本文選題：雙級鉆頭 + 分級破巖　； 參考：《西南石油大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：隨著我國油氣勘探開發(fā)工作逐漸向深井、超深井發(fā)展,以及大直徑井段增多,傳統(tǒng)的牙輪鉆頭和PDC鉆頭在鉆進(jìn)過程中,破巖效率低,鉆速慢且壽命短,無法滿足鉆井提速增效的要求,提高深井、大直徑井段的機(jī)械鉆速已成為當(dāng)前國內(nèi)外油氣鉆井一個急需解決的主要問題。單牙輪-PDC雙級鉆頭作為一種新型鉆頭,采取分級破巖的方式,為實現(xiàn)硬地層鉆井提速增效提供了新思路。本文基于彈塑性力學(xué)、巖石力學(xué)以及仿真研究的方法,研究了單牙輪-PDC雙級鉆頭與巖石的相互作用規(guī)律及破巖特性,對于掌握單牙輪-PDC雙級鉆頭破巖特性以指導(dǎo)其結(jié)構(gòu)設(shè)計、加快其推廣應(yīng)用具有重要工程意義。本論文的主要內(nèi)容及取得的成果如下:(1)開展了雙級鉆頭破巖機(jī)理與切削齒受力分析。運(yùn)用彈塑性力學(xué)、巖石力學(xué),分析了雙級鉆頭的破巖機(jī)理及切削齒受力情況,從破巖機(jī)理的角度得出了雙級鉆頭提高機(jī)械鉆速的力學(xué)機(jī)理,并為后續(xù)章節(jié)的仿真分析奠定了理論基礎(chǔ)。(2)開展了階梯井底應(yīng)力場的研究。運(yùn)用數(shù)值模擬的方法,建立了階梯井底受力模型,分析了階梯井底的應(yīng)力狀態(tài),并對比分析了鉆擴(kuò)比和兩級破巖結(jié)構(gòu)相對高度對階梯井底的應(yīng)力場影響,結(jié)果表明:階梯井底領(lǐng)眼井壁及領(lǐng)眼井底應(yīng)力釋放明顯,可鉆性強(qiáng);鉆擴(kuò)比越小,領(lǐng)眼井壁應(yīng)力釋放更加充分,巖石可鉆性更強(qiáng),且鉆擴(kuò)比越小,領(lǐng)眼井壁應(yīng)力釋放區(qū)域更大;兩級破巖結(jié)構(gòu)相對高度越小,領(lǐng)眼井壁巖石應(yīng)力釋放越充分,當(dāng)相對高度超過一定數(shù)值后,領(lǐng)眼井壁的應(yīng)力釋放區(qū)域?qū)⒀由斓骄弁鈬?不利于井壁的穩(wěn)定性,也會使鉆頭破巖過程中能量過多的被耗散。(3)開展了單牙輪-PDC雙級鉆頭與常規(guī)PDC鉆頭、雙級PDC鉆頭的破巖仿真對比。建立了單牙輪-PDC雙級鉆頭、常規(guī)PDC鉆頭和雙級PDC鉆頭的破巖模型,通過分析,結(jié)果表明:單牙輪-PDC雙級鉆頭作用下巖石的應(yīng)力水平低于常規(guī)PDC鉆頭,能更容易破碎巖石;雙級鉆頭扭轉(zhuǎn)振動低于常規(guī)PDC鉆頭和雙級PDC鉆頭,振動幅值分別降低了 75%和30%,扭矩均值分別降低了 65%和56%;雙級鉆頭對巖石的軸向沖擊作用高于常規(guī)PDC鉆頭和雙級PDC鉆頭,有更高的破巖效率。(4)開展了鉆擴(kuò)比與兩級破巖結(jié)構(gòu)相對高度對雙級鉆頭破巖特性的影響研究。建立了三種鉆擴(kuò)比的雙級鉆頭破巖模型和三種相對高度的雙級鉆頭破巖模型,通過破巖對比分析,結(jié)果表明:在兩級破巖結(jié)構(gòu)相對高度不變的條件下,鉆擴(kuò)比越小,雙級鉆頭在鉆進(jìn)方向?qū)r石的沖擊作用越大,破巖效率越高,機(jī)械鉆速越快,但同時破巖所需的扭矩越大;在鉆擴(kuò)比不變的條件下,相對高度越小,兩級破巖結(jié)構(gòu)聯(lián)動性越強(qiáng),相互促進(jìn)作用越顯著,在鉆進(jìn)方向?qū)r石的沖擊作用越大,破巖效率越高,機(jī)械鉆速越快,但同時破巖所需的扭矩越大。
[Abstract]:With the development of oil and gas exploration and development to deep wells, ultra-deep wells and the increase of large diameter wells in China, the traditional cone bit and PDC bit have low rock breaking efficiency, slow drilling speed and short life in the drilling process. It can not meet the requirements of increasing drilling speed and increasing efficiency. It has become an urgent problem for oil and gas drilling at home and abroad to improve the mechanical drilling speed of deep wells and large diameter wells. As a new type of bit, the single-cone -PDC double-stage bit adopts the method of breaking rock by stages, which provides a new way to increase the speed and increase the efficiency of drilling in hard formation. Based on the methods of elastic-plastic mechanics, rock mechanics and simulation, this paper studies the interaction law and rock breaking characteristics of single-cone -PDC double-stage bit with rock, which can guide its structural design by mastering the rock breaking characteristics of single-cone -PDC double-stage bit. It is of great engineering significance to accelerate its popularization and application. The main contents and results of this paper are as follows: 1) the rock breaking mechanism and cutting tooth force of two-stage bit are analyzed. By using elastoplastic mechanics and rock mechanics, the rock breaking mechanism and cutting tooth force of two-stage bit are analyzed, and the mechanical mechanism of two-stage bit to increase mechanical drilling rate is obtained from the angle of rock breaking mechanism. The theoretical basis for the simulation analysis of the following chapters is established. (2) the study of the bottom-hole stress field is carried out. By means of numerical simulation, the stress model of the bottom hole is established, and the stress state of the bottom hole is analyzed, and the influence of the ratio of drill expansion and the relative height of the two-stage rock breaking structure on the stress field of the bottom hole is compared and analyzed. The results show that the stress release is obvious and the drillability is strong, the lower the drilling expansion ratio, the more fully the stress release and the stronger drillability of rock, and the smaller the drilling-expansion ratio, the larger the stress release area. The smaller the relative height of the two-stage rock breaking structure, the more fully the rock stress release from the collar wall. When the relative height exceeds a certain value, the stress release area of the collar wall will extend to the outside of the well, which is not conducive to the stability of the borehole wall. It will also cause excessive energy dissipation in the rock breaking process.) the rock breaking simulation of single cone PDC double stage bit and conventional PDC bit and two stage PDC bit is carried out. The rock breaking model of single-cone -PDC double-stage bit, conventional PDC bit and double-stage PDC bit is established. The results show that the stress level of rock under the action of single-cone -PDC double-stage bit is lower than that of conventional PDC bit, and the rock can be broken more easily. The torsional vibration of two-stage bit is lower than that of conventional PDC bit and two-stage PDC bit, the amplitude of vibration is reduced by 75% and 30%, the mean of torque is reduced by 65% and 56%, and the axial impact of two-stage bit to rock is higher than that of conventional PDC bit and two-stage PDC bit. The influence of the ratio of drill expansion and the relative height of two-stage rock breaking structure on the rock breaking characteristics of two-stage bit is studied. The rock breaking model of three kinds of drill expansion ratio and the rock breaking model of two stage bit with relative height are established. The results show that the ratio of drill expansion is smaller under the condition that the rock breaking structure of two stages is relatively high constant. The greater the impact on the rock in the drilling direction, the higher the rock breaking efficiency, the faster the mechanical drilling speed, but the greater the torque required to break the rock at the same time; under the condition of constant drilling expansion ratio, the lower the relative height, the stronger the linkage of rock breaking structure between the two levels. The more significant the interaction is, the greater the impact on rock is in the drilling direction, the higher the rock breaking efficiency is, the faster the mechanical drilling speed is, but the more torque is required to break the rock at the same time.
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TE921.1

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本文編號：1841929