【摘要】：在鉆井過程中,鉆頭破碎巖石的同時自身也會被磨損。鉆頭牙齒的磨損會降低鉆頭的破巖效率,外徑的磨損會使井眼縮徑,這些都會導致鉆井效率大為降低,巖石的這種磨損鉆頭的能力稱為巖石的研磨性。巖石的研磨性至今還沒有統一的評價方法和分級標準,其評價手段多是基于一些實驗數據的曲線擬合及數理統計分析得出的經驗模型,該方法不但操作復雜,耗時較長,對于磨損機理的研究也很不充分。另外,在鉆頭的適應性評價方面,通常也只是利用巖石可鉆性等指標,往往忽略了巖石對鉆頭磨損程度的影響,這樣選出的鉆頭與地層的匹配程度是不全面的。針對上述問題,以摩擦學原理為基礎,深入分析不同類型鉆頭與地層之間的磨損機理,建立巖石研磨性的評價指標和分級方法,從而為鉆頭的選型和設計提供依據。根據巖石和鉆頭表面的形貌特征建立了表面粗糙度的分形表征方法,結合磨損后的鉆頭表面形貌和能譜分析結果,確定了PDC鉆頭復合片、牙輪鉆頭牙齒和鉆頭保徑齒的磨損機理。根據牙輪鉆頭和PDC鉆頭各自的破巖特點,分別建立單齒壓入巖石和單個切削齒切削巖石的接觸力模型,結合巖石的破碎條件推導出地層對鉆頭牙齒及保徑的反作用力。然后將地層-鉆頭兩體摩擦副的表面接觸形貌和受力情況相結合得到了二者的真實接觸面積計算模型,根據PDC鉆頭滑動摩擦和牙輪鉆頭滾動摩擦的特征分別計算了滑動和滾動條件下的摩擦系數。由于鉆頭與巖石之間的滑動摩擦會產生大量的熱,根據摩擦表面接觸面積公式結合熱傳導理論揭示了滑動摩擦條件下的地層-鉆頭溫升過程及溫度分布情況,得到了在一定溫度范圍內地層與鉆頭之間的真實接觸面積變化情況。在鉆井過程中由于鉆井液的存在,地層與鉆頭之間接觸面的摩擦系數和溫度是要遠遠小于干摩擦條件下的,通過對鉆井液表面潤滑特性的研究建立了在邊界潤滑條件下的地層-鉆頭摩擦副之間的摩擦力計算模型。應用能量守恒定律分析了鉆井液循環(huán)的實際傳熱過程,得到了鉆井液冷卻條件下的井底溫度場。然后根據鉆頭的磨損機理分析了不同磨損形式下磨損率的影響因素,結合井底的實際摩擦力及溫度場分布情況建立了鉆井液循環(huán)條件下的鉆頭磨損方程。在實驗研究方面,主要是針對磨損方程中所包含的巖石基本屬性進行了測試。實驗選取了20組不同地區(qū)和性質的巖心,包括利用單軸和三軸壓縮實驗測定了巖心的彈性模量、泊松比、內聚力和內摩擦角;利用X-RD衍射實驗分析了巖心的礦物組分;利用掃描電鏡得到了巖心的表面粗糙度分形維數。然后通過室內微鉆頭磨損實驗結果與鉆頭磨損方程計算結果相比較,對方程進行了校正。以鉆頭的磨損量為評價指標,對影響鉆頭磨損的各巖石屬性進行數值分析并計算極差,得到了巖石對鉆頭磨損的主控因素及控制機制。研究表明,巖石各因素影響鉆頭磨損的主次順序為:石英含量內摩擦角表面分形維數內聚力彈性模量泊松比。最后將鉆頭磨損方程中的鉆頭相關參數和工況參數進行標準化處理,然后采用以破碎單位體積巖石切削具的磨損失重作為衡量巖石研磨性指標,并引入了巖石的可鉆性級值參數,建立了滑動條件和滾動條件下的巖石研磨性評價指標,根據不同巖性的計算結果給出了巖石研磨性的分級標準。該方法具有很好的適用性,對于豐富摩擦學理論、指導鉆頭的設計和優(yōu)選有著重要意義。
【學位授予單位】：東北石油大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TE921.1
【圖文】：

PDC鉆頭切削齒的磨損Fig.1.1WearofPDCbitcutters

牙輪鉆頭牙齒的磨損Fig.1.2Conebitteethwear

【參考文獻】

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本文編號：2722481