特高多层胎体孕镶金刚石钻头设计与数值模拟

孙祺斌，沈立娜，杨甘生，田国亮，阮海龙，陈 西

特高多层胎体孕镶金刚石钻头设计与数值模拟

孙祺斌1，沈立娜2，杨甘生1，田国亮3，阮海龙2，陈 西1

(1. 中国地质大学(北京) 工程技术学院，北京 100083；2. 北京探矿工程研究所，北京 100083；3. 山东省地质矿产勘查开发局第六地质大队，山东 威海 264200)

针对金刚石钻头寿命受限于钻头胎体高度的问题，提出了一种新型多层特高胎体孕镶金刚石钻头的设计方案。钻头设计中，引入了偏心交错切削齿、交替式水口以及挡水片结构，保证了多层特高胎体钻头的冷却及有效钻进。通过强度及水力流场模拟，校核了钻头强度，验证了水路结构的合理性，并进一步实现了钻头成品加工制造。该钻头打破钻头胎体高度的限制，为大幅提高钻头寿命提供了新的思路。

特高多层胎体钻头结构设计；挡水片；强度分析；流体场分析；数值模拟

在资源日渐紧缺的现状下，钻探开始向更深部、更复杂地层发展，需要性能优良的钻探工具，特别是直接影响钻探成本和效率的钻头。钻头的机械钻速和工作寿命是衡量其性能优劣的两个关键参数，提高机械钻速可缩短纯钻进时间，增加钻头寿命可减少提下钻次数，缩短钻探工作总时间，最终实现降低钻探成本的目的。为了改善金刚石钻头性能，国内外学者主要从钻头的结构设计、胎体材料选择、烧结工艺参数优化、金刚石表面镀覆等[1-7]方面进行研究。在深孔钻探中使用金刚石绳索取心钻进工艺可以提高钻速，减少起下钻的次数和间隔，从而节约钻进成本[8-10]。但制约金刚石绳索取心钻进效果的瓶颈是金刚石钻头的使用寿命[11-13]。而为了改善钻头寿命，现在进行改善钻头结构方面的研究，大多从改善胎体性能包括设计双层水口的高胎体结构。但这些设计大多只有两层结构，并且大多在水口分流泥浆的问题上未能给出合理有效的设计。

为了延长金刚石钻头的使用寿命，笔者提出一种高胎体多层水口钻头设计。并且针对多层水口的分流冲洗液问题进行进一步研究，并提出有效的解决方案。

1 新型多层特高胎体钻头的结构设计

1.1 交错式多层胎块结构

为保证钻进中始终存在金刚石胎块对地层磨削，采用交错多层金刚石胎块设计，使下一层金刚石胎块的工作层顶面始终高于上一层金刚石胎块的工作层底面。即在钻头空间结构上，纵向分布有多层金刚石胎块，如图1a所示。为了保证金刚石胎块在钻头同一横切面上始终有工作层在工作，每相邻两层与相邻两列的金刚石胎块工作层顶面之间有固定高度差。利用这种交错排列的设计，该种钻头在钻进工作中能够实现连续切削地层。

其磨损机制设计如下：当端面第一层金刚石胎块磨损到位置1时，钻头结构如图1b所示，在顶端第一层金刚石胎体工作层全部磨损后，每个磨损块附近一列的第二层金刚石胎体仍旧在工作；当端面第二层胎块磨损到位置2时，钻头结构如图1c所示，第二层金刚石胎块工作层部分已完全磨损，第三层胎块已经接替工作。以后多层均如此循环，完成各层胎块之间的交替磨损。

图1 新型多层特高胎体钻头不同磨损状态结构示意

1.2 钻头水力结构设计

a. 交替式水口 为了在钻进中实现连续冷却，钻头水口伴随金刚石胎块同样形成多层交错排列设计，交替式水口(为区别于胎块工作层，文中称之为交替式水口)通过上下层水口高度差实现全钻进过程的冷却。

b. 挡水片部件 由于该钻头为特高胎体结构，纵向分布有多层水口。钻头在钻进工作时，可能出现泥浆大部分从非工作面处水口流出，造成钻头冷却冲洗不足而发生提前破坏。如果通过加大泵量来实现冷却，将会对井壁和钻进压力产生影响[14]。为此，必须设计一种结构，改善钻头钻进过程中的冷却和冲洗效果。通过优化设计一种U型挡水片结构来实现。

如图2所示，在水口内侧，设计一薄壁片状结构，几乎完全挡住内水口，其侧向切割成U型缝隙，只有顶边与钻头钢体通孔的内壁相连接，形成一端连接的挡水片，端面层水口不设计挡水片。在钻头初始工作时，由于挡水片的设计，大部分泥浆冲洗液从端面流出，正常携浆并冷却钻头，当钻进到中间过渡层胎体时，挡水片连接处磨断，挡水片脱落，泥浆大部分流经此处，实现正常冷却。

1.3 内外保径设计

钻头的内外保径对于钻头工作寿命十分重要。金刚石钻头在实际钻探工作中，其磨损量伴随着不断进尺在逐渐增加，这主要影响了钻头胎体的内外径是否能维持合理范围。如果钻头没有设置保径，那么当钻头不断磨削地层的过程中，钻头顶端工作面减少的同时，内外径也将被磨损。外径的磨损会使钻头外径尺寸不断变小，当外径尺寸减小到和钻具一致时，井壁将开始磨损钻具使其受损。钻头内径的磨损会使钻头内径尺寸变大，进入岩心管的岩心也随之变粗，最后岩心进入管内会导致卡管现象，井下工作被迫停止，可见保径对于实际钻探工作的重要性[15]。由于钻头胎高理论上可以不受限，因此，在钻头的内外保径上，纵向设计PCD切片复合保径，以满足长时间磨损钻进需求。如图3所示，黄色部分为保径结构。

图2 新型多层特高胎体钻头剖面及挡水片结构示意

图3 钻头保径结构示意

1.4 钻头的实物加工

为验证设计的可行性，加工制造了HQ口径(外径为95.5 mm，内径为63.5 mm)的钻头实际样品，如图4所示，为三层胎体结构钻头，工作层高度为68 mm。

图4 三层胎体结构钻头加工实物

包括如图5所示的除顶层顶端未封闭水口外，其他层未出露水口内的挡水片实际结构。

图5 钻头水口挡水片结构实物

2 多层特高胎体钻头的强度及流场分析

2.1 钻头强度模拟分析

为了验证钻头的强度，保证钻头在工作状态下不会发生形变导致结构破坏，采用SolidWorks SimulationXpress数值模拟，对HQ口径mm的钻头进行了初步的扭转强度分析。考虑到钻头胎体强度一般大于刚体强度，在刚体不出现变形的情况下，可以将其视作整体进行强度校核。钻头完整高度为117 mm，工作层高度为68 mm。选材为45号钢，其抗拉强度b≥600 MPa，屈服极限s≥355 MPa。由于抗剪强度一般取材料屈服极限s数值的一半，故45号钢抗剪强度应为≥178 MPa。安全系数取1.6，所以45号钢许用应力应不超过112 MPa。考虑到实际井下情况，钻头受到扭矩不超过2 000 N·m。

基本模拟操作步骤为：首先建立模型(包括5种不同磨损状态下的钻头模型)，选取结构单元为AISI 1045钢，夹具固定钻头底部非工作部分进行约束，沿周向施加总数为25 000 N的载荷，最后运行模拟，得出结果。图6a—图6e分别是钻头在von Mises屈服准则下5种磨损状态的Mises等效应力分布。

由数值模拟结果可以看出，在钻头模型受到相应扭转力发生形变的情况下，最薄弱处受到的最大屈服应力为图6e中水口处所受应力，其值为95.5 MPa，图6a—图6d中最薄弱处所受最大应力均小于该值，分别为59.2、75.8、93.4、93.7 MPa，且该部分应力不仅小于前面算出的45号钢最大许用应力值112 MPa，而且远小于SolidWorks SimulationXpress软件中所提供的材料屈服力的最大值530 MPa，故该钻头在材料为45号钢时的结构及材料强度处于合理范围内。

2.2 钻头的流体分析

为了保证挡水片设计能够起到有效作用，利用软件SolidWorks FloXpress对有挡水片和没有挡水片的两种不同水口结构的钻头分别进行了流体模拟。

具体实施方案是，首先建立2种三层水口钻头的三维模型，及包括这两种钻头的4种不同磨损状态模型，分别对应不同层水口工作时的钻头状态。环境温度设置在200 ℃，泥浆泵量取100 L/min，模型中液体柱数量为50，代表了液体流量，并以各水口作为液体出口。图7—图10分别为不同磨损程度的钻头、不同层工作水口的有无挡水片情况下，钻头流体的对比图。

由图7和图8有无挡水片的两种钻头内流体模拟结果对比可以看出，在钻头包含两层以上水口时，通过顶层水口内液流柱数量与于下面各层水口对比可知，有挡水片的多层水口钻头水路中流体大部分是从顶层水口流出，并且在靠近钻头的顶部位置仍旧能保持一定的流速。但是没有挡水片的多层水口钻头只有一小部分的流体从顶端水口流出，其他层水口分流了大部分的流量，并且在靠近顶部位置的流体已经很难维持流速。由图9和图10对比可以看出，当只有两层水口时，水口内含有挡水片的多层水口钻头内几乎全部流体都会从顶部已经出露的水口内流出，只有极少部分流体会从挡水片缝隙流出。而没有挡水片遮挡水口的多层水口钻头虽然大部分流体会从顶部水口流出，但下层未出露水口仍旧会分流相当一部分流体。由以上分析可以得出，对于该多层特高胎体钻头，挡水片能够实现泥浆分流。

图7 钻头未磨损时有无挡水片流体示意

图8 钻头第1种磨损状态下有无挡水片流体示意

图9 钻头第2种磨损状态下有无挡水片流体示意

Fig 9 Schematic diagram of fluid with or without a baffle in the second wear state of the bit

图10 钻头第3种磨损状态下有无挡水片流体示意

3 结论

a. 为了能够有效提高钻头寿命，节约钻进成本，提出了一种特高多层胎体孕镶金刚石钻头的优化设计方案，并制造了HQ口径，工作面高度为68 mm的三层胎体结构钻头。

b. 经过对该钻头包括不同磨损程度状态下的力学分析，证明了该种多层特高胎体钻头强度符合实际钻进工作需要。

c. 设计并加工了一种多层水口的高胎体钻头水口挡水片。经过对有无挡水片的同种多层水口钻头的流体场分析，包括不同磨损程度的过渡层的分析，验证了挡水片对该钻头防止泥浆分流方面的有效性。

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Design and numerical simulation of multi-layer bit with extra-high matrix

SUN Qibin1, SHEN Lina2, YANG Gansheng1, TIAN Guoliang3, RUAN Hailong2, CHEN Xi1

(1. School of Engineering and Technology, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China; 2. Beijing Exploration Engineering Institute, Beijing 100083, China; 3. The Sixth Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development, Weihai 264200, China)

Aiming at the problem that the life of the diamond bit is limited by the height of the bit matrix, an optimized design scheme of an impregnated diamond bit with extra-high multi-layer matrix was proposed. In the design of the bit, eccentric staggered cutting teeth, alternate waterways and water baffles were introduced to ensure the cooling and effective drilling of the bit. Through strength and hydraulic flow field simulation, the strength of the drill bit was checked, the rationality of the waterway structure was verified, and the finished product of the drill bit was further realized. The drill bit breaks the restriction of the height of the drill matrix, and provides a new idea for the signficant increase of the drill bit life.

structural design of the bit with extra-high multilayer matrix head ; water baffle; strength analysis; fluid field analysis; numericalsimulation

TD41

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.032

1001-1986(2020)03-0225-06

2020-02-14；

2020-04-30

国家重点研发计划课题(2018YFC0603404)

National Key R&D Program of China(2018YFC0603404)

孙祺斌，1996年生，男，吉林通化人，硕士研究生，研究方向为地质工程. E-mail：1113683037@qq.com

沈立娜，1985年生，女，天津人，高级工程师，从事金刚石钻头及钻具的优化设计. E-mail：shenln@bjiee.com.cn

孙祺斌，沈立娜，杨甘生，等. 特高多层胎体孕镶金刚石钻头设计与数值模拟[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(3)：225–230.

SUN Qibin，SHEN Lina，YANG Gansheng，et al. Design and numerical simulation of multi-layer bit with extra-high matrix[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：225–230.

(责任编辑 聂爱兰)