【摘 要】
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针对常规PDC齿磨损严重导致的钻头破岩效率下降、钻头泥包和使用寿命短等问题,本文以自然界的穿山甲鳞片、蝼蛄爪趾、鲨鱼牙齿和扇贝等作为仿生原型,从PDC齿的聚晶金刚石切削刃面结构、聚晶金刚石与硬质合金交接面结构以及聚晶金刚石上表面形态3方面同时入手,设计一种新型耦合仿生PDC齿及仿生PDC钻头。全文通过有限元分析软件ABAQUS以及ANSYS Fluent对常规PDC齿、仿生PDC齿与常规PDC钻头
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针对常规PDC齿磨损严重导致的钻头破岩效率下降、钻头泥包和使用寿命短等问题,本文以自然界的穿山甲鳞片、蝼蛄爪趾、鲨鱼牙齿和扇贝等作为仿生原型,从PDC齿的聚晶金刚石切削刃面结构、聚晶金刚石与硬质合金交接面结构以及聚晶金刚石上表面形态3方面同时入手,设计一种新型耦合仿生PDC齿及仿生PDC钻头。全文通过有限元分析软件ABAQUS以及ANSYS Fluent对常规PDC齿、仿生PDC齿与常规PDC钻头、仿生PDC钻头分别进行了破岩模拟对比分析和井底流场模拟对比分析。具体包括对两种PDC齿表面等效应力、破岩速度、表面温度传递过程、表面温度分布特点的对比分析、对两种PDC钻头的受力、抗泥包效果、岩石表面等效应力以及岩石变形破碎情况的对比分析等等。分析结果表明:（1）仿生PDC齿表面的等效应力整体上小于常规PDC齿,可有效缓解纵向的应力集中问题,其切削能力更强,破岩速度更快,能有效防止钻头泥包和高温热失效的产生,使用寿命更长;（2）仿生PDC钻头的破岩效率更高,切削平稳性更好,上下跳钻的可能性更低,可有效降低被冲击损坏的概率,使用寿命更长;（3）两种PDC齿表面温度的传递过程有较大差异,由于仿生PDC齿的破岩速度较快,导致其到达稳定状态时的温度值更高,为了防止仿生PDC齿产生热损伤和热失效,应该加强井底钻井液对仿生PDC齿的清洗和冷却;（4）仿生PDC钻头的井底清洁效果更佳,流体的携岩能力更强,能有效防止钻头泥包的形成;（5）仿生PDC钻头可以缓解流体对钻头切削齿和流道的冲蚀破坏,延长了钻头的使用寿命。上述结论可为仿生PDC钻头的优化设计提供一定的理论支撑。今后配合试验研究将有助于仿生PDC钻头的推广与使用,为我国石油与天然气资源的高效开采发挥重要作用。
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