發(fā)布時(shí)間：2017-08-21 00:25

  本文關(guān)鍵詞：自適應(yīng)仿生PDC鉆頭設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

  更多相關(guān)文章： PDC鉆頭 動(dòng)物爪趾 仿生自適應(yīng) 后傾角

【摘要】：在地質(zhì)勘探、油氣鉆井等工程領(lǐng)域,PDC鉆頭在軟到中硬巖層的鉆進(jìn)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于孕鑲金剛石鉆頭和硬質(zhì)合金鉆頭。但是在硬地層以及軟硬夾層鉆進(jìn)時(shí),PDC鉆頭由于本身材料及金剛石與硬質(zhì)合金界面結(jié)合力學(xué)特性等問(wèn)題,容易在地層作用力下產(chǎn)生分層、脫落、崩斷等非正常損壞現(xiàn)象。為了預(yù)防這種現(xiàn)象的產(chǎn)生,除了提高PDC齒的質(zhì)量外,更重要的是PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其中最主要的是PDC齒后傾角選擇。但優(yōu)化設(shè)計(jì)后的鉆頭也僅適用于某一特定的地層,在其他巖層中鉆速也不盡人意。對(duì)于工程而言就需要根據(jù)地層頻繁的起下鉆更換鉆頭,工作量巨大,鉆井成本也成倍增加。本文引入自適應(yīng)仿生學(xué)理論,研究動(dòng)物爪趾關(guān)節(jié)的自我保護(hù)特性,結(jié)合PDC齒與巖石作用機(jī)理以及PDC齒工作角的設(shè)計(jì)思想,以鼴鼠爪趾、兔爪為仿生原型,設(shè)計(jì)并研制自適應(yīng)仿生PDC鉆頭,該鉆頭能夠根據(jù)地層軟硬程度自適應(yīng)調(diào)節(jié)切削齒角度,以減少鉆頭因受到?jīng)_擊而產(chǎn)生斷裂、崩落等現(xiàn)象,從而提高鉆頭對(duì)地層的適應(yīng)范圍和綜合鉆進(jìn)效率。論文首先設(shè)計(jì)了自適應(yīng)仿生PDC鉆頭單齒機(jī)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行了模擬分析:利用ANSYS workbench軟件模擬單齒機(jī)構(gòu)在水平載荷作用下位移變化過(guò)程,得出自適應(yīng)元件變形與受力的直接關(guān)系,模擬結(jié)果表明:自適應(yīng)元件角度改變值跟水平載荷大小基本成線性關(guān)系,但當(dāng)角度達(dá)到一定值后,隨著加載力的繼續(xù)增加,自適應(yīng)元件角度將會(huì)產(chǎn)生突變,即自適應(yīng)元件發(fā)生了塑性變形,形變不能恢復(fù);其次進(jìn)行了自適應(yīng)元件抗壓能力測(cè)試試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)得出變化規(guī)律與模擬結(jié)果得到了很好的擬合,并且優(yōu)選出鉆頭上自適應(yīng)元件的受力力臂和對(duì)應(yīng)的厚度,即:當(dāng)受力力臂為22mm時(shí),自適應(yīng)元件厚度應(yīng)為2mm;再次進(jìn)行了自適應(yīng)仿生PDC鉆頭在不同巖層鉆進(jìn)后傾角測(cè)試試驗(yàn),結(jié)果證明:當(dāng)鉆壓和轉(zhuǎn)速相同時(shí),自適應(yīng)仿生PDC鉆頭鉆進(jìn)不同巖層自適應(yīng)元件改變的角度均不相同。最后進(jìn)行了自適應(yīng)仿生PDC鉆頭與普通PDC鉆頭鉆進(jìn)速率對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)首先澆筑了軟硬夾層,數(shù)據(jù)表明:自適應(yīng)仿生PDC鉆頭在軟巖鉆進(jìn)時(shí),鉆速較后傾角為15o、20o的普通PDC鉆頭有較大提高,在中硬巖層鉆速差別不大,在硬巖鉆速略低兩種普通PDC鉆頭;在復(fù)雜地層的平均機(jī)械鉆速比后傾角為15o的普通PDC鉆頭提高了約10%,比后傾角為20o的普通PDC鉆頭約提高了13%。論文最后還根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)仿生自適應(yīng)PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)提出了相關(guān)優(yōu)化措施。
【關(guān)鍵詞】：PDC鉆頭 動(dòng)物爪趾 仿生自適應(yīng) 后傾角
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：P634.41
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-26
• 1.1 研究背景和意義11-12
• 1.2 PDC及PDC鉆頭國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)12-23
• 1.2.1 PDC國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-16
• 1.2.2 PDC鉆頭國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-22
• 1.2.3 PDC鉆頭發(fā)展趨勢(shì)22-23
• 1.3 PDC鉆頭切削齒工作角研究現(xiàn)狀23-25
• 1.4 研究?jī)?nèi)容25-26
• 第2章 仿生學(xué)及相關(guān)理論26-35
• 2.1 仿生學(xué)26-30
• 2.1.1 仿生學(xué)概念26
• 2.1.2 仿生學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀26-30
• 2.2 自適應(yīng)仿生學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀30-32
• 2.3 仿生學(xué)的研究特性及其研究方法32-34
• 2.3.1 仿生學(xué)的研究特性32
• 2.3.2 仿生學(xué)的研究方法32-34
• 2.4 本章小結(jié)34-35
• 第3章 自適應(yīng)仿生PDC鉆頭單齒機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與模擬35-53
• 3.1 PDC切削齒的碎巖機(jī)理35-40
• 3.1.1 PDC切削齒與巖石相互作用機(jī)理35
• 3.1.2 PDC齒工作角度對(duì)碎巖效率的影響35-40
• 3.2 仿生原型40-43
• 3.2.1 鼴鼠爪趾40-42
• 3.2.2 兔爪42-43
• 3.3 建立自適應(yīng)仿生PDC鉆頭單齒模型43-47
• 3.3.1 建模原則43-44
• 3.3.2 建立模型44-47
• 3.4 自適應(yīng)仿生PDC鉆頭單齒結(jié)構(gòu)模擬分析47-52
• 3.4.1 單齒結(jié)構(gòu)力學(xué)分析47-49
• 3.4.2 單齒機(jī)構(gòu)模擬分析49-52
• 3.5 本章小結(jié)52-53
• 第4章 自適應(yīng)仿生PDC鉆頭單齒機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與模擬53-63
• 4.1 單齒機(jī)構(gòu)自適應(yīng)元件優(yōu)化設(shè)計(jì)53-60
• 4.1.1 自適應(yīng)元件優(yōu)化設(shè)計(jì)53
• 4.1.2 優(yōu)化后單齒機(jī)構(gòu)的模擬分析53-60
• 4.2 單齒機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)60-62
• 4.2.1 單齒機(jī)構(gòu)本體水口設(shè)計(jì)60
• 4.2.2 銷軸的定位安裝機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)60-61
• 4.2.3 自適應(yīng)元件安裝定位結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)61-62
• 4.2.4 自適應(yīng)元件保護(hù)設(shè)計(jì)62
• 4.3 本章小結(jié)62-63
• 第5章 自適應(yīng)仿生PDC取芯鉆頭制備與試驗(yàn)63-84
• 5.1 自適應(yīng)仿生PDC取芯鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)63-64
• 5.2 自適應(yīng)仿生PDC取芯鉆頭加工64-69
• 5.2.1 加工設(shè)備簡(jiǎn)介64-66
• 5.2.2 零部件加工66-68
• 5.2.3 PDC齒焊接及鉆頭組裝68-69
• 5.3 自適應(yīng)仿生PDC取芯鉆頭試驗(yàn)69-81
• 5.3.1 自適應(yīng)元件抗壓能力測(cè)試試驗(yàn)69-72
• 5.3.2 自適應(yīng)仿生PDC鉆頭鉆進(jìn)巖石后傾角測(cè)試試驗(yàn)72-75
• 5.3.3 自適應(yīng)仿生PDC鉆頭與普通PDC鉆頭鉆進(jìn)對(duì)比試驗(yàn)75-81
• 5.4 自適應(yīng)仿生PDC鉆頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施81-83
• 5.5 本章小結(jié)83-84
• 第6章 結(jié)論與建議84-86
• 6.1 結(jié)論84
• 6.2 建議84-86
• 參考文獻(xiàn)86-91
• 致謝91-92
• 作者簡(jiǎn)介及科研成果92

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