Numerical Simulation on Impact Crushing of Hard Rock by PDC Bit Based on Cohesive Element

Gao Feng; Shi Huaizhong; Huang Zhongwei; He Wenhao; Xiong Chao; Fu Xinkang

doi:10.12473/CPM.202501001

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Numerical Simulation on Impact Crushing of Hard Rock by PDC Bit Based on Cohesive Element

DRILLING TECHNOLOGY AND EQUIPMENT | 更新时间：2026-01-19

- Numerical Simulation on Impact Crushing of Hard Rock by PDC Bit Based on Cohesive Element
- China Petroleum Machinery Vol. 53, Issue 10, Pages: 109-114(2025)
- 作者机构：
  
  1.中石化石油工程技术服务股份有限公司
  2.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室
  3.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.12473/CPM.202501001
  CLC： TE921
- Received：01 January 2025，
  
  Revised：2025-04-25，
  
  Published：10 October 2025
- 稿件说明：
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高峰，史怀忠，黄中伟，等.基于黏聚力单元的PDC钻头冲击破碎硬岩数值模拟［J］.石油机械，2025，53（10）：109-114.

Gao Feng，Shi Huaizhong，Huang Zhongwei，et al.Numerical simulation on impact crushing of hard rock by PDC bit based on cohesive element［J］.China Petroleum Machinery，2025，53（10）：109-114.
高峰，史怀忠，黄中伟，等.基于黏聚力单元的PDC钻头冲击破碎硬岩数值模拟［J］.石油机械，2025，53（10）：109-114. DOI： 10.12473/CPM.202501001.

Gao Feng，Shi Huaizhong，Huang Zhongwei，et al.Numerical simulation on impact crushing of hard rock by PDC bit based on cohesive element［J］.China Petroleum Machinery，2025，53（10）：109-114. DOI： 10.12473/CPM.202501001.

摘要

地下深部油气储层岩石硬度较大，常规钻井方式下PDC钻头的钻进效率较低。冲击钻井对硬岩的破碎效果表现较好，但冲击作用下PDC钻头破碎硬岩的损伤机理尚不清楚。为此，基于黏聚力单元建立了PDC钻头冲击破岩数值模型，设置了常用的模型参数，模拟分析了冲击作用下岩石的裂纹演化及应力分布特征，并定量提取岩石损伤数据进行研究。研究结果发现，PDC钻头轴向冲击破岩表现出明显的阶段性，初期形成多个独立破坏区域，随着冲击能量积累最终融合形成网状损伤区，可进一步提高破岩效率。此过程中应力主要集中于齿下并呈圆弧状向外传播；不同轴向冲击频率对岩石损伤模式产生显著影响，低频冲击（10和20 Hz）导致更高的拉伸损伤占比，并促进裂纹体积增长，最终形成更深远的破坏；高频冲击（30和40 Hz）尽管初期裂纹增长较快，但受应力波衰减影响，裂纹扩展受限，甚至可能出现裂纹闭合现象。最终发现，20 Hz冲击频率下的拉伸损伤占比最高，表明该频率下破岩模式最优。研究成果可为PDC钻头冲击破岩参数优化提供借鉴。

Abstract

The rock of deep oil and gas reservoir has high hardness， and the drilling efficiency of PDC bit is low under conventional drilling mode. Impact drilling performs well in crushing hard rock， but the damage mechanism of PDC bit crushing hard rock under impact is still unclear. To address this issue， a numerical model for impact rock breaking of PDC bit was established based on cohesive element， common model parameters were set， the crack evolution and stress distribution characteristics of rock under impact were simulated and analyzed， and rock damage data were quantitatively extracted for research. The research results show that the axial impact rock breaking of PDC bit exhibits obvious stage nature. Initially， multiple independent damage zones are formed， which eventually merge into a networked damage area with the accumulation of impact energy， thereby further enhancing rock breaking efficiency. During this process， the stress is mainly concentrated beneath the cutter and propagates outward in an arc shape. Different axial impact frequencies have a significant influence on the rock damage mode： low-frequency impact （10 and 20 Hz） leads to a higher proportion of tensile damage， promotes the growth of crack volume， and ultimately forms more extensive destruction； high-frequency impact （30 and 40 Hz） leads to a faster growth of initial crack， but affected by stress wave attenuation， crack propagation is constrained， and even crack closure may occur. It is ultimately found that the 20 Hz impact frequency yields the highest proportion of tensile damage， indicating that this frequency corresponds to the optimal rock breaking mode. The research results provide reference for the optimization of impact rock breaking parameters of PDC bit.

关键词

Keywords

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温春明，吴家坤，孙新浩．多维冲击器在北疆深部硬岩地层钻井提速中的应用［J］. 工程技术研究， 2022 ， 7 ： 104 - 106 ．

WEN C M ， WU J K ， SUN X H . Application of multi-dimensional impactor in drilling speed increase in deep hard rock formation in norther Xinjiang ［J］. Engineering and Technological Research ， 2022 ， 7 ： 104 - 106 .

HARELAND G ， NYGAARD R ， YAN W ， et al . Cutting efficiency of a single PDC cutter on hard rock ［J］. Journal of Canadian Petroleum Technology ， 2009 ， 48 （ 6 ）： 60 - 65 .

李基伟，李乾，田胜雷，等．东海深部高研磨地层冲击钻井PDC齿优选研究［J］．石油机械， 2024 ， 52 （ 8 ）： 77 - 84 ．

LI J W ， LI Q ， TIAN S L ， et al . Optimization of PDC cutter for percussive drilling in deep highly⁃abrasive strata in the East China Sea Basin ［J］. China Petroleum Machinery ， 2024 ， 52 （ 8 ）： 77 - 84 .

刘永旺，李坤，管志川，等 . 差压步进钻头提高破岩速度原理及现场试验［J］. 中国石油大学学报（自然科学版）， 2024 ， 48 （ 4 ）： 101 - 108 .

GAO D L ， LIU W ， WAN X X ， et al . Study on Key Factors Influencing the ROP Improvement of PDC Bits ［J］. Petroleum Drilling Techniques ， 2023 ， 51 （ 4 ）： 20 - 34 .

LIU Y W ， LI KUN GUAN Z C ， et al . Mechanism and field testing of improving rock breaking efficiency by using a step⁃type drilling bit with self distributing of drilling pressure ［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science）， 2024 ， 48 （ 4 ）： 101 - 108 .

陈晗，李欣龙，史怀忠，等 . 布齿方式对PDC齿破岩特性影响［J］. 中国石油大学学报（自然科学版）， 2024 ， 48 （ 10 ）： 83 - 90 .

CHEN H ， LI X L ， SHI H Z ， et al . Rock breaking characteristics under different cutter arrangements on PDC bits ［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science）， 2024 ， 48 （ 10 ）： 83 - 90 .［6］高德利，刘维，万绪新，等.PDC钻头钻井提速关键影响因素研究［J］.石油钻探技术， 2023 ， 51 （ 4 ）： 20 - 34 .

孙乾坤．东海X区块钻井提速研究与应用［J］．石油地质与工程， 2023 ， 37 （ 4 ）： 104 - 107，112 ．

SUN Q K . Research and application of faster drilling in block X of east China sea ［J］. Petroleum Geology and Engineering ， 2023 ， 37 （ 4 ）： 104 - 107， 112 .

刘伟吉．井底岩石塑脆性破碎机理及其影响因素研究［D］．成都：西南石油大学， 2017 ．

LIU W J . The ductile⁃brittle failure mechanism and its influence factors investigation of bottom hole rock ［D］. Chengdu ： Southwest Petroleum University ， 2017 .

CHENG Z ， SHENG M ， LI G S ， et al . Cracks imaging in linear cutting tests with a PDC cutter： characteristics and development sequence of cracks in the rock ［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering ， 2019 ， 179 ： 1151 - 1158 .

熊超，黄中伟，王立超，等．锥形聚晶金刚石复合片齿破岩特征与机制研究［J］．岩土力学， 2023 ， 44 （ 8 ）： 2432 - 2444 ．

XIONG C ， HUANG Z W ， WANG L C ， et al . Study on rock breaking characteristics and mechanism of conical PDC cutter ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2023 ， 44 （ 8 ）： 2432 - 2444 .

JAIME M C ， ZHOU Y N ， LIN J S ， et al . Finite element modeling of rock cutting and its fragmentation process ［J］. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences ， 2015 ， 80 ： 137 - 146 .

LI Y ， CHEN Z J ， YE Y H ， et al . Combined finite⁃discrete element method for modeling the interaction between single PDC cutter and brittle rock ［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering ， 2021 ， 207 ： 109133 .

闫炎，韩礼红，刘永红，等．全尺寸PDC钻头旋转冲击破岩过程数值模拟［J］．石油机械， 2023 ， 51 （ 6 ）： 36 - 42 ．

YAN Y ， HAN L H ， LIU Y H ， et al . Numerical simulation of rotary impact rock⁃breaking process of a full⁃size drill bit ［J］. China Petroleum Machinery ， 2023 ， 51 （ 6 ）： 36 - 42 .

彭旭，郝世俊．全尺寸PDC钻头复合冲击破岩机理的有限元分析［J］．煤田地质与勘探， 2021 ， 49 （ 2 ）： 240 - 246， 252 ．

PENG X ， HAO S J . Rock breaking mechanism of composite impact of full⁃size PDC bit based on finite element analysis ［J］. Coal Geology & Exploration ， 2021 ， 49 （ 2 ）： 240 - 246， 252 .

HUANG A L ， WEI G ， ZOU Y ， et al . Numerical simulation of rock breaking by PDC cutter with finite⁃discrete⁃infinite element method ［J］. Geoenergy Science and Engineering ， 2023 ， 225 ： 211725 .

张照伟．基于黏聚力单元的煤岩复合体水力压裂裂纹扩展规律研究［J］．煤矿安全， 2024 ， 55 （ 1 ）： 57 - 64 ．

ZHANG Z W . Study on crack propagation law of hydraulic fracturing of coal rock complex based on cohesive element ［J］. Safety in Coal Mines ， 2024 ， 55 （ 1 ）： 57 - 64 .

WANG H J ， LIAO H L ， NIU W L ， et al . Comparative analysis of impact failure modes between slotted rock and intact rock ［J］. Geothermics ， 2023 ， 114 ： 102801 .

吕中华．基于赫兹理论的齿轮副接触应力特性分析［J］．兰州工业学院学报， 2023 ， 30 （ 3 ）： 5 - 8 ．

LYU Z H . Analysis of contact stress characteristics of gear pair based on Hertz Theory ［J］. Journal of Lanzhou Institute of Technology ， 2023 ， 30 （ 3 ）： 5 - 8 .

熊超．锥形PDC齿破碎花岗岩机理研究［D］．北京：中国石油大学（北京）， 2022 ．

XIONG C . Study on mechanism of conical diamond element breaking granite ［D］. Beijing ： China University of Petroleum （Beijing）， 2022 .

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