孕镶金刚石取心钻头端部形状优化设计

为了检验在同等钻进条件下，钻头唇面形状对钻头碎岩效果的影响，钻头对岩石研磨过程中摩擦热的产生与分布情况，采用CAD建模，用LS-DYNA分析了三种钻头在相同时间内的钻进情况。

科学超深钻用孕镶金刚石取心钻头的尺寸一般比较大，不容易做野外的对比试验。为了使得出的结论和野外试验结论进行比较，选取了矿产地质勘探过程中常用的直径为Φ75/49mm的孕镶金刚石取心钻头。

孕镶金刚石钻头唇面形状多种多样，选取有代表性的3种钻头，唇面结构分别为平底型，含AKTM的平底型，齿轮型，三维实体模型见图7.2～图7.5，分析结果见图7.6～图7.20。

图7.2 平底钻头

图7.3 加AKTM的钻头

图7.4 齿轮钻头

图7.5 配合状态图

图7.6 平底钻头钻进初始与结束位置

图7.7 AKTM钻头钻进初始与结束位置

图7.8 齿轮钻头钻进初始与结束位置

图7.9 平底钻头即将钻穿岩石温度分布图

图7.10 AKTM钻头即将钻穿岩石温度分布图

图7.11 平底钻头即将钻穿岩石温度分布图

图7.12 平底钻头特征点温度随时间变化曲线图

图7.13 AKTM钻头特征点温度随时间变化曲线图

图7.14 齿轮钻头特征点温度随时间变化曲线图

图7.15 平底钻头钻进开始等效应力分布图

图7.16 平底钻头即将钻穿岩石温度分布图

图7.17 AKTM钻头钻进开始等效应力分布图

图7.18 AKTM钻头即将钻穿岩石温度分布图

图7.19 齿轮钻头钻进开始等效应力分布图

图7.20 齿轮钻头即将钻穿岩石温度分布图

分析结论如下：

1）同样钻进规程条件下，钻头的机械钻速从小到大分别为：平底钻头、AKTM钻头、齿轮钻头。

2）岩体总体升温不明显，温度值基本没多少变化，仅在井底与井壁的极小范围内出现少量的温度集中。

3）平底钻头、AKTM钻头金刚石端部温度比胎体温度相对较高，齿轮钻头金刚石根部温度比金刚石端部高一些，每个扇形块上与旋转切向方向同向的前边缘的胎体及金刚石的温度高于后边缘的金刚石和胎体温度，随着进尺的增加，钻头各分部的温度总体呈上升趋势，钻进深度相同的情况下，齿轮钻头唇面温度高于其他两种钻头唇面温度。

4）岩石破碎区附近的等效应力值比较大，距离岩石破碎区越远，应力值相应的减小。平底钻头、AKTM钻头在破碎第一层岩石时，与钻头旋转切向力同向一侧的扇形块前边缘金刚石应力值较大，随着钻进的进行，应力值趋于一致，齿轮钻头唇面上的应力一直比较平均。

孕镶金刚石钻头的端部形状设计是钻头结构设计的重要内容，设计是否合理，一般采用钻进试验的方法加以论证。通过采用有限元数值模拟技术，模拟了平底钻头、齿轮钻头、AKTM钻头在相同钻进条件下钻进岩石的情况，得出的结论对孕镶金刚石钻头设计具有重要意义。野外钻进试验表明，钻进结果与模拟结果相吻合，因此，可以运用数值模拟技术指导钻头的设计，降低钻头的研发成本与试验周期。