【摘要】：PDC鉆頭廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、冶金、煤炭、石油天然氣、土木及水利等鉆探中。因此,對(duì)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(jìn)效率以及鉆進(jìn)成本。國內(nèi)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(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ�。因�?本文在前人研究的基礎(chǔ)上,采用理論分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)PDC切削齒的摩擦磨損及其對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化控制展開研究,包括：(1)在PDC鉆頭單切削齒力學(xué)分析的基礎(chǔ)上,運(yùn)用具有明確物理意義的常量及函數(shù)參量推導(dǎo)出了PDC鉆頭鉆進(jìn)的數(shù)學(xué)模型。該模型結(jié)合了鉆頭的扭矩、鉆速、切削齒的幾何參數(shù)以及巖石的特性。利用鉆進(jìn)作業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)以及室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)理論模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明,理論模型與現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合,驗(yàn)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(chǎn)生的熱量和磨損現(xiàn)象。(2)從切削齒與巖石的相互作用機(jī)理出發(fā),研究了摩擦熱對(duì)切削齒性能的影響。通過結(jié)合溫度效應(yīng)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(zhuǎn)速、切削齒幾何結(jié)構(gòu)及摩擦熱通量之間的關(guān)系,從而修正和發(fā)展了鉆頭壽命模型,可更好地預(yù)測(cè)鉆頭的工作性能。結(jié)果顯示,摩擦的影響大于對(duì)流冷卻的效果,對(duì)于鉆頭的使用壽命起主導(dǎo)作用。(3)基于自行研發(fā)的鉆進(jìn)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng),采用電測(cè)法開展了砂巖及花崗巖的鉆頭端面-巖面間動(dòng)摩擦特性試驗(yàn)研究,分析了轉(zhuǎn)速、撞擊速度、鉆井液類型對(duì)鉆頭-巖面間動(dòng)摩擦特性的影響。試驗(yàn)表明,通過應(yīng)力波能夠精確地測(cè)量出關(guān)鍵摩擦參量,結(jié)果表明摩擦系數(shù)與正壓力無關(guān),但隨著相對(duì)滑動(dòng)速度的增加而逐漸減�。焊赡Σ料禂�(shù)比在水基及油基鉆井液下的摩擦系數(shù)高出50%以上,但不同類型的鉆井液對(duì)摩擦系數(shù)的整體影響不大。(4)通過PDC鉆頭的鉆井模型驗(yàn)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(xiàn)了單個(gè)鉆頭所能達(dá)到的進(jìn)尺深度與最大鉆速之間的關(guān)系,為任何形式的鉆進(jìn)優(yōu)化的基本關(guān)系,以及為準(zhǔn)備多鉆頭鉆進(jìn)程序、動(dòng)態(tài)鉆進(jìn)策略提供了方法依據(jù)。動(dòng)態(tài)鉆進(jìn)策略提供了最優(yōu)的鉆頭運(yùn)行組合,從而在較長(zhǎng)的鉆孔區(qū)間上達(dá)到最小的鉆進(jìn)成本。研究表明,動(dòng)態(tài)鉆進(jìn)策略作為一種新的鉆進(jìn)優(yōu)化方法具有較高的成本效益。通過計(jì)算示例顯示,該設(shè)計(jì)方法比傳統(tǒng)的鉆進(jìn)優(yōu)化節(jié)省成本達(dá)18%,而相對(duì)于未做優(yōu)化處理的鉆進(jìn)過程其節(jié)省成本高達(dá)40%。(5)基于PDC鉆頭的鉆進(jìn)模型,開發(fā)了一種用于評(píng)估瞬時(shí)鉆頭磨損以及檢測(cè)巖石性能變化的鉆井診斷模型。通過與某鉆進(jìn)工程的隨鉆測(cè)量曲線以及鉆頭磨損測(cè)量值的對(duì)比分析,驗(yàn)證了該項(xiàng)技術(shù)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(jìn)的理論模型,提出了優(yōu)化鉆進(jìn)的動(dòng)態(tài)鉆進(jìn)策略以及鉆頭條件原地測(cè)量、巖性變化判別的方法。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：P634.4

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本文編號(hào)：2306922