PDC单齿切削破碎非均质花岗岩性能的评价新方法

聚晶金刚石复合片(PDC)钻头在非均质、研磨性强的复杂地层存在破岩效率低、使用寿命短的问题,现有研究普遍孤立看待PDC齿的寿命和破岩效率.为此,根据PDC齿的攻击性能、受力状态及破岩效率间的关系,以 2 种花岗岩为研究对象,建立了非均质花岗岩的有限元模型,然后对 3 种PDC齿(锥形齿、鞍形齿和圆形齿)切削破碎非均质花岗岩的破岩效率的影响因素进行了研究,最后对 3 种齿的破岩性能进行了评价,对切削倾角进行了优选,最终提出一种评价PDC齿破岩性能的新方法.研究结果表明:①岩石细观矿物成分、强度、尺寸和含量会影响破岩效率,岩石的细观平均强度和岩石矿物泊松比的增加均会降低破岩效率;②围压的增加会降低齿的破岩性能,3 种齿形的破岩性能从大到小排序为锥形齿、鞍形齿和圆形齿,且不受围压与切削倾角的影响;③当切削深度为 1 mm,且仅考虑切削作用时,鞍形齿最优切削倾角范围为 10°～15°,锥形齿的切削倾角优选范围为 5°～10°,圆形齿的推荐切削倾角范围为 0°～5°.结论认为,破岩性能评价新方法综合考虑了PDC齿的破岩效率、几何形状及其受力状态,能充分体现PDC齿的能耗经济性、寿命经济性及其切削参数的攻击特性差异,可为PDC齿形设计和参数优化提供新思路和新依据.