锥形PDC齿侵入—切削联合作用下破岩参数优化研究

来源：石油科学通报杂志2025年第6期北京时间：

作者：熊超, 何森林, 黄中伟, 史怀忠, 冯枭, 杨子轩

单位：1 深层地热富集机理与高效开发全国重点实验室， 北京 102249 2 中国石油大学(北京)高端油气装备智能设计与制造研究中心， 北京 102249 3 中国石油集团工程技术研究院有限公司， 北京 102206

摘要：锥形聚晶金刚石复合片(PDC)齿凭借其优异的抗冲击性能、耐磨损特性及高效破岩能力，在深部硬岩地层钻井中展现出显著优势。为进一步提升其在深部硬岩条件下的破岩效率，需对锥形PDC齿的破岩参数进行系统优化。本文针对实际钻井过程中切削齿的侵入—切削联合破岩过程，建立了锥形PDC齿破碎花岗岩数值计算模型，并设计了正交试验方案开展数值模拟。基于正交试验结果，采用逐步回归法对切削力、侵入能力及破岩比能等关键破岩指标进行拟合分析，进而运用非支配排序遗传算法的多目标优化方法，对锥形PDC齿的几何参数(齿直径、锥顶角、锥顶半径)及工作参数(齿倾角、钻压)进行优化优选。研究结果表明：在本文设定的研究条件下，齿直径16 mm、锥顶角60°、锥顶半径1 mm为锥形PDC齿的最优几何参数组合，齿倾角36°、钻压925.65 N为其最优工作参数配置，优化后破岩比能较初始组合降低了10.99%。本研究可为锥形齿PDC钻头的优化设计提供理论依据与实践指导。

关键词：锥形PDC齿,侵入—切削破岩,花岗岩,数值模拟,参数优化

基金资助：国家自然科学基金项目:PDC钻头锥形齿与平面齿协同破碎深部硬岩机理研究(52304014);中国石油天然气集团有限公司科学研究与技术开发项目课题：PDC钻头人工智能设计和参数优化方法研究(2022DQ0410)