可伸縮仿生聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭

袁若飛 吳澤兵 張文溪

引用格式：袁若飛，吳澤兵，張文溪. 可伸縮仿生聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭［J］. 石油鉆采工藝，2023，45（3）：296-306.

摘要：針對現(xiàn)有PDC 鉆頭不易吃入硬巖、出現(xiàn)黏滯滑動等問題，基于仿生相似原理，以鼴鼠爪趾和鯊魚牙齒為仿生原型，結(jié)合雙級鉆頭和復(fù)合鉆頭的優(yōu)勢，設(shè)計出一種可伸縮仿生PDC 鉆頭。使用數(shù)值模擬方法，對比了仿生PDC 齒與普通齒的破巖切削力與機械比能、可伸縮仿生PDC 鉆頭和普通PDC 鉆頭的進尺和反扭距；為便于后續(xù)伸縮結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用Box-Behnken 法對鉆壓、轉(zhuǎn)速、伸縮長度及破巖量和扭矩參數(shù)進行了多因素有限元仿真試驗；建立了參數(shù)之間的二次回歸數(shù)學(xué)模型，并分析了上述參數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，仿生PDC 齒相較普通齒更容易達到巖石的破碎極限，在破巖過程中的機械比能和切削力分別減少約19% 和12.7%，有效提升了破巖效率；可伸縮仿生PDC 鉆頭相比普通PDC 鉆頭，在破巖過程中的進尺增加1.25 倍，鉆速提升21%，受到巖石的反扭矩減少33%，能有效緩解鉆頭產(chǎn)生黏滯滑動的問題。通過數(shù)值模擬對所得到的二次回歸模型預(yù)測結(jié)果進行驗證，發(fā)現(xiàn)兩者之間的平均誤差不超過6%，研究結(jié)果為后續(xù)現(xiàn)場試驗及伸縮結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：鉆頭；黏滯滑動；可伸縮仿生PDC 鉆頭；數(shù)值模擬；機械比能；Box-Behnken 法；二次回歸

中圖分類號：TE921.1 文獻標識碼： A