【摘要】：在鉆井過程中,鉆頭破碎巖石的同時(shí)自身也會(huì)被磨損。鉆頭牙齒的磨損會(huì)降低鉆頭的破巖效率,外徑的磨損會(huì)使井眼縮徑,這些都會(huì)導(dǎo)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(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),其評(píng)價(jià)手段多是基于一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線擬合及數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析得出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?該方法不但操作復(fù)雜,耗時(shí)較長,對(duì)于磨損機(jī)理的研究也很不充分。另外,在鉆頭的適應(yīng)性評(píng)價(jià)方面,通常也只是利用巖石可鉆性等指標(biāo),往往忽略了巖石對(duì)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(duì)上述問題,以摩擦學(xué)原理為基礎(chǔ),深入分析不同類型鉆頭與地層之間的磨損機(jī)理,建立巖石研磨性的評(píng)價(jià)指標(biāo)和分級(jí)方法,從而為鉆頭的選型和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。根據(jù)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(jié)合磨損后的鉆頭表面形貌和能譜分析結(jié)果,確定了PDC鉆頭復(fù)合片、牙輪鉆頭牙齒和鉆頭保徑齒的磨損機(jī)理。根據(jù)牙輪鉆頭和PDC鉆頭各自的破巖特點(diǎn),分別建立單齒壓入巖石和單個(gè)切削齒切削巖石的接觸力模型,結(jié)合巖石的破碎條件推導(dǎo)出地層對(duì)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(jié)合得到了二者的真實(shí)接觸面積計(jì)算模型,根據(jù)PDC鉆頭滑動(dòng)摩擦和牙輪鉆頭滾動(dòng)摩擦的特征分別計(jì)算了滑動(dòng)和滾動(dòng)條件下的摩擦系數(shù)。由于鉆頭與巖石之間的滑動(dòng)摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱,根據(jù)摩擦表面接觸面積公式結(jié)合熱傳導(dǎo)理論揭示了滑動(dòng)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(nèi)地層與鉆頭之間的真實(shí)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(shù)和溫度是要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于干摩擦條件下的,通過對(duì)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(jì)算模型。應(yīng)用能量守恒定律分析了鉆井液循環(huán)的實(shí)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(jù)鉆頭的磨損機(jī)理分析了不同磨損形式下磨損率的影響因素,結(jié)合井底的實(shí)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(shí)驗(yàn)研究方面,主要是針對(duì)磨損方程中所包含的巖石基本屬性進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)選取了20組不同地區(qū)和性質(zhì)的巖心,包括利用單軸和三軸壓縮實(shí)驗(yàn)測定了巖心的彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角;利用X-RD衍射實(shí)驗(yàn)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(shù)。然后通過室內(nèi)微鉆頭磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果與鉆頭磨損方程計(jì)算結(jié)果相比較,對(duì)方程進(jìn)行了校正。以鉆頭的磨損量為評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)影響鉆頭磨損的各巖石屬性進(jìn)行數(shù)值分析并計(jì)算極差,得到了巖石對(duì)鉆頭磨損的主控因素及控制機(jī)制。研究表明,巖石各因素影響鉆頭磨損的主次順序?yàn)?石英含量內(nèi)摩擦角表面分形維數(shù)內(nèi)聚力彈性模量泊松比。最后將鉆頭磨損方程中的鉆頭相關(guān)參數(shù)和工況參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(biāo),并引入了巖石的可鉆性級(jí)值參數(shù),建立了滑動(dòng)條件和滾動(dòng)條件下的巖石研磨性評(píng)價(jià)指標(biāo),根據(jù)不同巖性的計(jì)算結(jié)果給出了巖石研磨性的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。該方法具有很好的適用性,對(duì)于豐富摩擦學(xué)理論、指導(dǎo)鉆頭的設(shè)計(jì)和優(yōu)選有著重要意義。
【學(xué)位授予單位】：東北石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：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(xiàn)】

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本文編號(hào)：2722481