聚晶金刚石复合片钻头钻进岩层的仿真研究.doc

聚晶金刚石复合片钻头钻进岩层的仿真研究
罗德1,2，黎明发2，吴波1，范端2
（1．武汉理工大学机电工程学院,武汉430070；2．武汉理工大学高温高压物理研究所,武汉430070）
摘 要：在聚晶金刚石复合片钻头的钻进过程中，其钻进效率受到很多因素的制约。考虑钻头切削角度、切削速度和钻进速度对钻进过程的影响，利用LS-DYNA 对聚晶金刚石复合片钻头钻进岩层的过程进行了模拟。通过仿真计算建立了聚晶金刚石复合片钻头切削角度的变化与钻进效率之间的关系，比较分析了切削速度和钻进速度对钻进过程的影响。
关键词：LS-DYNA；钻进过程；聚晶金刚石复合片；仿真
中图分类号：TE242 文献标识码：A 文章编号：
Simulation of the Drilling Process of Polycrystalline Diamond
Compact Drilling Bit
LUO De1,2, LI Ming-fa2, WU Bo1, FAN Duan2
(1.School of Mechanical and Electronic Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070;
2. Institute of High Temperature and High Pressure Physics, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070)
Abstract:Drilling efficiency of Polycrystalline Diamond Compact Bit was constrainted by many factors during the drilling process.With respect to the effect of the cutting angles,cutting speed and drilling speed on the drilling process,this paper simulated the drilling process of PDC bits by the use of a well-known finite element package,LS-DYNA. Based on the results of analysis, the relationship curve between the change of cutting angle and the drilling efficiency has been established,and the author also analyzed the influence of the drilling process ,which responde to the change of cutting angles and cutting speed respectively.
Key words: LS-DYNA; drilling process; Polycrystalline Diamond Compact; simulation

聚晶金刚石复合片钻头(简称PDC钻头)在各个领域的应用越来越受到广泛关注。有研究表明，金刚石在切削岩层的过程中，岩层表现出一种压实、压溃的循环过程，岩层切削属于典型的破裂破坏，切削力呈现较严重的波动性。Bienert[1]曾首次提出一个单颗粒金刚石切削岩层的模型，张林中等基于这一模型进行相关研究，得出单颗粒金刚石切削岩层过程中，不同出露高度、不同切入深度条件下切削合力的变化关系。Denkena等人[2]通过单颗粒金刚石切削混凝土和钢筋材料的方法对其切削机理进行了相关研究。文章采用数值模拟的手段, 基于选定岩层对PDC钻头以不同切削角度钻进岩层的过程进行动态模拟,仔细分析了PDC钻头的切削角度对钻进效率的影响以及切削速度、钻进速度的变化对钻进过程的影响，为在不同地层条件下合理选用PDC钻头的钻进参数提供依据。

1基本假设及数值分析模型
1.1基本假设
金刚石层
硬质合金
仿真计算基于如下基本假设进行：1）金刚石层和硬质合金层处于弹性无塑性变形状态，选用线弹性或理想弹塑性材料模型； 2) 将微小时间段内PDC钻头切削齿的旋转等效为直线切削；3)岩层材料无限大。
1.2 数值分析模型
PDC钻头的钻进过程岩层
利用著名的非线性动力分析程序LS DYNA 3D进行仿真。PDC钻头切削齿的有限元模型见图1所示，复合片尺寸为Φ8mm×4.5mm,岩层尺寸为6mm×8mm×3mm的长方体，模型中选取切削齿的一部分进行计算。所有模型均选用描述3维实体结构的SOLID164单元，金刚石和硬质合金采用六面体扫掠网格划分单元,且两层材料界面附近网格划分较密，岩层采用六面体映射网格划分单元。岩层、金刚石层和硬质合金 图1有限元模型网格划分
层均采用面-面侵蚀接触，单位制采用mm-kg-ms，模拟时间为2.0ms。边界载荷包括切削速度和钻进速度。为模拟岩层无限大，对岩层模型设置无反射边界。金刚石层和硬质合金层材料物理力学性能参数[3]见表1。
材料
ρ/(kg·mm-3)
E/ GPa
μ
金刚石
3.51×10-6
897
0.07
硬质合金
15.0×10-6
579
0.22
表1 金刚石层和硬质合金层材料性能参数 岩层材料变形比较复杂，在载荷作用下不仅有弹性变形而且会有塑性、脆性断裂等复杂现象。在有限元数值模拟过程中岩层材料选用Johnson-Holmquist混凝土模型[4]进行计算。该材料模型在岩层破碎中的应用较多，有大量的实验数据作为参考。该模型综合考虑了大应变、高应变率、高压效应，其等效屈服强度是压力、应变率及损伤的函数，而压力是体积应变的函数，损伤积累是塑性体积应变、等效塑性应变及压力的函数。Johnson-Holmquist混凝土模型的本构方程[5]为：
(1）

（2）
（3）
（4）
（5）
式中，为标准等效应力，为实际等效应力，为混凝土准静态单轴屈服强度；为无量纲粘性常数，为损伤度，B为无量纲的压力强化系数，为标准压力，N为无量纲的压力硬化指数,c是应变率系数，为无量纲应变率；和分别为等效塑性应变和塑性体积应变，、为材料常数，为标准最大拉伸静水压力；为完全致密材料的压力，为材料常数，为修正的体积应变；为材料体积应变，为材料压实点的体积应变。岩层材料参数[6]见表2。
G/ GPa
Smax
A
B
c
N
D1
D2
K1/ GPa
K2/ GPa
12.61
7.0
0.79
1.6
0.07
0.61
0.04
1
85
-171
/（kg· mm-3）
Pcrush /GPa

Plock/GPa

EFmin
/GPa
FS
T/ GPa
K3/ GPa
2.24×10-6
0.016
0.001
0.8
0.1
0.01
0.0371
-1
0.003
208
表2 岩层材料参数
2结果分析
2.1钻进过程模拟分析
以PDC钻头切削前角10°，侧倾角为10°，钻进速度30mm/min，切削速度为2.0m/s时钻进岩层的切削状况为研究对象，分析不同时间步岩层的应力变化。
图2 随着钻头切削齿的切入，岩层最大应力区域的变化
随着PDC钻头切削齿的切入，聚晶金刚石复合片钻头切削齿与岩层的接触面积逐渐增大，最大应力的区域也随着增大（见图2）；刚切入时岩层受到的挤压力是逐渐增大的，当压力达到岩层的
屈服极限时，岩层发生塑性变形产生崩裂，此时岩层受到PDC切削齿的挤压力很小；随着钻进过程
图3 钻进过程中不同时刻岩层所受压力云图
不断进行，岩层受到PDC钻头切削齿的挤压力又逐渐增大，当达到岩层崩裂的压力后, 岩层受到的
挤压力又逐渐减小（见图3）。这样，PDC钻头钻进过程中，岩层受到一个先增大后减小的循环压力，岩层受到这种循环压力而破碎。
2.2 PDC钻头切削角度对钻进效率的影响
有研究表明，钻头切削齿的切削前角对钻进效率有较大影响。分别对不同切削角度的PDC钻头的钻进过程进行了仿真，建立了切削前角的变化与钻进效率之间的影响关系（见图4）。
由于钻头的钻进效率与相同模拟时间内岩层失效单元的数量成正比，因此不同切削角度下对应的岩层失效单元的数量也同样反映了切削角度的变化与PDC钻头钻进效率的对应关系图4给出了PDC钻头切削前角在0°~25°范围内的变化与岩层失效单元数量之间的关系，从图中可以看出，切削前角在0°~10°范围内时，失效单元数量在110到140之间，呈小幅波动；在10°~13°范围内失效单元的数量大幅增加，当切削前角达到12°时达到334；而在13°~25°范围内，岩层失效单元数量又开始渐渐减少，但减少的幅度不大，且失效单元数量总体在230~334之间，远高于0°~10°范围内的失效单元数量。 图4 切削前角与钻进效率的关系
计算结果表明，PDC钻头的切削角度对钻进效率确实有较大影响；针对选定岩层，切削前角在12°~25°范围内择优选取能够得到较好的钻进效率。
2.3 切削速度对PDC钻头钻进岩层的影响
主要研究PDC钻头在同一切削角度，同一钻进速度下，不同切削速度条件对钻进过程的影响。

图5 不同切削速度对钻进过程的影响
图5是切削前角为12°，侧倾角为15°，钻进速度为30mm/min条件下的PDC钻头在三种不同切削速度下的切削合力曲线。从图中可以看出，随着切削速度的增大，切削合力也是逐渐增大的；当切削速度在2.5m/s以下时，金刚石切削岩层的切削合力的变化比较平缓；而当切削速度超过2.5m/s时，切削合力出现较大的波动。这主要是因为随着切削速度的升高，材料应变速率增大，使切削应力增大,从而导致切削合力也随着增大。
2.4 钻进速度对PDC钻头钻进岩层的影响
主要研究PDC钻头在切削角度和切削速度相同的情况下，不同钻进速度对切削合力的影响。

图6 不同钻进速度对钻进过程的影响
图6是切削前角为12°，侧倾角为15°，切削速度速度为2.0mm/s条件下的 PDC钻头在四种不同钻进速度下的切削合力曲线。从图中可以看出，随着钻进速度的增大，金刚石切削岩层的切削合力也是随着增大的；而当钻进速度在50mm/min以下时，PDC钻头切削力变化非常平缓，仅有微小的变化；而当钻进速度达到50mm/min时,金刚石切削岩层的切削合力出现非常明显的波动。这除了与岩层自身的性质有关外，主要是由于随着钻进速度的增大，相同时间段内的切削齿的切入深度也就越大，金刚石与岩层的接触面积随着增大,从而岩层对金刚石的阻力也增大，所以金刚石切削岩层的切削合力就越大。
3 结论
通过考虑PDC钻头切削角度、切削速度和钻进速度对钻进过程的影响，利用LS-DYNA 对聚晶金刚石复合片钻头钻进岩层的过程进行了模拟。仿真计算结果表明PDC钻头切削角度对钻进效率有较大影响，并建立了切削角度的变化与钻进效率之间的关系；切削速度和钻进速度等钻进参数在一定程度上影响着钻进过程的进行。仿真计算为PDC钻头在不同地层、不同钻进参数条件下的可钻性分析提供了一种参考方法。
参考文献
[1]Bienert B.Kreissaege vov Beton Mit Diamond Werkzeugen[D]. Hanover:TU Hanover,1978.
[2]Denkena B, Ttonshoff H K,Becker J C,et al.Materiatrennmechanismen an Stahl-und Betonmaterial[J].IDR,2003,
11:124-131.
[3]徐根,陈枫,徐国平等.不同界面形态聚晶金刚石复合片热残余应力分析[J].超硬材料工程,2007,19(4):10-15.
[4]刘大辉.聚能装药对岩土混杂介质的侵彻研究[D],大连:大连理工大学,2004.
[5]Holmquist T J,Johnson G R, Cook W H.A Computational Constitutive Model for Concrete Subjected to Large Strains,High Strain Rates and High Pressures[C]//15th International Symposium on Ballistics, Jerusalem, Israel, May 1995,591-600.
[6]张林中.金刚石切削岩层的模拟[D].武汉:中国地质大学,2008.