超声波辅助PDC切削齿振动破岩仿真分析

• 作者: 赵研 张丛珊 高科 张增增 赵大军 李家晟 吕晓姝 平天才
• 来源期刊: 钻探工程
• 关键词: PDC齿 超声波钻进 切削力 有限元 ABAQUS
• 年，卷（期）: 2021,（4）
• 所属期刊栏目: 理论研究
• 页码范围: 11-20
• 页数: 10页
• 分类号: P634
• 语种: 中文
• DOI: 10.12143/j.ztgc.2021.04.002

摘要

PDC钻头在软至中硬地层钻进时具有钻速高、使用寿命长、设计灵活等显著优点,在钻井领域中的需求量逐年增加.而超声波钻进作为一种新型碎岩技术,由于在钻进过程中具有穿透能力强、钻进效率高等优点而获得了广泛关注.以超声波振动辅助PDC钻头破岩有望取得良好的钻进效果.为此,基于线型Drucker-Prager模型,利用ABAQUS软件建立了超声波辅助PDC钻进振动切削岩石的二维有限元模型,分析了不同超声波振动频率下PDC钻进破岩比功和切削力的变化规律,比较了超声波振动切削与常规切削岩屑形成过程的差异.研究结果表明,当激励频率从20 kHz至40 kHz增长的过程中,破岩比功与平均切削力都呈现先减少后增加的变化趋势,即存在一个最优频率位于25～30 kHz间,使破岩比功最小,钻进效率最高;超声波辅助振动切削的破岩方式与常规切削的塑性破坏不同,主要以脆性破坏为主,其切屑形成过程共分为4个阶段,且切削力保持为零的阶段较常规切削更为明显;当激励频率接近岩石固有频率时,超声波振动切削的平均切削力较常规切削小20.5％,并更易产生大块岩屑,使岩石产生更多体积破碎,从而提高破岩效率.