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题名钻头切削齿破碎岩石的温度变化试验及机理分析
被引量：9
- 1
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作者
周琴
张在兴
张凯
郑国敬
何录忠
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机构
中国地质大学(北京)工程技术学院
国土资源部深部地质钻探技术重点实验室
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出处
《天然气工业》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2020年第10期102-110,共9页
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基金
国家自然科学基金项目“真空无水低功耗条件下碎岩机理研究”(编号:41672365)、国家重点研究计划项目“小口径高效系列钻具研究”(编号:2018YFC0603404)。
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文摘
钻头切削齿是破碎岩石的核心部分,在破岩过程中做的绝大部分功会转换成切削热,导致切削齿温度升高,目前对切削齿温度的影响研究成果主要集中在切削深度、切削速度及切削齿结构方面,但对于岩石特性对切削温度影响程度和机理的认识尚不明晰。为此,在自制的MDES 2000微钻平台上,开展了砂岩、大理岩、花岗岩以及玄武岩等4种典型岩石的钻进试验,基于岩石破碎力学模型和数值分析结果,探讨了岩石特性对切削温度的影响程度并进行机理分析。研究结果表明:①在相同的钻进参数下,岩石强度直接影响不同岩石钻进深度,导致岩石破碎模式(塑性、脆性)的转变,从而造成不同岩石切削温度的波动差异,砂岩、大理岩发生塑性破碎,温度波动范围约为±0.5℃,而花岗岩、玄武岩则发生脆性破碎,切削齿温度波动范围约为±1.5℃;②岩石强度是影响切削温度温升速率变化的重要因素,强度越大所需切削力越大,产生切削热增加,导致4种不同岩石钻进时温升速率随岩石强度的增加而逐次递增;③岩石破碎力学模型和前、后刀面温度分析结果表明,切削齿前刀面起主要的切削作用,是造成不同岩石的切削温度波动程度的主要因素。结论认为,钻进试验与数值模拟所得到的温度变化趋势基本吻合,该成果可以为钻头切削齿工作寿命研究提供借鉴和参考。
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关键词
岩石特性
钻进试验
破岩机理
温升速率
温度波动
力学模型
破碎模式
数值分析
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Keywords
Rock characteristics
Drilling test
Rock breaking mechanism
Temperature rise rate
Temperature fluctuation
Mechanical model
Breaking mode
Numerical analysis
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分类号
TE921.1
[石油与天然气工程—石油机械设备]
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题名单齿回转切削力学模型的研究进展
被引量：5
- 2
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作者
郑国敬
周琴
张凯
汪伟
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机构
中国地质大学(北京)工程技术学院
国土资源部深部地质钻探技术重点实验室
中国地质科学院
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出处
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2018年第S2期573-580,共8页
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基金
国家自然科学基金资助项目(41672365)
中国地质调查局地质调查资助项目(DD20160083-4)
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文摘
碎岩机理研究是提升碎岩效率和提高钻头寿命的前提和依据,而回转切削力学模型是碎岩机理的重要研究基础。通过对国内外典型单齿回转切削力学模型调研分析,归纳出力学模型研究动态主要表现在基于岩石不同破碎形式及岩石与切削齿不同接触形式方面。岩石切削力的分解由初期的切向力和轴向力,发展为主切削力、摩擦力以及切削齿磨钝后力的分解,认为切削力的分解及传递过程直接影响切削齿对岩石作用的应力分布状态,从而导致岩石破碎形式的差异。这些差异主要体现在岩石宏观和微观2种不同破碎形式:岩石的宏观破碎形式主要是由拉伸作用或者剪切作用导致破碎;岩石的微观破碎形式表现为拉剪联合作用导致破碎。微观破碎以内部裂隙产生到裂纹扩展,最终导致岩石宏观破碎现象。最后对单齿回转切削力学模型研究的发展方向提出一定建议。
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关键词
回转切削
力学模型
切削力分解
切削力传递
碎岩机理
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Keywords
rotary cutting
mechanical model
cutting force decomposition
cutting force transferring
rock fragmentation mechanism
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分类号
TU63
[建筑科学—建筑技术科学]
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题名PDC切削齿刀刃半径对温度分布影响的数值分析
被引量：4
- 3
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作者
郑国敬
周琴
张凯
张在兴
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机构
中国地质大学(北京)工程技术学院
国土资源部深部地质钻探技术重点实验室
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出处
《石油机械》
北大核心
2020年第6期18-24,共7页
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基金
国家自然科学基金项目“真空无水低功耗条件下碎岩机理研究”(41672365)
国家重点研究计划项目“小口径高效系列钻具研究”(2018YFC0603404)。
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文摘
切削过程中产生的切削温度是影响切削齿切削效率和使用寿命的重要因素。鉴于此,通过建立圆弧切削齿与岩石相互作用温度分布模型,主要从切削齿上温度分布特点、峰值温度的变化等方面探讨了切削过程中圆弧齿刀刃半径对切削温度的影响。分析结果表明:较小的PDC刀刃半径可以减小齿上温度的积聚现象,降低齿上温度,而较大的圆弧半径反而会提升齿上的切削温度;圆弧齿切削过程中存在临界圆弧半径,在临界范围内,圆弧齿峰值温度点位置与锋利齿类似,集中在切削齿前刀面距刀刃一定距离处;圆弧半径较大时,则下移至圆弧底部;力的变化趋势以及作用与温度分布规律相对应,优化的圆弧半径切削齿传热效果更优,可以减少切削齿上热磨损现象,从而延长切削齿的使用寿命。研究结果对于切削齿破岩机理的研究和延长切削齿使用寿命具有重要意义。
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关键词
圆弧切削齿
温度分布
峰值温度
切削力分布
临界圆弧半径
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Keywords
arc cutter
temperature distribution
peak temperature
cutting force distribution
critical arc radius
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分类号
TE921
[石油与天然气工程—石油机械设备]
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题名岩石切削深度对切削齿温度分布的影响分析
被引量：10
- 4
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作者
张在兴
周琴
张凯
郑国敬
张涛
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机构
中国地质大学(北京)工程技术学院
国土资源部深部地质钻探技术重点实验室
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出处
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2019年第S02期492-501,共10页
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基金
国家自然科学基金资助项目(41672365)
国家重点研发计划资助项目(2018YFC0603404)。
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文摘
切削温度是影响切削齿寿命、磨损及切削效率的重要因素;切削温度过高会加快切削齿热磨损,降低钻头寿命以及切削效率。切削深度是重要的岩石切削参数,直接影响岩石的破坏形式,切削深度通过改变岩石的破坏形式改变切削齿的受力状态,而切削力是切削热、切削温度升高的直接原因,因此切削深度会对切削过程中切削齿温度场的变化产生影响。为了进一步研究切削深度对切削齿温度变化的影响规律,基于岩石切削热模型,以Drucker-Prager为岩石强度准则,建立切削齿动态破岩模型,研究不同切削深度下切削齿的受力状态、前后刀面温度分布以及温升变化规律。研究结果表明:①存在一个临界深度d*,使岩石破坏模式从塑性切削转变为脆性切削,岩石塑性切削时切削力与切削深度成正比,脆性切削时切削力与切削深度成非线性关系;②切削深度的改变会影响切削齿前、后刀面温度变化:后刀面温度随切削深度的增加而线性升高,前刀面温度随切削深度增加呈现先升高后下降的趋势;③切削深度的增加使切削力波动增大,因此导致前、后刀面温度波动随切削深度的增加而加剧。通过对岩石破碎过程中不同切削深度下的切削齿受力状态以及温度变化模拟分析,发现切削深度对切削齿温度变化具有明显的影响,理论分析和仿真结果变化趋势基本吻合,研究结果可为优化切削参数和延长切削齿使用寿命提供依据和参考。
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关键词
切削深度
破坏模式
温度场
数值模拟
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Keywords
cutting depth
failure mode
temperature field
numerical simulation
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分类号
TU45
[建筑科学—岩土工程]
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