煤田地质与勘探

作者：秦承帅, 孙洪斌, 李利平, 刘学港, 刘知辉, 冯春, 孙子正,

关键词：破岩, 复合冲击钻进, PDC钻齿, 破岩机理, 连续−非连续分析方法, 数值模拟,

复合冲击钻进是兼具轴向和扭转2个维度冲击的新型破岩技术，针对岩石在聚晶金刚石复合片钻头(Polycrystalline Diamond Compact，PDC)钻齿轴向−扭转2个方向冲击作用下破坏机制复杂、复合冲击破岩机理不清晰等问题，基于连续−非连续分析方法(Continuous Discontinuous Element Method，CDEM)，建立基于共享节点的FEM-DEM岩石模型，再通过室内单轴压缩实验验证该计算模型的合理性。基于JavaScript二次开发，建立单钻齿复合冲击运动模型，并模拟PDC单钻齿在正弦函数下的复合冲击破岩过程。通过对岩屑、径向剪切裂纹、侧向裂纹和侧向主裂纹等形成过程的分析，揭示岩石在复合冲击作用下的破坏规律。在此基础上，建立单钻齿复合冲击切削力学模型，开发适用于分析复合冲击破岩钻进的连续−非连续数值算法，分析不同切削深度、前倾角度、轴向冲击速度、扭转冲击速度下的破岩效果，探讨不同钻齿参数下的切削力和破岩规律。结果表明：复合冲击作用下钻齿前方和下方岩石均发生大体积破碎，可实现“立体破岩”效果，进而减小钻头的粘滑效应。钻齿与岩层的接触面积、接触弧长、冲击能量的分配效果是影响复合冲击破岩效率的关键因素。岩层的破碎体积随着切入深度的增大而增大，但钻齿所受的切削力也会同步增大；冲击角度影响冲击能量在水平和垂直方向的分布效果，较小的前倾角度下钻齿破岩体积较大；提高轴向冲击速度和扭转冲击速度可提高岩层破碎体积，但钻齿所受的切削力也相对较大，不利于钻具寿命的延长。研究结果可对提高不同工况下的破岩效率、优化PDC钻齿设计参数、延长钻具使用寿命等提供借鉴意义。

来源：2023年第9期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

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