特高多层胎体孕镶金刚石钻头设计与数值模拟.pdf

第 48 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.3 2020 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. Beijing Exploration Engineering Institute, Beijing 100083, China; 3. The Sixth Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development, Weihai 264200, China Abstract Aiming at the problem that the life of the diamond bit is limited by the height of the bit matrix, an opti- mized design scheme of an impregnated diamond bit with extra-high multi-layer matrix was proposed. In the design of the bit, eccentric staggered cutting teeth, alternate waterways and water baffles were introduced to ensure the cooling and effective drilling of the bit. Through strength and hydraulic flow field simulation, the strength of the drill bit was checked, the rationality of the waterway structure was verified, and the finished product of the drill bit was further realized. The drill bit breaks the restriction of the height of the drill matrix, and provides a new idea for the signficant increase of the drill bit life. Keywords structural design of the bit with extra-high multilayer matrix head ; water baffle; strength analysis; fluid field analysis; numerical simulation 在资源日渐紧缺的现状下， 钻探开始向更深部、 更复杂地层发展，需要性能优良的钻探工具，特别 是直接影响钻探成本和效率的钻头。钻头的机械钻 速和工作寿命是衡量其性能优劣的两个关键参数， 提高机械钻速可缩短纯钻进时间，增加钻头寿命可 减少提下钻次数，缩短钻探工作总时间，最终实现 降低钻探成本的目的。为了改善金刚石钻头性能， 国内外学者主要从钻头的结构设计、 胎体材料选择、 烧结工艺参数优化、金刚石表面镀覆等[1-7]方面进行 研究。在深孔钻探中使用金刚石绳索取心钻进工艺 可以提高钻速，减少起下钻的次数和间隔，从而节 约钻进成本[8-10]。但制约金刚石绳索取心钻进效果 的瓶颈是金刚石钻头的使用寿命[11-13]。而为了改善 钻头寿命，现在进行改善钻头结构方面的研究，大 多从改善胎体性能包括设计双层水口的高胎体结 构。但这些设计大多只有两层结构，并且大多在水 口分流泥浆的问题上未能给出合理有效的设计。 为了延长金刚石钻头的使用寿命，笔者提出一 种高胎体多层水口钻头设计。并且针对多层水口的 分流冲洗液问题进行进一步研究，并提出有效的解 万方数据 226 煤田地质与勘探 第 48 卷 决方案。 1 新型多层特高胎体钻头的结构设计 1.1 交错式多层胎块结构 为保证钻进中始终存在金刚石胎块对地层磨 削，采用交错多层金刚石胎块设计，使下一层金 刚石胎块的工作层顶面始终高于上一层金刚石胎 块的工作层底面。即在钻头空间结构上，纵向分 布有多层金刚石胎块，如图 1a 所示。为了保证金 刚石胎块在钻头同一横切面上始终有工作层在工 作，每相邻两层与相邻两列的金刚石胎块工作层 顶面之间有固定高度差。利用这种交错排列的 设计，该种钻头在钻进工作中能够实现连续切 削地层。 其磨损机制设计如下当端面第一层金刚石胎 块磨损到位置 1 时，钻头结构如图 1b 所示，在顶端 第一层金刚石胎体工作层全部磨损后，每个磨损块 附近一列的第二层金刚石胎体仍旧在工作；当端面 第二层胎块磨损到位置 2时， 钻头结构如图 1c所示， 第二层金刚石胎块工作层部分已完全磨损，第三层 胎块已经接替工作。以后多层均如此循环，完成各 层胎块之间的交替磨损。 图 1 新型多层特高胎体钻头不同磨损状态结构示意 Fig.1 Schematic structure of the bit with new multi-layer extra-high matrix in different wear states 1.2 钻头水力结构设计 a. 交替式水口 为了在钻进中实现连续冷却， 钻头水口伴随金刚石胎块同样形成多层交错排列设 计，交替式水口为区别于胎块工作层，文中称之为 交替式水口通过上下层水口高度差实现全钻进过 程的冷却。 b. 挡水片部件 由于该钻头为特高胎体结构， 纵向分布有多层水口。钻头在钻进工作时，可能出 现泥浆大部分从非工作面处水口流出，造成钻头冷 却冲洗不足而发生提前破坏。如果通过加大泵量来 实现冷却，将会对井壁和钻进压力产生影响[14]。为 此，必须设计一种结构，改善钻头钻进过程中的冷 却和冲洗效果。通过优化设计一种 U 型挡水片结构 来实现。 如图 2 所示，在水口内侧，设计一薄壁片状结 构， 几乎完全挡住内水口， 其侧向切割成 U 型缝隙， 只有顶边与钻头钢体通孔的内壁相连接，形成一端 连接的挡水片，端面层水口不设计挡水片。在钻头 初始工作时，由于挡水片的设计，大部分泥浆冲洗 液从端面流出，正常携浆并冷却钻头，当钻进到中 间过渡层胎体时，挡水片连接处磨断，挡水片脱落， 泥浆大部分流经此处，实现正常冷却。 1.3 内外保径设计 钻头的内外保径对于钻头工作寿命十分重要。 图 2 新型多层特高胎体钻头剖面及挡水片结构示意 Fig.2 Cross section of the new bit with multi-layer ultra-high matrix and schematic diagram of water-retaining sheet structure 金刚石钻头在实际钻探工作中，其磨损量伴随着不 断进尺在逐渐增加，这主要影响了钻头胎体的内外 径是否能维持合理范围。如果钻头没有设置保径， 那么当钻头不断磨削地层的过程中，钻头顶端工作 面减少的同时，内外径也将被磨损。外径的磨损会 使钻头外径尺寸不断变小，当外径尺寸减小到和钻 具一致时，井壁将开始磨损钻具使其受损。钻头内 径的磨损会使钻头内径尺寸变大，进入岩心管的岩 心也随之变粗， 最后岩心进入管内会导致卡管现象， 井下工作被迫停止，可见保径对于实际钻探工作的 重要性[15]。 由于钻头胎高理论上可以不受限， 因此， 在钻头的内外保径上，纵向设计 PCD 切片复合保 径，以满足长时间磨损钻进需求。如图 3 所示，黄 色部分为保径结构。 万方数据 第 3 期 孙祺斌等 特高多层胎体孕镶金刚石钻头设计与数值模拟 227 图 3 钻头保径结构示意 Fig.3 Schematic diagram of gauge protection structure of the bit 1.4 钻头的实物加工 为验证设计的可行性， 加工制造了 HQ 口径外径 为 95.5 mm，内径为 63.5 mm的钻头实际样品，如 图 4 所示， 为三层胎体结构钻头， 工作层高度为 68 mm。 图 4 三层胎体结构钻头加工实物 Fig.4 Physical drawing of three-layer matrix bit processing 包括如图 5 所示的除顶层顶端未封闭水口外， 其他层未出露水口内的挡水片实际结构。 图 5 钻头水口挡水片结构实物 Fig.5 Physical picture of the structure of water baffles sheet of the bit 2 多层特高胎体钻头的强度及流场分析 2.1 钻头强度模拟分析 为了验证钻头的强度，保证钻头在工作状态下 不会发生形变导致结构破坏，采用 SolidWorks SimulationXpress 数值模拟， 对 HQ 口径 mm 的钻头 进行了初步的扭转强度分析。考虑到钻头胎体强度 一般大于刚体强度，在刚体不出现变形的情况下， 可以将其视作整体进行强度校核。钻头完整高度为 117 mm，工作层高度为 68 mm。选材为 45 号钢， 其抗拉强度 σb≥600 MPa，屈服极限 σs≥355 MPa。 由于抗剪强度一般取材料屈服极限 σs数值的一半，故 45 号钢抗剪强度应为 τ≥178 MPa。安全系数取 1.6， 所以 45 号钢许用应力应不超过 112 MPa。考虑到实际 井下情况，钻头受到扭矩不超过 2 000 Nm。 基本模拟操作步骤为首先建立模型包括 5 种不同磨损状态下的钻头模型，选取结构单元为 AISI 1045 钢，夹具固定钻头底部非工作部分进行 约束，沿周向施加总数为 25 000 N 的载荷，最后 运行模拟，得出结果。图 6a图 6e 分别是钻头在 von Mises 屈服准则下 5 种磨损状态的 Mises 等效 应力分布。 由数值模拟结果可以看出， 在钻头模型受到相应 扭转力发生形变的情况下， 最薄弱处受到的最大屈服 应力为图 6e 中水口处所受应力，其值为 95.5 MPa， 万方数据 228 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 6 钻头在 5 种磨损状态下 Mises 等效应力分布 Fig.6 Equivalent stress distribution of the bit under five wear states 图 6a图 6d 中最薄弱处所受最大应力均小于该值， 分别为 59.2、75.8、93.4、93.7 MPa，且该部分应力 不仅小于前面算出的 45 号钢最大许用应力值 112 MPa，而且远小于 SolidWorks SimulationXpress 软件 中所提供的材料屈服力的最大值 530 MPa，故该钻 头在材料为 45 号钢时的结构及材料强度处于合理 范围内。 2.2 钻头的流体分析 为了保证挡水片设计能够起到有效作用，利用软 件 SolidWorks FloXpress 对有挡水片和没有挡水片的 两种不同水口结构的钻头分别进行了流体模拟。 具体实施方案是，首先建立 2 种三层水口钻头 的三维模型，及包括这两种钻头的 4 种不同磨损状 态模型，分别对应不同层水口工作时的钻头状态。 环境温度设置在 200 ℃，泥浆泵量取 100 L/min，模 型中液体柱数量为 50，代表了液体流量，并以各水 口作为液体出口。图 7图 10 分别为不同磨损程度 的钻头、不同层工作水口的有无挡水片情况下，钻 头流体的对比图。 由图 7 和图 8 有无挡水片的两种钻头内流体模 拟结果对比可以看出， 在钻头包含两层以上水口时， 通过顶层水口内液流柱数量与于下面各层水口对比 可知，有挡水片的多层水口钻头水路中流体大部分 是从顶层水口流出，并且在靠近钻头的顶部位置仍 旧能保持一定的流速。但是没有挡水片的多层水口 钻头只有一小部分的流体从顶端水口流出，其他层 水口分流了大部分的流量，并且在靠近顶部位置的 流体已经很难维持流速。 由图 9 和图 10 对比可以看 出，当只有两层水口时，水口内含有挡水片的多层 水口钻头内几乎全部流体都会从顶部已经出露的水 口内流出， 只有极少部分流体会从挡水片缝隙流出。 而没有挡水片遮挡水口的多层水口钻头虽然大部分 图 7 钻头未磨损时有无挡水片流体示意 Fig.7 Schematic diagram of fluid with or without baffle when the bit is not worn 万方数据 第 3 期 孙祺斌等 特高多层胎体孕镶金刚石钻头设计与数值模拟 229 图 8 钻头第 1 种磨损状态下有无挡水片流体示意 Fig.8 Schematic diagram of fluid with or without a baffle in the first wear state of the bit 图 9 钻头第 2 种磨损状态下有无挡水片流体示意 Fig 9 Schematic diagram of fluid with or without a baffle in the second wear state of the bit 图 10 钻头第 3 种磨损状态下有无挡水片流体示意 Fig.10 Schematic diagram of fluid with or without a baffle in the third wear state of the bit 流体会从顶部水口流出，但下层未出露水口仍旧 会分流相当一部分流体。由以上分析可以得出， 对于该多层特高胎体钻头，挡水片能够实现泥浆 分流。 万方数据 230 煤田地质与勘探 第 48 卷 3 结 论 a. 为了能够有效提高钻头寿命，节约钻进成 本，提出了一种特高多层胎体孕镶金刚石钻头的 优化设计方案，并制造了 HQ 口径，工作面高度 为 68 mm 的三层胎体结构钻头。 b. 经过对该钻头包括不同磨损程度状态下的 力学分析，证明了该种多层特高胎体钻头强度符合 实际钻进工作需要。 c. 设计并加工了一种多层水口的高胎体钻头水 口挡水片。经过对有无挡水片的同种多层水口钻头的 流体场分析，包括不同磨损程度的过渡层的分析，验 证了挡水片对该钻头防止泥浆分流方面的有效性。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 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