岩土力学 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (8): 2432-2444.doi: 10.16285/j.rsm.2022.1391
熊超1, 2,黄中伟2,王立超3,史怀忠2,赫文豪2,陈振良2,李根生2
XIONG Chao1, 2, HUANG Zhong-wei2, WANG Li-chao3, SHI Huai-zhong2, HE Wen-hao2, CHEN Zhen-liang2, LI Gen-sheng2
摘要: 锥形聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)齿是一种具有较强抗冲击性和耐磨性的新型PDC齿,在坚硬、强研磨性和软硬交错地层中取得了非常好的钻井提速效果。为了揭示锥形齿破碎硬岩机制,开展锥形齿破碎花岗岩试验与数值模拟研究,分析了切削深度和前倾角对锥形齿切削力和破岩比能的影响规律,采用高速摄像机和透明K9玻璃观测了锥形齿作用下岩屑形成过程及微裂纹萌生与扩展过程,通过数值模拟分析了破岩过程中岩石应力响应与损伤演化特性,结合对切削槽和大尺寸块体岩屑表面形貌及断口微观特征分析,建立了锥形齿破碎花岗岩机制模型。结果表明,锥形齿破碎花岗岩的过程可以分为挤压成核和块体崩裂两个阶段,前倾角对岩石破碎过程影响较小,切削深度的影响显著;锥形齿周围的裂纹主要由压实核、纵向裂纹和横向裂纹组成,纵向裂纹和横向裂纹扩展的最大深度分别为切削深度的6.69倍和4.53倍;齿尖周围压应力集中,岩石发生压剪破坏,压应力区外围形成弧形条带状拉应力区,并在齿尖及压应力区边界处诱导出拉伸微裂纹;微裂纹向齿前扩展形成弧形拉伸主裂纹,发生块体岩屑崩裂,提高破岩效率,向岩石内部扩展劣化岩石强度,形成底部损伤区,提高后续破岩效率。
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[1] | 王洪建, 崔炎宗, 袁广祥, 赵菲, 张翼宇, 黄志全. 基于单轴压缩试验的不同风化程度花岗岩分形特征分析[J]. 岩土力学, 2023, 44(8): 2249-2265. |
[2] | 王春, 胡慢谷, 王成, . 热−水−力作用下圆孔花岗岩的动态损伤特征及结构模型[J]. 岩土力学, 2023, 44(3): 741-756. |
[3] | 舒荣军, 孔令伟, 周振华, 简涛, 李甜果, . 卸荷-增孔压条件下花岗岩残积土的力学特性[J]. 岩土力学, 2023, 44(2): 473-482. |
[4] | 汤华, 严松, 杨兴洪, 吴振君, . 差异含水率下全风化混合花岗岩抗剪强度 与微观结构试验研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(S1): 55-66. |
[5] | 汪洋, 陈文化. 基于裂隙形状函数的自然环境高温下花岗岩 裂隙尖部非线性温度场[J]. 岩土力学, 2022, 43(S1): 267-274. |
[6] | 胡训健, 卞康, 刘建, 谢正勇, 陈明, 李冰洋, 岑越, . 离散裂隙网络对岩石力学性质和声发射特性 影响的颗粒流分析[J]. 岩土力学, 2022, 43(S1): 542-552. |
[7] | 汤连生, 王昊, 孙银磊, 刘其鑫, . 干湿过程中花岗岩残积土抗拉强度变化研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(7): 1749-1760. |
[8] | 王刚, 宋磊博, 刘夕奇, 包春燕, 吝曼卿, 刘广建, . 非贯通节理花岗岩剪切断裂力学特性及 声发射特征研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(6): 1533-1545. |
[9] | 朱旻, 陈湘生, 张国涛, 庞小朝, 苏栋, 刘继强, . 花岗岩残积土硬化土模型参数反演及工程应用[J]. 岩土力学, 2022, 43(4): 1061-1072. |
[10] | 周辉, 徐福通, 卢景景, 高阳, 肖建成, . 切槽对TBM刀具破岩机制的影响研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(3): 625-634. |
[11] | 薛卉, 舒彪, 陈君洁, 路伟, 胡永鹏, 王益民, 曾凡, 黄若宸, . 高温高压下超临界二氧化碳作用对花岗岩 力学性质影响的试验研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(2): 377-384. |
[12] | 李艳, 程禹翰, 翟越, 魏盛宇, 杨宇冰, 赵瑞峰, 梁文彪, . 高温后花岗岩微观结构演化特性与 动态力学性能研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(12): 3316-3326. |
[13] | 肖建成, 卢景景, 周辉, 徐福通, 冯春, . 贯入角度对截齿破岩性能与几何排布的影响研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(12): 3372-3384. |
[14] | 徐鼎平, 郭广涛, 夏跃林, 柳秀洋, 江权, 李邵军, 李治国, . 高应力强卸荷下双江口花岗岩岩爆中间 主应力效应宏细观试验研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(9): 2375-2386. |
[15] | 蔡灿, 张沛, 孙明光, 杨迎新, 谢松, 蒲治成, 杨显鹏, 高超, 谭政博, . 油气钻井中的分离式冲击−切削复合破岩机制研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(9): 2535-2544. |
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