Finite-element simulation of PDC drill bit’s operational stress-strain state

Abstract

Наведено результати скінчено-елементного моделювання напружено-деформованого стану доліт ріжучо-стираючої дії (PDC) під час їхньої експлуатації з метою визначення ділянок долота, де є найбільші напруження і деформації з метою вироблення подальших рекомендацій для удосконалення технології виготовлення долота. Визначення деформацій, які виникають під час експлуатації, має важливе значення, оскільки втрата долотом зовнішнього діаметру є однією із причин виходу з ладу долота. Виконане моделювання роботи долота із суцільним корпусом та із привареними лопатями. Під час скінчено-елементного дослідження засобами AnsysWorkBench (академічна ліцензія) встановлено, що як для суцільних, так і для доліт із привареними лопатями найбільші напруження спостерігаються в момент врізання долота у породу. Для всіх типів доліт ділянками із найбільшими напруженнями є нарізеві ділянки. Для доліт із привареними лопатями такими ділянками є і ділянки зварних швів. При цьому, деформації, що виникають в області зварних швів, є причиною втратою долотом діаметра, що є основним експлуатаційним показником роботи долота. Розглянуто залежність деформацій та напружень у цих ділянках від товщини зварного шва. Таким чином, зроблено висновок про те, що долота із привареними лопатями є більш схильними до втрати діаметра, тобто мають гірші показники експлуатації, що висуває певні вимоги до удосконалення технології виготовлення доліт такого типу. Запропоновано зменшення товщини зварного шва. Виконано скінчено-елементне дослідження експлуатації доліт із зварними швами у 5, 7 і 10 мм. Встановлено, що рівень напружень і деформацій, що виникають під час експлуатації, залежить від товщини шва: зменшення товщини зварного шва викликає зменшення напружень і деформацій.

The article presents finite-element simulation results of the PDC drill bit’s operational stress- strain state in order to determine the most stressed and deformed areas in drill bit’s operation. Operational stress- strain state of drill bit definition is important because external diameter of the drill bit is the main operation parameter; and drill bit external diameter decreasing is a cause of drill bit failure. There were simulated operations of PDC drill bit with welded blades and a solid drill bit. The authors used the Ansys Workbench (academic license version) to specify the biggest deformation areas. They are the welding joint areas and thread area. The authors considered the dependence of stresses and strains in these areas on the thickness of a welding joint. We can conclude that bits with welded blades are more prone to external diameter deformation; they have worse performance. This fact stipulates requirements for technology improvement of manufacturing these types of bits.