锚杆PDC钻头主要几何参数的研究
PDC钻头的特点与合理使用的探讨
174PDC钻头代表了钻头的一个新的发展阶段。
这种钻头通过破碎岩石作用钻进岩石。
安全系数高，风险低。
金刚石复合片为聚晶片，后约1/32in，镶嵌在已植入钻头本体预先所钻的洞内的碳化物金属块里。
1 PDC钻头的结构PDC钻头结构有钢体与胎体两种类型，其中胎体钻头的材料为铸造碳化钨粉，经烧结制成钻头，在烧结时钻头工作面留下窝槽，然后再在窝槽上直接焊接复合片。
钢体钻头的材料为整块合金钢经机械加工铸成，然后在碳化钨齿柱上将复合片制成切削齿，并将切削齿镶嵌在钻头体上，保径部位也是将金刚石块或其他耐磨性材料镶嵌在钻头体上，为防止冲蚀，可在钻头工作面上喷涂一层耐磨材料。
PDC钻头工作面的几何形状其对钻头的稳定性、井底清洗、钻头磨损及钻头各部荷载的分布都有明显的影响。
钻头工作面性状有五个基本要素，包括顶部、内锥、肩部、侧面与保径。
2 PDC钻头的工作原理PDC钻头实际上就是微型切削片刮刀钻头，所以PDC 钻头的工作原理基本与刮刀钻头的基本相同，在软至中硬的地层中钻头通过剪切方式将岩石破碎，在较小的钻压下就能够完成高机械钻速。
由于聚晶金刚石层极薄（1mm）左右、极硬，且比碳化钨衬底的耐磨性高100倍以上，因此在切削岩石过程中刃口能保持自锐。
3 PDC钻头的特点PDC钻头特点主要有以下几个方面：即没有活动的零件，切削钻用能力强，钻头有较长的使用寿命，和比其它类型钻头相比较其机械钻速和抗冲击性更高，最适合于井下动力钻井。
获得极高的机械钻速，与牙轮钻头相比，PDC钻头本身没有活动件，可防止掉牙轮等井下事故与复杂情况的发生。
4 PDC钻头适用性PDC钻头主要在软至中硬地层中比较适用，地层有适度的研磨性，PDC钻头在砾石、燧石及大段不均质地层中应该避免使用。
同时根据地层的具体情况要选择合适的PDC钻头，当遇到硬且脆的地层则要选择布齿密度大、切削齿初刃小的钻头类型；遇到软土地层则需要选择布局密度小、切削齿初刃大的钻头，增加钻头的吃入深度以及有助于井底清洗，防止钻头泥包。
pdc钻头参数
pdc钻头参数
PDC钻头参数及其应用
PDC钻头是一种高效的钻井工具，它的参数对于钻井效率和钻井质量有着重要的影响。
本文将介绍PDC钻头的参数及其应用。
1. 刀翼数量
刀翼数量是指PDC钻头上的刀翼数量，一般为3-8个。
刀翼数量越多，钻头的稳定性越好，但是也会增加钻头的阻力和摩擦力，降低钻井效率。
因此，在选择刀翼数量时需要根据具体的钻井条件进行权衡。
2. 刀翼形状
刀翼形状是指PDC钻头上刀翼的形状，常见的有平面、凸面、凹面等形状。
不同形状的刀翼适用于不同的地层，平面刀翼适用于软岩和泥岩，凸面刀翼适用于中硬岩石，凹面刀翼适用于硬岩石。
3. 刀翼角度
刀翼角度是指PDC钻头上刀翼与钻头轴线的夹角，一般为30-60度。
刀翼角度越大，切削力越大，但是也会增加钻头的阻力和摩擦力，降低钻井效率。
因此，在选择刀翼角度时需要根据具体的钻井条件进行权衡。
4. 刀翼间距
刀翼间距是指PDC钻头上相邻刀翼之间的距离，一般为10-20mm。
刀翼间距越小，钻头的稳定性越好，但是也会增加钻头的阻力和摩擦力，降低钻井效率。
因此，在选择刀翼间距时需要根据具体的钻井条件进行权衡。
5. 钻头直径
钻头直径是指PDC钻头的直径，一般为75-215mm。
钻头直径越大，钻井效率越高，但是也会增加钻头的阻力和摩擦力，降低钻井效率。
因此，在选择钻头直径时需要根据具体的钻井条件进行权衡。
PDC钻头的参数对于钻井效率和钻井质量有着重要的影响，需要根据具体的钻井条件进行选择和调整。
pdc钻头
PDC钻头1. 简介PDC钻头是一种常用于石油钻井的钻探工具。
PDC钻头由多个聚晶体金刚石（Polycrystalline Diamond Compact）切削元件组成，被广泛应用于地层钻探、岩石切割和石油开采中。
本文将介绍PDC钻头的结构、原理以及应用领域。
2. 结构PDC钻头主要由刀翼、钻头体和连接部分组成。
2.1 刀翼刀翼是PDC钻头的重要组成部分，通常由金刚石切削元件制成。
刀翼的数量、形状和布局对钻头的钻井性能和钻孔质量起着重要作用。
刀翼一般采用均匀分布的方式，以保证钻头在钻井过程中的均匀磨损。
2.2 钻头体钻头体是连接刀翼和连接部分的主要结构，通常由钢铁材料制成。
钻头体的设计需要考虑到钻井环境、井眼尺寸和钻头的稳定性等因素。
钻头体一般具有良好的强度和刚度，以确保钻头在高强度的钻井过程中不会发生变形或破损。
2.3 连接部分连接部分是将钻头与钻杆连接在一起的部分，通常采用标准的API连接方式。
连接部分需要具有良好的密封性和承载能力，以确保钻头和钻杆之间的传递力矩和转速。
3. 原理PDC钻头通过刀翼上的金刚石切削元件对地层进行切削和磨损，从而实现钻井的目的。
PDC钻头利用金刚石的高硬度和强大的切削能力，能够在岩石中快速切削并形成孔道。
PDC钻头的切削原理主要有两种：剪切和破碎。
3.1 剪切剪切是PDC钻头常用的切削方式之一。
当PDC钻头旋转时，刀翼上的金刚石切削元件与地层接触，通过相对运动切削地层。
金刚石的高硬度和切削元件的锋利边缘使得PDC钻头能够在地层中形成清晰而平滑的孔道。
3.2 破碎破碎是PDC钻头另一种常用的切削方式。
当地层硬度较高时，剪切切削效果可能不佳。
此时，PDC钻头通过施加较大的冲击力将地层破碎，进而形成孔道。
4. 应用领域PDC钻头广泛应用于石油、天然气和水井钻探领域。
其高效的切削能力和稳定的性能使其成为钻井操作中的重要工具。
4.1 石油钻井在石油钻井中，PDC钻头常用于垂直井、水平井和定向井的钻铤作业。
PDC钻头
PDC钻头一、产品特点金刚石复合片（PDC）是在高温条件下，由人造金刚石与硬质合金一次性合成的特殊超硬材料，它不但具有金刚石硬度高、耐磨等优点，同时还具备了硬质合金抗冲击性强、出刃大等特点，用它做钻头的刀翼可大大提高钻头的工作效率，是钻进中硬岩层和坚硬岩层的理想钻头。
本系列金刚石PDC钻头，托体采用优质钢材煅压成型，经过真空全自动热处理设备进行增加机械性能处理。
普通型采用国内优质复合片做刀翼，超强型采用美国GE公司生产的刀片，根据地质条件的不同选用相应的质量等级，可达到更高的产品性价比，达到节能高效的经济指标。
高强型金刚石钻头刀翼采用最新研制的球型金刚石刀片，特点是钻进速度快，抗冲击能力强。
当钻头钻进时，唇边用于正常均匀地层岩石的刮削，突出部分可以抑制钻头钻进过程中遇到缝隙时瞬间大幅度进尺，大大降低了钻头的意外损坏，提高了应对复杂岩层的钻进水平。
本公司生产的金刚石钻头遍布全国煤田、石油钻探、地质勘探、水利水电、铁路公路、隧道建设等行业。
两翼PDC锚杆钻头（半片标准型）适应岩层八级以下，在同等岩层条件下钻进寿命是普通合金钻头的10-30倍，效率至少提高60%以上，不需修磨，大大降低工人的劳动强度，节约工时。
两翼PDC锚杆钻头（半片加强型）刀翼关键原材料由美国GE公司生产，其金刚石含量是普通钻头的1.5倍，耐磨性极好，效率显著提高，综合成本降低，适应12级以下中硬岩层。
二、产品参数最佳适应岩层参数表：行号类型适应岩层1 普通PDC钻头F<10的软—中硬岩2 加强PDC钻头F=10－12的中硬岩3 高强PDC钻头F<18的硬岩金刚石复合片（PDC）钻头钻进规程建议参数表：行号规格mm 钻进规程参数钻压（Kg）转速（rpm）泵量（1╱min）1 Ф28 300—700 300—350 150—2002 Ф30 300—700 300—350 150—2003 Φ32 300—700 300—350 150—2004 Φ48 300—700 300—350 120—1605 Φ56 320—800 250—350 130—1806 Φ75 480—1200 200—300 150—2007 Φ94 640—1600 150—250 200—2508 Φ110 880—2200 120—200 200—3009 Φ152 1500—3000 100—200 500—85010 Φ190 1800—4000 100—200 600—120011 Φ230 2200—4500 100—200 750—140012 Φ270 2400－5000 100—200 1000－1500三、产品说明1、正常作业时，严禁突然反转改变运行方向，以防止复合片钻头脱落。
PDC钻头破岩原理及钻井参数选择探讨
摘 要本文针对PDC 钻头关键设计参数研究相对滞后、缺少一定的规律性、设计者常常根据经验或类比于其它钻头设计的现状，通过室内实验和数值模拟相结合的方法研冠了部剖面形状、后倾角度、切削齿尺寸、布齿密度、内锥角度、内外锥高度及冠顶位置等关键设计参数对PDC 钻头的影响规律。
研究结果表明：①在破岩效率上，切削齿尺寸与地层硬度成反比。
即在d k 值小于3.48的地层中，直径为19.05mm 的切削齿宜获得较高的机械钻速；d k 值在4.6～5.78的地层中，直径为16.10mm 的切削齿宜获得较高的机械钻速；②在d k 值小于3.48的地层中采用10°～15°后倾角，d k 值在d k =3．48～5.78的地层中采用15°～20°后倾角可明显提高钻进速度；③布齿密度与钻速成反比；④在d k 值小于3．48的地层中采用“直线-圆弧-直线”型剖面易获得较高的机械钻，d k 值在3.48～4.6的地层中采用“直线-圆弧-圆弧”型剖面易获得较高的机械钻速；⑤深内设计可提高钻头稳定性和切削齿寿命；内锥角在90°-160°范围变化时，随角度的增大，在钻压作用下，钻头冠部受力趋向均匀，扭矩对钻头内锥受力影响变化不明显；⑥高外锥设计可有效提高钻速；外锥角在25°～45°变化时，随角度的增大，外锥受力逐渐增大，钻压和扭矩对外锥影响明显；⑦冠顶半径与钻头半径之比设计为0.64时，钻头冠部应力集中现象明显降低。
本文的研究成果对PDC 钻头个性化设计有一定指导意义。
关键词：PDC 钻头；设计参数；破岩效率；钻头保径AbstractIn view of the research of PDC key parameter relative lag，little certain regularity and the designs often depending on experience or analogy to others，the author has studied a series of key parameters that impact on PDC drill bit through the laboratory experiment and the numerical simulation，such as the shape of crown,degree of back rake angle，the cogging size，the tooth density,the degree of inner cone，the height of inner/outer cone and the position of crown．The results of study show that：(1)The cogging size is in inverse proportion to formation hardness on broken rockk is less than 3．48，and the diameter of cogging isl 9.05mm，efficiency．When thedIt should obtain higher drilling rate．Also the drilling rate will be higher whenk isd3.48～5.78，and the diameter is 16.10mm．(2)The drilling rote can increase if the backk is less than 3.48，Also it will be higher rake angle is between 10°and 15°whendwhen the back rake angle is 15°and 20°andk is 3.48～5.78．(3)The cogging density isdin inverse proportion to the drilling speed．(4)Higher drilling speed can be got through the“straight line—arc-straight line”section whenk is less than 3.5．And it also can bedgot through“straight line-arc-arc'’section whenk is between 3.48～4.6．(5)The designdof deep inner cone can improve bit stability and cogging life．When the degree of inner cone changes in 90°～160°，the force of crown tends to evenly under the function of drill pressure with the degree of inner cone increasing，also the torque is not obvious to the force of the crown (6)The design of high outer gone may enhance drill rate effectively．The stress of outer cone increases gradually with the angle longer and longer,simultaneity the bit pressure and the torque are obvious to the outer cone when the outer cone changes from 25°to 45° (7)When the ratio of crown radius and bit radius is 0.64，the centralized phenomenon of stress of crown is obviously reduced．The research results have certain directive significance to individualized design of PDC bit．Key words：PDC bit；Design parameter；Rock breaking efficiency；Drill gage目录第1章前言 (1)1.1研究的目的及意义 (1)1.2国内外研究现状及存在的主要问题 (2)1.3论文主要研究内容 (4)第2章实验钻头设计 (5)2.1冠部剖面形状设计 (5)2.2切削齿尺寸设计 (10)2.3切削齿工作角度选择 (10)2.4布齿密度设计 (11)2.5切削齿布齿方式设计 (13)第3章室内钻进实验结果分析 (16)3.1切削齿尺寸对钻头破岩效率的影响规律 (16)3.2布齿密度对钻头破岩效率的影晌规律 (19)3.3冠部剖面形状对钻头破岩效率的影响规律 (21)第4章钻头保径技术研究 (23)4.1钻头保径技术的研究概况 (23)4.2保径器的分类 (27)结论 (34)参考文献 (35)致谢 (36)第1章前言1.1 研究的目的及意义钻头做为钻进过程中主要的岩石破碎工具，其质量的优劣、与岩性和其它钻井工艺条件是否适应，将直接影响钻井速度、钻井质量和钻井成本。
PDC钻头设计与优选技术
PDC钻头设计与优选技术PDC钻头的设计包括刀体结构设计和PCD片设计两个方面。
刀体结构设计是指设计钻头的外形和内部通道结构，以适应不同的钻井条件和作业需求。
常见的刀体结构包括梯形刀体结构、平底刀体结构和球形刀体结构等。
梯形刀体结构适用于软、中等硬度的岩石，平底刀体结构适用于硬岩和石英等非均质岩石，而球形刀体结构适用于软岩、泥质岩石等易堵塞的地层。
此外，刀体结构还需要考虑通道设计，以确保冷却液和岩屑能够顺利地通过钻头。
PCD片设计是指设计金刚石颗粒的形状、分布和固化方式，以获得更好的切削性能和使用寿命。
常见的PCD片形状包括圆形、矩形和三角形等。
圆形PCD片适用于软岩和泥质岩石，矩形PCD片适用于中等硬度的岩石，而三角形PCD片适用于硬岩和石英等非均质岩石。
此外，PCD片的分布也需要考虑，通常采用均匀分布或者密集分布的方式，以提高整体的切削效果和使用寿命。
固化方式决定了PCD片与刀体之间的结合强度，一般采用高温高压、高温低压和超高压等方式，确保PCD片能够牢固地固定在刀体上。
PDC钻头的优选技术主要是根据不同的地质条件和作业需求来选择最合适的钻头参数。
一般来说，硬度大、磨损大的地层适合选用具有较多PCD片且PDC钻头刃磨度较强的钻头；而软、破碎易塌方的地层则适合选用刃磨度较低的钻头。
此外，还需要考虑钻头的速度和压力等参数，不同的地层压力和速度对切削效果和钻井效率都有影响。
因此，根据具体的地质条件和作业需求，通过试验和模拟分析等方法来选择最合适的钻头参数，可以提高钻井效率和降低成本。
总之，PDC钻头的设计和优选技术是提高钻井效率和保证钻孔质量的关键。
通过合理的刀体结构设计和PCD片设计，可以获取更好的切削性能和使用寿命。
根据不同的地质条件和作业需求来选择最合适的钻头参数，可以提高钻井效率和降低成本。
随着石油工程和地质勘探等行业的不断发展，PDC钻头的设计和优选技术也将不断完善和创新。
pdc钻头的原理与应用
PDC钻头的原理与应用1. 简介PDC钻头是一种新型的刀具，它采用多个聚晶金刚石（Polycrystalline Diamond Compact，PDC）片嵌入钢体基体制成，广泛用于石油勘探和开发领域。
本文将介绍PDC钻头的原理和应用。
2. PDC钻头的原理PDC钻头的原理是将多个聚晶金刚石片嵌入钢体基体制成，利用聚晶金刚石的高硬度和耐磨性，以及钢体基体的韧性和强度，实现高效的钻井作业。
PDC钻头的原理主要包括以下几个方面：2.1 聚晶金刚石片PDC钻头采用的聚晶金刚石片由多个金刚石颗粒和金属结合剂组成，具有高硬度、耐磨性好等特点。
聚晶金刚石片通过特定的制备工艺，使得每个金刚石颗粒都与周围的颗粒紧密结合，形成一个整体。
2.2 钢体基体钢体基体是PDC钻头的主体部分，它由高强度的钢材制成。
钢体基体承载着聚晶金刚石片，并且通过特定的工艺将聚晶金刚石片与钢体基体紧密结合，形成一个整体结构。
钢体基体具有良好的韧性和强度，能够有效地传递钻井力，同时保护聚晶金刚石片。
2.3 刀具形态PDC钻头的刀具形态通常有平面PDC钻头、锥度PDC钻头和斜面PDC钻头等。
不同形态的刀具适用于不同的地质条件和钻井需求。
例如，平面PDC钻头适用于较硬的地质层，而锥度PDC钻头适用于软、粉状的地质层。
2.4 作用原理PDC钻头在钻井作业中，通过旋转和下压力来完成钻井作业。
当PDC钻头旋转时，聚晶金刚石片切削岩石，同时钢体基体提供支撑和切削力。
通过连续的旋转和下压力，PDC钻头可以持续地切削岩石，实现高效的钻井作业。
3. PDC钻头的应用PDC钻头由于其优良的性能，在石油勘探和开发领域得到了广泛的应用。
主要应用于以下几个方面：3.1 石油勘探PDC钻头可以在石油勘探中使用，用于钻取各种类型的地层。
由于其高硬度和耐磨性，PDC钻头可以有效地切削各种岩石，包括硬质岩石和软质岩石。
在石油勘探中，PDC钻头可以提高钻探的效率，减少钻井时间，降低勘探成本。
PDC 钻头的钻井参数模式及应用
PDC 钻头的钻井参数模式及应用摘要: 分析PDC 钻头的特性及其机械钻速与钻压和转速间的关系,认为钻压和转速有最佳参数组合;选择的使用参数,既要有利于保护钻头又要提高机械钻速,且在其推荐参数范围内。
在钻头清洗和冷却充分的情况下,PDC 钻头的工作参数范围应该是一个连续区间,并且,随着转速的增大,允许施加的最大钻压变小。
PDC 钻头的钻井参数模式除“高转速- 低钻压”模式外,还有“低转速- 高钻压和“中转速- 中钻压”模式。
“低转速- 高钻压”模式主要适用于钻进中硬到硬地层。
在毛坝1 井中,成功应用了PDC 钻头的“低转速- 高钻压”钻井参数模式,其效果优于相邻井段复合钻进的效果。
关键词: PDC 钻头; 钻井参数; 模式; 应用; 分析钻压和转速与PDC 钻头的机械钻速间的关系在钻进过程中,钻头牙齿在钻压作用下吃入地层、破碎岩石,钻压的大小决定了牙齿吃入岩石的深度和岩石破碎体积的大小,因此钻压是影响钻速的最直接和最显著的因素之一。
钻压与钻速表示为υpc∝( W - M)式中:υpc ─钻速,m/ h ;W ─钻压,kN ;M ─门限钻压,kN。
机械钻速与转速的关系为指数关系,且指数一般小于1。
主要原因是岩石破碎的时间效应,即随转速提高,钻头的切削齿接触岩石的时间缩短,从而引起吃入深度减少。
用如下形式表示:υpc∝nλ式中: n ─转速, r/ min ;λ─转速指数,一般小于1。
PDC 钻头的现场使用效果证明,在不同的地层中,PDC 钻头的钻压和转速存在最佳参数组合,一般通过试钻法求得。
(1) 随钻压的增大,吃入深度逐渐增大,但不是完全成正比的;对PDC 钻头而言,随吃入深度增大,接触弧长逐渐增长,接触面积逐渐增大,因此增加单位吃入深度所需增加的钻压也越多。
即随钻压的增大,吃入深度的增量是逐渐减小的,对钻速的影响是逐渐减小的。
当钻压增到一定程度,随钻压的增加,机械钻速变化很小。
当然清洗对其关系也有一定影响,一般是在钻速增大到井底净化不够充分时。
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式中
j=1
nd— ——设计组数； φ（j）— ——与第 j 组设计相关的权重； f （j）— ——第 j 组设计对应的有限元计算值； f^ （j） — ——第 j 组设计对应的近似值。
Σ Σ Σ
ΣΣ ≤ Σ Σ
ΣΣ Σ
minf（X）=f（x1，x2，…，xn）
按最小二乘原理， 未知量应使得 E2 取极小值，
②侧转角的优化结果 侧转角对钻头的切削性能有较大的影响，调整 侧转角度，可加强钻头清洗效果，提高钻进效率，合
［1］唐胜利，王永强等. 煤矿井巷用 PDC 锚杆钻头的研究［J］. 探矿工 程 ，1999 （2 ）：20-22.
LIU Xiang-dong， QU Jun-li (College of Science, Xi ’an University of Science & Technology, Xi ’an 710054, China)
Abstract: PDC cutter intensity has a higher demand because of the small diameter and unique way of placing cutting, and the working angles of the cutter have an important influence on the cutting efficiency and performance. And therefore the proper design of the cutter on the cutting angle and the side angle is very important in the design of PDC bits. Based on finite element soft ware ANSYS, the cutting angle and the side angle of the PDC cutter are optimized. Applications from different considerations, the main geometric parameters of the two separate single -parameter and two -parameter optimization analysis, obtained the optimal values under different the circumstances of its use, which provides a theoretical basis for rational design of the PDC bit. Key words: PDC bit； optimization； finite element； ANSYS
0 前言
数、约束条件与设计变量之间的关系是建立在固体
PDC 锚杆钻头的刀翼， 既有金刚石强度高、耐 力 学 和 有 限 元 理 论 基 础 上 的 复 杂 函 数 关 系 。 在
磨性好 等 优 点 ，又 具 有 硬 质 合 金 抗 冲 击 性 强 、出 刃 ANSYS 中，目标函数与约束函数均采用复杂的带有
3
图 1 锚杆 PDC 钻头 1. 复合片 2. 水眼 3. 丝扣
PDC 齿 在 空 间 的 方 向 由 以 下 3 个 方 向 参 量 确 定。 法向角 γ 指 PDC 齿的方向基准线与钻头中心线 的夹角；齿前角 α 指 PDC 齿的方向基准线与切削齿 工作平面之间的夹角；侧转角 β 指过中心点和钻头 中心线的平面与切削齿工作平面之间的夹角，如图 2 所示。 以上 3 个参数是由钻头结构确定，其中法向 角取决于钻头冠部形状和径向布置，而齿前角和侧 转角由切削齿工作角度设计确定。
了研究问题的方便，所加载荷简化为在 PDC 钻头与 岩石接触面上的切削力和正压力，且都为均匀的分 布载荷，载荷作用方向为切向和轴向。 在作有限元 计算时所用荷载为结点荷载，因此切削力和正压力 这些均匀分布的载荷需转换为等效结点荷载。 单元 结点愈多，才能愈近似地模拟实际受力情况。
切削面的形状大致有以下几种形式，如图 4 所 示。 切削面积以第一种形式最为常见，以下采用这 种模型计算。
Aα={rc2arccos（
rc-dp ／ cosα rc
）-rc（rc-
dp cosα
）×
第 31 卷第 01 期
锚杆 PDC 钻头主要几何参数的优化研究 — ——刘向东， 等
Vol.31No.01
sin[arccos( rc-dp ／ cos α ）]}cos β
（5）
rc
由 式 （5）算 出 相 应 的 切 削 面 积 ， 作 为 切 向 受 力
采用加权最小二乘法来确定式（2）中的 ai、bij 两
1 ANSYS 优化原理与优化方法
个待定系数。 即
（1）优化设计的数学模型
nd
工程设计的优化问题，可以表达为优选一组参
Σ E2= φ（j）（f （j）-f^ ） （j） 2
（3）
数，在满足所有设计要求的条件下，使其设计指标 达到最优值。 在进行工程优化设计过程中，首先是 建立优化设计的数学模型。 它包括目标函数 f（X）、 约束 条件 gj（X）、hk（X）及设计 变量 x1，x2，…，xn 三 个 方面。 其形式为
2
1
2
3
4
5
β
γ α
b
1
3
图 4 切削面形状示意图
1. 切削面积 2. 切削齿 3. 接触弧长 S
图 2 侧转角、法向角和齿前角示意图 在过去的有些文献中从破岩效果方面研究的 成果中已指出，由于各个切削齿的工作部位和切削 条件不同， 各个切削齿的齿前角和侧转角应不同，
在切削过程中，实际切削区域在切削齿工作表
σ ／ MPa
91 86 81
30 25 20 15
α ／ （°） 10 5
92
91
90
89
81.1
88
Байду номын сангаас
87
86
85
84
5
20
15
10 5 β ／ （°）
83 82 81
98
图 9 最大应力随齿前角、侧转角分布图
应力 ／ MPa
94
在对 PDC 锚杆钻头优化分析的基础上，西科钻
90
头研究所对该型号钻头进行了改进， 齿前角改为
力。 （2）建立参数化模型 用设计变量作为参数建立模型的工作是在
PREP7 中完成的。 在 PDC 钻头优化模型中，将齿前 角 α 和侧转角 β 作为设计变量。 对原始模型作适当 简化， 在 ANSYS 里建立起参数化模型， 如图 3 所 示。
1
图 3 锚杆 PDC 钻头参数化模型
2
（3）载荷处理
钻头在钻进过程中， 所受的载荷相当复杂，为
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Vol.31 No.01
锚杆 PDC 钻头主要几何参数的优化研究 — ——刘向东， 等
第 31 卷第 01 期
解此联立方程得到 ai，bij，由此可确定目标函数 及约束函数。 在此基础上，通过各种优化算法，可求 出目标函数的极值。 2 PDC 锚杆钻头的主要几何参数
本文对两翼锚杆 PDC 钻头进行优化研究。 该钻 头是锚网支护中钻进中硬岩层的理想钻头，可大幅 提高在中硬及坚硬岩层的钻进效率， 刀翼耐磨、抗 冲击韧性强、刀刃不需修磨、寿命长、钻孔不缩径， 成孔质量高，极大减少了药卷和锚杆的浪费，如图 1 所示。
切削齿区域的纵向高度 dp；切削面积 Aα 是指与岩石 接触的切削齿区域的面积。 当半径为 rc、 齿前角为 α、侧 转角 为 β、切 削 深 度 为 dp 时 ，切 削 齿 的 切 削 面 积
和超弹性问题。 用这个单元求解的输出结果包括节
点位移。 另外，输出结果还包括 x，y，z 向正应力和应 30
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并赋值给相应的参数。 这些参数一般为状态变量和 目标函数。 对于锚杆 PDC 钻头，其最大应力是目标 函数。
（5）优化分析及优化结果 进入优化处理器， 这里将齿前角 α 和侧转角 β 作为设计变量，最大应力 σmax 最小为目标函数，确定 各参数的变化范围，以交互方式分析产生的 LOG 文 件作为基础，删除多余命令形成分析文件。 选用相 应的优化方法，执行优化分析。 ①齿前角的优化结果 齿前角决定切削齿钻进性能，对齿前角的优化 分析十分重要。 这里考虑在侧转角 β＝10°的情况下， 从强度方面考虑，对齿前角优化分析。 根据计算结 果，列出了目标函数与设计变量迭代历程如图 6 所 示。
s.t.gj（x1，x2，…，xn）≤0 j=1，2，…，m
由极值原理可求得未知量的正则方程组 （1）
hk（x1，x2，…，xn）=0 k=1，2，…，1
（2）ANSYS 的优化原理 基于有限元法的结构优化设计问题，其目标函
Σ Σ
坠E2
Σ
=0
坠a Σ
ΣΣ
i
Σ
Σ Σ
坠E2
Σ
坠b ΣΣ
Σ ij
=0
（4）
大等特点，该类型钻头是锚网支护中钻进中硬岩层 交叉项的完全二次形式的曲面拟合方程。 形式为
的理想钻头。 本文从研究 PDC 锚杆钻头强度方面考
n
nn
虑， 利用 ANSYS 软件对 PDC 钻头的主要几何参数
Σ ΣΣ f^ =a0+ ai xi+
bij xi xj
（2）
i=1
i=1 j=1
进行了优化研究。
关键词: 锚杆钻头； 优化研究； 有限元； ANSYS 中图分类号： TH113.2 文献标志码： A 文章编号： 1003 － 0794（2010）01 － 0029 － 03
Optimization Research on the Main Geometrical Parameters of PDC Anchor Bit