDC受力及失效分析

PDC 切削齿角度与岩石相互作用关系对钻进效率的影响十分重要。PDC是斜镶入钻头胎体或钢体的，在钻压和扭矩的联合作用下，PDC钻头与岩石之间亦相互作用，PDC承担主要的切削任务[3]。为了分析明确作用在复合片上的受力规律，假定钻头是刚性的，孔底岩石是弹脆性体，孔壁本来也是弹脆性体，考虑到孔壁变形很小，忽略孔壁与钻头的作用。正常钻进时，钻头与孔底接触，仅PDC压岩石，在PDC切削齿的作用下，微小岩块从地层上脱离出来成为钻碴，忽略钻碴与PDC的作用力和孔底摩擦力[4]。

PDC钻头钻进过程中的受力包括两方面，钻杆将扭矩与钻压传递到钻头上，通过PDC复合片对岩层产生切削作用，而岩层也对PDC产生反作用，图4为实验1条件下的PDC切削齿切削地层受力示意图。

图4 PDC切削齿切削地层受力示意图Fig.4 The stress diagram of PDC cutting tooth when cutting into stratum

根据力的平衡原理：

(1)

(2)

式(1)和式(2)中，F1为钻机扭转力，F2为钻进压力，Fc为PDC端面正压力，Fn为PDC侧面压力，α为PDC倒角，β为镶嵌角。

在PDC形状参数、切入角度、岩石性质等条件确定的情况下，Fn与Fc成正比[5]：

(3)

式(3)中，k是岩石性质有关的参数。

根据式(2)和式(3)

(4)

式(4)中,ω= arctg(k)；

在给定钻进压力下，当(α+β)越大，由式(4)可知，PDC前端面受到的冲击力Fc越小，有利于保证PDC的完整。

正常工况下，在岩石是弹脆性体下，岩石对PDC端面的力为：

(5)

式(5)中,δ1为岩石破碎时的应力，S1为岩石与PDC端面接触面积。当PDC半径为R，切削深度为h时，PDC端面接触面积为[6]：

(6)

由式(4)、(5)、(6)可得出：

(7)

4 结 论

(1)锚杆钻头上PDC倒角的大小影响钻头的钻进效率和抗冲击韧性，倒角的角度α越大，钻进效率会降低，但抗冲击韧性越好。相反，减小倒角角度α，可以提高钻头的钻进效率，但易崩齿。

(2)在锚杆钻头PDC外侧设计局部较大倒角，可以在保证钻进效率的情况下，减少钻头崩齿，有效防止钻头过早失效。

[1] 张绍和,谢晓红,王佳亮. 复合片斜镶角对钻头钻进性能的影响[J]. 西南石油大学学报(自然科学版),2012(1):171-175．

[2] 张绍和,谢晓红,方海江,等. PDC钻头出露量和线速度对复合片磨损规律的影响[J]. 中南大学学报(自然科学版),2010(6):2173-2177．

[3] 李彦. PDC锚杆钻头的破岩机理及其优化设计[D].安徽理工大学,2014．

[4] 孟传明. 锚杆钻头破岩过程建模及仿真分析[J]. 煤炭科学技术,2013(10):90-92．

[5] 谌湛.PDC钻头力学模型实验研究[D]. 中国石油大学(华东)，2011．

[6] 刘向东,屈钧利. 锚杆PDC钻头主要几何参数的优化研究[J]. 煤矿机械,2010(1):29-31．

[7] 王海耀. 聚晶金刚石复合片(PDC)残余应力与锚杆钻头失效机制[D].武汉理工大学,2013．

[8] 刘祖建. 浅谈PDC锚杆钻头失效原因及改进对策[J]. 超硬材料工程,2012(4):28-31．

Influence of PDC Chamfer of Anchor Bits on Its Drilling Efficiency

MO Ming-zhong, MO Yi-jun, LIU Zhen-hui

(GuilinStarDiamondSuperhardMaterialCo.,Ltd.,Guilin,Guangxi,China541004)

Polycrystalline diamond compact (PDC) has been widely used in anchor bits manufacturing because of its long service life. Field application shows that the shape of PDC cutting edge plays a decisive role in its application performance on anchor bits. The influence of chamfering way and chamfering angle on the drilling efficiency and impact toughness of PDC used for anchor bits manufacturing has been sdudied in this article. Result shows that a chamfering angle of 15 ° outside the PDC polycrystal layer and partly 25 ° at the edge, outside, can greatly reduce the PDC crack and improve drilling efficiency.

anchor bits, PDC bits, polycrystalline diamond compac

2017-02-15

广西科学研究与技术开发计划项目(桂科AC16380092)、桂林市科学研究与技术开发计划项目(2016010701-2)(20160220-1)

莫铭忠(1964-)，男，本科，工程师, 电气自动化专业。2008年起从事超硬复合材料研究开发工作。E-mail：mmz@gk-pdc.com。

莫一君(1990-)，男，本科，学士，材料科学与工程专业专业，从事超硬复合材料研究开发工作，E-mail：380177164@qq.com。

莫铭忠,莫一君,刘振辉.锚杆钻头PDC倒角对钻进效率的影响[J].超硬材料工程，2017，29(2)：35-38.

TQ164

A

1673-1433(2017)02-0035-04