斧形齿破岩机理数值模拟研究

摘要

斧形齿有较好的抗冲击和耐磨性,可提高PDC钻头的破岩效率,被广泛用于高研磨性和硬质地层钻井。基于弹塑性力学与岩石力学,以Drucker-Prager准则作为岩石的屈服准则,利用ABAQUS软件建立斧形齿动态破岩的三维数值仿真模型,研究了齿面角、后倾角、切削速度和切削深度等因素对斧形齿破岩性能的影响。仿真结果表明:在后倾角15°、切削速度2.5 m/s的情况下,斧形齿的切向力、轴向力都随着齿面角和切削深度的增大而增大,破岩比功随着切削深度的增大而减小;在齿面角130°、切削速度2.5 m/s的情况下,后倾角对斧形齿轴向力的影响比切向力大,随着后倾角的增大,轴向力和破岩比功均增大;在齿面角130°、后倾角15°的情况下,以不同的切削速度切削岩石,切向力和破岩比功均随着速度的增加而增大。研究结果有助于进一步优化PDC钻头的布齿,为PDC钻头的设计和定制提供参考。