發(fā)布時間：2018-11-02 20:53

【摘要】：PDC鉆頭廣泛應用于地質、冶金、煤炭、石油天然氣、土木及水利等鉆探中。因此,對于PDC鉆頭的性能研究顯得尤為重要。PDC鉆頭的摩擦磨損直接影響著鉆進效率以及鉆進成本。國內外在此方面已做過大量的研究工作,但大多是建立基于試驗數據的統(tǒng)計學經驗模型。因此,本文在前人研究的基礎上,采用理論分析與試驗相結合的方法,對PDC切削齒的摩擦磨損及其對鉆進參數的優(yōu)化控制展開研究,包括：(1)在PDC鉆頭單切削齒力學分析的基礎上,運用具有明確物理意義的常量及函數參量推導出了PDC鉆頭鉆進的數學模型。該模型結合了鉆頭的扭矩、鉆速、切削齒的幾何參數以及巖石的特性。利用鉆進作業(yè)的現場數據以及室內試驗對理論模型進行了驗證。結果表明,理論模型與現場及室內試驗數據基本吻合,驗證了該理論模型的合理性。該模型可以用于定義巖石與切削齒界面上的作用力,并研究由摩擦力所產生的熱量和磨損現象。(2)從切削齒與巖石的相互作用機理出發(fā),研究了摩擦熱對切削齒性能的影響。通過結合溫度效應下的鉆頭磨損模型以及磨損面上的溫度模型。最終得到鉆頭使用壽命與磨損面溫度、鉆壓、轉速、切削齒幾何結構及摩擦熱通量之間的關系,從而修正和發(fā)展了鉆頭壽命模型,可更好地預測鉆頭的工作性能。結果顯示,摩擦的影響大于對流冷卻的效果,對于鉆頭的使用壽命起主導作用。(3)基于自行研發(fā)的鉆進動力學試驗模擬系統(tǒng),采用電測法開展了砂巖及花崗巖的鉆頭端面-巖面間動摩擦特性試驗研究,分析了轉速、撞擊速度、鉆井液類型對鉆頭-巖面間動摩擦特性的影響。試驗表明,通過應力波能夠精確地測量出關鍵摩擦參量,結果表明摩擦系數與正壓力無關,但隨著相對滑動速度的增加而逐漸減�。焊赡Σ料禂当仍谒坝突@井液下的摩擦系數高出50%以上,但不同類型的鉆井液對摩擦系數的整體影響不大。(4)通過PDC鉆頭的鉆井模型驗證了新的鉆井優(yōu)化理論。引入最大鉆頭性能曲線,該曲線體現了單個鉆頭所能達到的進尺深度與最大鉆速之間的關系,為任何形式的鉆進優(yōu)化的基本關系,以及為準備多鉆頭鉆進程序、動態(tài)鉆進策略提供了方法依據。動態(tài)鉆進策略提供了最優(yōu)的鉆頭運行組合,從而在較長的鉆孔區(qū)間上達到最小的鉆進成本。研究表明,動態(tài)鉆進策略作為一種新的鉆進優(yōu)化方法具有較高的成本效益。通過計算示例顯示,該設計方法比傳統(tǒng)的鉆進優(yōu)化節(jié)省成本達18%,而相對于未做優(yōu)化處理的鉆進過程其節(jié)省成本高達40%。(5)基于PDC鉆頭的鉆進模型,開發(fā)了一種用于評估瞬時鉆頭磨損以及檢測巖石性能變化的鉆井診斷模型。通過與某鉆進工程的隨鉆測量曲線以及鉆頭磨損測量值的對比分析,驗證了該項技術的合理性及適用性。通過上述研究,建立了涵蓋參量較為全面的PDC鉆頭鉆進的理論模型,提出了優(yōu)化鉆進的動態(tài)鉆進策略以及鉆頭條件原地測量、巖性變化判別的方法。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P634.4

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本文編號：2306922