沙溪庙组硬质砂岩地层异形<strong>PDC</strong>齿的设计与研究

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.160

工程设计学报

2025, Vol. 32

Issue (2): 262-271 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.160

优化设计

沙溪庙组硬质砂岩地层异形PDC齿的设计与研究

马亚超¹(

),罗逸非¹,荣准²,陶垒³,曾汇川²,蒋东²,张文远³

^1.西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500
^2.中国石油西南油气田公司川东北气矿，四川达州 635000
^3.中国石油集团西部钻探工程有限公司工程技术研究院，新疆乌鲁木齐 830063

Design and study of special-shaped PDC cutter for hard sandstone strata of Shaximiao Formation

Yachao MA¹(

),Yifei LUO¹,Zhun RONG²,Lei TAO³,Huichuan ZENG²,Dong JIANG²,Wenyuan ZHANG³

^1.School of Mechatronic Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China
^2.Northeast Sichuan Gas Mine, Petro China Southwest Oil and Gasfield Company, Dazhou 635000, China
^3.Engineering Technology Research Institute, CNPC Xibu Drilling Engineering Company Limited, Urumqi 830063, China

全文: PDF(4238 KB) HTML

摘要：

为解决川东沙溪庙组硬质砂岩地层PDC（polycrystalline diamond compact，聚晶金刚石复合片）钻头机械钻速低、磨损严重及钻井成本高的问题，对异形PDC齿在沙溪庙组硬质砂岩地层的破岩性能进行了综合研究。针对沙溪庙组砂岩地层高研磨性、硬塑性的特点，设计了斧形齿、圆弧曲面齿、斧形曲面齿和斜斧形齿等4种异形PDC齿，并建立了PDC齿切削与压入破岩结合的综合破岩比功评价方法。随后，利用破岩仿真模型，开展了异形PDC齿结构参数优化设计，并对优化后的异形PDC齿进行了破岩性能仿真分析。结果表明：齿刃角为130°的斧形齿和圆弧半径为25 mm的圆弧曲面齿的综合破岩比功最小。最终确定斧形曲面齿的圆弧半径为25 mm，齿刃角为130°，斜斧形齿的齿刃角为130°，倾斜角度为70°。4种异形PDC齿的综合破岩比功和齿刃温度均低于常规PDC齿，且综合破岩比功与磨损高度呈正相关。室内破岩试验结果表明，斧形齿与斧形曲面齿具有更优异的破岩性能。研究结果为沙溪庙组硬质砂岩地层的个性化PDC钻头设计提供了理论基础。

关键词： 沙溪庙组硬质砂岩; 异形PDC齿; 破岩比功; 破岩性能

Abstract:

To address the issues of low mechanical drilling speed, severe wear, and high drilling costs of PDC (polycrystalline diamond compact) bits in the hard sandstone strata of the Shaximiao Formation in eastern Sichuan, a comprehensive study was conducted on the rock-breaking performance of special-shaped PDC cutters in the Shaximiao Formation hard sandstone strata. Aiming at the high abrasiveness and hard-plastic characteristics of the sandstone strata in Shaximiao Formation, four types of special-shaped PDC cutters were designed, including axe-shaped cutter, circular-arc curved-surface cutter, axe-shaped curved-surface cutter, and inclined axe-shaped cutter, and a comprehensive rock-breaking specific energy evaluation method combining PDC cutter breaking rock by cutting and pressing was established. Then, using the rock-breaking simulation model, the optimization design for structural parameters of these special-shaped PDC cutters was conducted, and the rock-breaking performance of the optimized PDC cutters was simulated and analyzed. The results showed that the axe-shaped cutter with a blade angle of 130° and the circular-arc curved-surface cutter with a arc radius of 25 mm had the lowest comprehensive rock-breaking specific energy. The final determined arc radius and blade angle of the axe-shaped curved-surface cutter was 25 mm and 130°, and the blade angle and inclination angle of the inclined axe-shaped cutter was 130° and 70°. Four types of special-shaped PDC cutters exhibited significantly lower comprehensive rock-breaking specific energy and blade temperature compared to conventional PDC cutters, with a clear positive correlation between comprehensive rock-breaking specific energy and wear height. The laboratory rock-breaking test results indicated that the axe-shaped cutter and the axe-shaped curved-surface cutter had superior rock-breaking performance. The research results provide a theoretical foundation for the customized design of PDC bits tailored for the hard sandstone strata of the Shaximiao Formation.

Key words: hard sandstone of Shaximiao Formation special-shaped PDC cutter rock-breaking specific energy rock-breaking performance

收稿日期: 2024-07-24 出版日期: 2025-05-06

CLC:

TE 921

基金资助: 国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51904263);企事业单位委托科技资助项目(XNSJS2023-48)

作者简介: 马亚超（1986—），男，副教授，博士，从事PDC钻头动态磨损与布齿设计研究，E-mail: mayachao206207@126.com，https://orcid.org/0000-0001-8865-3521

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引用本文:

马亚超,罗逸非,荣准,陶垒,曾汇川,蒋东,张文远. 沙溪庙组硬质砂岩地层异形PDC齿的设计与研究[J]. 工程设计学报, 2025, 32(2): 262-271.

Yachao MA,Yifei LUO,Zhun RONG,Lei TAO,Huichuan ZENG,Dong JIANG,Wenyuan ZHANG. Design and study of special-shaped PDC cutter for hard sandstone strata of Shaximiao Formation[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2025, 32(2): 262-271.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.160 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2025/V32/I2/262

图1 异形PDC齿

图2 PDC齿切削破岩仿真模型

图3 PDC齿压入破岩仿真模型

表1 PDC齿与沙溪庙组砂岩的材料参数

表2 PDC齿破岩仿真模型的网格类型及数量

图4 齿刃角不同的斧形齿

图5 齿刃角不同的斧形齿的综合破岩比功对比

图6 圆弧半径不同的圆弧曲面齿

图7 圆弧半径不同的圆弧曲面齿的综合破岩比功对比

图8 斧形曲面齿的齿形结构

图9 斜斧形齿的齿形结构

图10 异形PDC齿破岩应力场

图11 PDC齿切削破岩比功对比

图12 PDC齿压入破岩受力对比

图13 PDC齿压入破岩比功对比

图14 PDC齿综合破岩比功对比

图15 PDC齿齿刃峰值温度对比

图16 0~3 mm磨损高度下PDC齿的综合破岩比功对比

图17 PDC齿综合破岩比功与磨损高度的拟合结果对比

图18 试验用PDC齿

图19 PDC齿切削试验装置

图20 PDC齿切削破岩产生的岩屑对比

表3 PDC齿的磨损量对比

图21 PDC齿的平均切削力对比

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