实际上,PDC钻头在钻进过程中,切削齿是作用 在具有不同曲率的岩石自由面上的,如果我们假定 外锥齿切削的曲面为负曲面,则内锥齿切削的曲面 就为正曲面.特别是这种具有负曲率的自由面对岩 石破碎起支撑作用,这种负曲率的绝对值越大,其 支撑力越大,对于内锥齿来说,周围的岩石对岩石 的破碎基本上不起支撑作用,因此这一部分的岩石 比较容易破碎。对于锥顶部分的岩石,由于它没有 轴向自由面, 是最难破碎的,所以,如果切削面积 相同的话,锥顶的切削齿承受的轴向载荷最大.
关键词 PDC钻头;切削齿;破岩载荷; 载荷规律
1.PDC钻头切削齿切削岩石特点
在许多的分析中都涉及PDC钻头切削齿切削岩 石时的切削过程,即在切削塑性岩石时和切削软金 属差不多;在切削脆塑性岩石时可分为挤压、小剪
切、大剪切三个过 程,因此,在切削岩 石的过程中,切削 齿的运动是呈阶跃 式向前运动的,因 而作用在切削齿上 的力也是阶跃式变 化的,如图1所示.
2．2.切削齿磨损的影响. 钻头上的切削齿在切削岩石时,在切削齿与岩石
接触的底部首先是金刚石层与地层接触,这时可认为 金刚石层承担了大部分的钻压,但是随着金刚石的磨 损,金刚石层后面的碳化钨层也与岩石发生接触,并 且承担一部分钻压(尽管此时仍然是由金刚石层承担 大部分的钻压),由于切削齿的形状是圆柱形的,倾斜 一个角度后在磨损的过程中,它与岩石的接触面积是 不断变化的;另外,由于切削齿周向各点受力的不同, 其周向磨损速度也是律为: 内锥部分的切削齿的 磨损较小,而外锥齿的磨损却很大,锥顶齿的
PD。C钻头切削齿破岩载 荷规律的分析
华北石油局第五普查勘探大队 许爱
摘要 通过对PDC钻头切削齿上的载荷变化规律 的分析,认清各切削齿的受力情况.PDC钻头的各切削 齿的磨损情况与各个切削齿的受力有着直接的关系, 本文进行了PDC钻头冠部形状及不同的布齿密度和 切削齿在不同的磨损状态下对PDC钻头切削齿受力 的分析.用相邻的三个切削齿之间的关系(不同的切削 齿与切削齿之间的径向距离和切削齿之间的高度差) 来分析PDC钻头冠部形状和切削齿布齿密度对切削 齿受力的影响,以及将切削齿的磨损状态简化成与切 削齿在钻头上装配方向垂直的平面来分析切削齿磨 损状态对切削齿受力的影响.
磨损与接近保径齿的磨损差不多,整个钻头上切削 齿沿径向的磨损规律是:由小变大→减小→增大→ 减小,而且磨损最大的切削齿位于钻头边缘稍靠里 一点,锥顶齿磨损也较严重,保径部分切削齿和钻 头中心的切削齿磨损较轻. 在切削齿磨损较小时, 随着切削齿磨损的增大,切削齿上的轴向力和切削 力增大较快,而当切削齿磨损达到一定程度后,切 削齿上的轴向力和切削力的增大幅度很小.这主要 是因为,在切削齿磨损较小时,虽然切削齿的吃入 深度一定,但是切削齿随磨损增大而引起的切削面 积却增加很大,因而切削齿上的轴向力和切削力就 增加很大,随着磨损的增加,在一定的切削深度下, 切削面积的变化却不大,因此切削齿上的轴向力和 切削力相应地变化不大.
因为钻头的冠部可以把它看成是旋转体,因此 这方面主要考虑切削齿的径向位置和钻头剖面形 状的影响.切削齿所在位置的半径即为切削齿切削 的曲面的曲率半径,切削齿在内锥的为正曲率半径, 切削齿在外锥部 分的即为负曲率 半径;对于钻头冠 部形状,用切削齿 之间的距离和切 削齿的高度差来 表示.如图4所示.
图2 PDC钻头冠部形状示意图
图3 现场使用过的PDC(P156M)钻头磨损规律示意 图
影响切削齿磨损大小的因素,除了受力因素外, 线速度也是一个因素。对于图3所示的磨损规律, 如果认为外锥齿的磨损较大是由于它的线速度较 大而引起的,但是在锥顶齿的线速度比锥顶外部一 点的切削齿的线速度要小,从切削齿的受力来分析 看,内锥齿的切削面积要比外锥齿的切削面积大得 多(因为随着切削半径的增大齿与齿之间的距离是 大幅度减小的),因此它的轴向力、切削力也要大 得多,如果用流行的PV值来衡量(其中P是切削齿所 受的轴向力,V是切削齿的线速度),那么,他们的磨 损量应该是差不多的,因为他们的PV值相差不大.
图1 PDC钻头切削齿切削脆塑性岩石时切削力的变化过程
由图1可看出,切削齿上所受的力是变化的,也就是 说切削齿在切削岩石的过程中是振动的。 不合理的钻头转速会导致PDC钻头发生共振，引起 钻头先期损坏。
２ 影响PDC钻头切削齿上受力的因素分析
PDC钻头在钻进时,是多个切削齿作用于岩石的, 对于每一个切削齿而言，它在切削岩石时,是切削由 与它邻近的左右的两颗切削齿切削后留下的凸台.因 此在分析切削齿切削岩石的受力时, 基本上是把PDC 钻头切削齿切削岩石时的情况作为平面切削来处理 的,因此,切削面积、切削弧长、切削深度以及岩性 对切削力、切削齿的轴向力、切向力的影响分析的 相当多,对于PDC钻头切削齿的结构参数一般分析负 切削角、装配角、侧转角等对这些力的影响.由于假 设是平面切削,因此没有考虑切削齿在钻头上不同部 位对各种切削力的影响,实际上，不同部位的切削齿 的受力是大不相同的。
图4 切削齿在钻头冠部位置表示法
任何冠部形状和布齿密度的PDC钻头的切削齿 的工作状况都可由图4的关系来表示. 根据几何关 系,只要齿间距 和齿高差 确定后,则该齿所在位 置的冠部形状就确定了,根据几何关系可得:
R-----切削齿的曲面的曲率半径 在（2）式中,只要确定了齿间距和齿高差,就可求 出R,采用试算法,即对给定的齿间距和齿高差,计 算出对应的a、b、c，然后根据a、b、c的值,再给 出某一个R值(一般初时的R值取小一点),分别计算 出α、β.
２．1.PDC钻头冠部形状的影响: PDC钻头上的切削齿基本上可把它分成4部分:
内锥齿、外锥齿、锥顶齿和保径齿,如图2所示.对 于保径齿,它主要是起保径作用,并不参与切削岩 石,因此不对它进行分析。下面主要分析另外3类 切削齿的受力特点。
经对现场使用过的PDC钻头进行观察分析,内 锥部分的切削齿的磨损较小,而外锥齿的磨损却很 大,锥顶齿的磨损与接近保径齿的磨损差不多,整 个钻头上切削齿沿径向的磨损规律是:由小变大→ 减小→增大→减小,而且磨损最大的切削齿位于钻 头边缘稍靠里一点,锥顶齿磨损也较严重,保径部 分切削齿和钻头中心的切削齿磨损较轻,如图3所 示。