异形齿切削破碎页岩的试验与数值模拟研究

针对PDC钻头在页岩气钻井中破岩效率低和寿命短的问题，开展异形齿切削破碎页岩机理研究。选用凹面齿、斧形齿、三棱齿等典型异形齿开展切削页岩过程、切削载荷的试验研究，利用数值模拟分析异形齿切削过程中岩石的损伤特性。试验结果表明：切削齿切削页岩过程中，出现了镜面和“卷屑”等硬塑性特征；凹面齿切削载荷和破岩比功小于其他齿型；平面齿和三棱齿随着前倾角的增加，切削载荷呈增大趋势；凹面齿和斧形齿对前倾角的变化不敏感，且凹面齿在前倾角为10°时破岩效果最好；在相同条件下，4种齿型中凹面齿形成的岩屑最大，利于破岩效率的提高。模拟结果表明：切削过程中凹面齿以“铲削”的方式破碎岩石，三棱齿和斧形齿的棱脊对岩石产生明显的挤压效果；三棱齿沿着棱脊将岩屑一分为二向两侧排出，而斧形齿在块体岩屑的中间部分形成了明显的塑性变形。研究结果可为页岩气钻井提速增效提供基础支撑。