Modeling of Fatigue Failure of Tungsten Carbide Inserts in Drill Bits under Cyclic Loading during Drilling in Heterogeneous Formations

2026

Полный текст Открытый доступ: Gold Метаданные (CSL-JSON)
DOI 10.1088/1742-6596/3270/1/012036
Достоверность данных 70 средняя
Как считается эта оценка

Складывается из проверяемых признаков самой записи: есть ли у статьи DOI, сколько независимых источников подтвердили её данные, заполнены ли обязательные поля и насколько свежо последнее подтверждение. Снижают оценку расхождения между источниками и отсутствие идентификатора. Значение от 80 означает, что запись опубликована без дополнительной проверки; от 60 до 79 — что она опубликована с пониженной достоверностью и ручная проверка желательна. Запись, выверенную редактором вручную, пересчёт не опускает ниже 90. Это оценка наших данных о статье, а не оценка самой статьи.

Аннотация

Abstract Fatigue failure of tungsten carbide inserts (TCI) in roller cone and hybrid drill bits represents a major limitation on durability when drilling in heterogeneous formations. This study develops a finite element-based numerical framework to model cumulative fatigue damage in WC-Co inserts under cyclic, variable-amplitude loading representative of interbedded soft–hard sequences. The approach integrates nonlinear Chaboche kinematic hardening for binder plasticity with Lemaitre continuum damage mechanics and a Fatemi–Socie critical-plane parameter to capture multiaxial stress states from Hertzian contact, torsional oscillations, and axial vibrations. Simulations reveal that crack initiation occurs predominantly subsurface near the chamfer or edge radius, driven by shear-dominated damage accumulation. In heterogeneous rock, fatigue life to initiation is reduced by factors of 2–10 relative to homogeneous conditions, primarily due to transient load spikes at layer transitions that amplify stress range and maximum stress, accelerating nonlinear damage progression. Parametric analyses demonstrate strong sensitivity to strength contrast, layer thickness ratio, and interface sharpness, with tougher grades (higher Co content, coarser WC grains) providing 1.5–3× longer life in severe heterogeneity. The modeling framework enables quantitative prediction of fatigue life reduction in realistic heterogeneous environments, bridging laboratory WC-Co fatigue data with field-relevant downhole dynamics. Results support selection of high-toughness inserts for interbedded sections and optimized drilling practices (stable WOB, reduced RPM in transitions, enhanced stabilization, and real-time MSE-vibration monitoring) to mitigate premature failure. Future extensions should incorporate thermal effects, full-bit simulations, field dull-bit validation, and probabilistic uncertainty quantification.