超声波辅助PDC切削齿振动破岩仿真分析 |
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引用本文: | 赵研,张丛珊,高科,张增增,赵大军,李家晟,吕晓姝,平天才. 超声波辅助PDC切削齿振动破岩仿真分析[J]. 探矿工程, 2021, 48(4): 11-20 |
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作者姓名: | 赵研 张丛珊 高科 张增增 赵大军 李家晟 吕晓姝 平天才 |
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作者单位: | 吉林大学建设工程学院,吉林 长春 130026;自然资源部复杂条件钻采技术重点实验室,吉林 长春 130026,吉林大学建设工程学院,吉林 长春 130026;自然资源部复杂条件钻采技术重点实验室,吉林 长春 130026,吉林大学建设工程学院,吉林 长春 130026;自然资源部复杂条件钻采技术重点实验室,吉林 长春 130026,吉林大学建设工程学院,吉林 长春 130026;自然资源部复杂条件钻采技术重点实验室,吉林 长春 130026,吉林大学建设工程学院,吉林 长春 130026;自然资源部复杂条件钻采技术重点实验室,吉林 长春 130026,吉林大学建设工程学院,吉林 长春 130026;自然资源部复杂条件钻采技术重点实验室,吉林 长春 130026,吉林大学建设工程学院,吉林 长春 130026;自然资源部复杂条件钻采技术重点实验室,吉林 长春 130026;阿尔托大学工程学院,芬兰 埃斯波 00076,泸西县自然资源局,云南 红河州 652400 |
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基金项目: | 国家自然科学基金资助项目“具有优化自锐自修复性能的仿生钻头材料的新理论及设计”(编号:41972324);国家重点研发计划项目子任务“仿生耦合双钻头自平衡钻具系统研究”(编号:2018YFC0808201-4) |
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摘 要: | PDC钻头在软至中硬地层钻进时具有钻速高、使用寿命长、设计灵活等显著优点,在钻井领域中的需求量逐年增加。而超声波钻进作为一种新型碎岩技术,由于在钻进过程中具有穿透能力强、钻进效率高等优点而获得了广泛关注。以超声波振动辅助PDC钻头破岩有望取得良好的钻进效果。为此,基于线型Drucker-Prager模型,利用ABAQUS软件建立了超声波辅助PDC钻进振动切削岩石的二维有限元模型,分析了不同超声波振动频率下PDC钻进破岩比功和切削力的变化规律,比较了超声波振动切削与常规切削岩屑形成过程的差异。研究结果表明,当激励频率从20 kHz至40 kHz增长的过程中,破岩比功与平均切削力都呈现先减少后增加的变化趋势,即存在一个最优频率位于25~30 kHz间,使破岩比功最小,钻进效率最高;超声波辅助振动切削的破岩方式与常规切削的塑性破坏不同,主要以脆性破坏为主,其切屑形成过程共分为4个阶段,且切削力保持为零的阶段较常规切削更为明显;当激励频率接近岩石固有频率时,超声波振动切削的平均切削力较常规切削小20.5%,并更易产生大块岩屑,使岩石产生更多体积破碎,从而提高破岩效率。
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关 键 词: | PDC齿 超声波钻进 切削力 有限元 ABAQUS |
收稿时间: | 2020-09-08 |
修稿时间: | 2020-09-14 |
Rock breaking simulation analysis for the ultrasonic vibration-assisted PDC cutter |
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Abstract: | |
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Keywords: | PDC cutter ultrasonic drilling cutting force finite element ABAQUS |
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