本文關(guān)鍵詞：高速PDC取心鉆頭的計算機輔助設(shè)計，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著我國石油天然氣資源開發(fā)逐漸進入中后期階段,人們逐漸向更深更硬地層進行鉆井取心作業(yè),鉆井操作的難度系數(shù)也逐漸增加。作為現(xiàn)代油氣井技術(shù)中鉆進取心的關(guān)鍵工具,PDC取心鉆頭具有鉆速快、穩(wěn)定性好和使用壽命長等優(yōu)點,多年來一直受到廣泛應(yīng)用。然而,PDC取心鉆頭在鉆進硬巖地層時,容易產(chǎn)生鉆速慢、磨損快等問題,嚴(yán)重降低了鉆頭的鉆進效率和使用壽命。實踐經(jīng)驗表明,鉆頭的性能與其結(jié)構(gòu)設(shè)計緊密相關(guān),合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠提高鉆頭的鉆進速度,減少磨損,達到快速高效的鉆井目的。因此,隨著井下動力鉆具的不斷發(fā)展,對于高速環(huán)境下使用的PDC取心鉆頭開展研究工作具有重要的實際意義和學(xué)術(shù)價值。本論文首先對高速PDC取心鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行研究分析。針對高速PDC取心鉆頭的冠部結(jié)構(gòu),提出了三種基本冠部剖面形狀設(shè)計模型,并對每種冠部形狀的參數(shù)化設(shè)計方法進行總結(jié)。通過對比分析三種冠部形狀的優(yōu)缺點,選取適合高速PDC取心鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計的冠部形狀,根據(jù)PDC取心鉆頭布齒理論對其進行布齒設(shè)計。其次,研究分析高速PDC取心鉆頭的受力情況。對切削齒受力情況與切削參數(shù)、切削齒后傾角及巖石可鉆性級值等因素之間的相互關(guān)系進行分析研究,建立單個切削齒的力學(xué)計算模型,并在此基礎(chǔ)上對鉆頭整體力學(xué)分析模型進行研究。采用有限元分析法求解高速PDC取心鉆頭在不同切削深度條件下的最大應(yīng)力值與變形量,并對鉆頭進行強度校核,驗證所設(shè)計鉆頭結(jié)構(gòu)具有足夠的強度與穩(wěn)定性。然后,采用FLUENT軟件對高速PDC取心鉆頭進行井底流場模擬分析,詳細描述鉆頭底面、切削齒和排屑槽附近區(qū)域的速度和壓力分布特性。模擬計算鉆頭在不同流量、鉆速和切削深度條件下的井底流場速度和壓力變化,通過對鉆頭上各切削齒表面速度變化進行分析研究,檢驗鉆頭的清洗、冷卻效果是否達到設(shè)計要求,驗證鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。最后,基于結(jié)構(gòu)設(shè)計理論對高速PDC取心鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計程序軟件進行編寫。采用Visual Basic 6.0語言對SolidWorks軟件在高速PDC取心鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計上進行二次開發(fā),這對于合理、科學(xué)地設(shè)計高速PDC取心鉆頭具有很高的實用價值和開發(fā)意義。本文所進行的高速PDC取心鉆頭的計算機輔助設(shè)計對硬巖鉆井作業(yè)具有一定的指導(dǎo)意義,通過對鉆頭結(jié)構(gòu)進行設(shè)計研究,模擬計算其井底流場分布情況,并編寫了一套結(jié)構(gòu)參數(shù)程序化設(shè)計軟件,最終取得了如下研究成果：1.通過對PDC取心鉆頭的冠部剖面形狀以及布齒設(shè)計理論進行設(shè)計研究,在對比分析三種基本冠部形狀的優(yōu)缺點后,總結(jié)得出高速PDC取心鉆頭應(yīng)選取拋物線形冠部形狀設(shè)計,并采用直線刀翼式布齒結(jié)構(gòu),選取刀翼數(shù)量為8個,切削齒數(shù)為48個,以此達到高速鉆進的目的。2.建立了單個切削齒受力與切削參數(shù)、切削齒后傾角及巖石可鉆性級值之間的力學(xué)模型,并在此基礎(chǔ)上提出了鉆頭整體力學(xué)分析模型。運用WORKBENCH軟件求解出高速PDC取心鉆頭在切削巖石深度為2mm時,所受到的最大應(yīng)力值為18.22MPa,最大變形量為0.0108mm；當(dāng)切削巖石深度為4mm時,所受到的最大應(yīng)力值為56.331 MPa,最大變形量為0.0333mm；當(dāng)切削巖石深度為6mm時,所受到的最大應(yīng)力值為117.48MPa,最大變形量為0.0695mm并對鉆頭進行強度校核,驗證所設(shè)計鉆頭結(jié)構(gòu)的強度與穩(wěn)定性均滿足設(shè)計要求。3.采用FLUENT軟件對高速PDC取心鉆頭在不同流量、鉆速和切削深度條件下的井底流場速度和壓力變化進行模擬計算,分析結(jié)果表明：隨著轉(zhuǎn)速的逐漸增大,井底壓力梯度與流體速度也會隨之增大,鉆頭的清洗、冷卻效果則越好,而切削深度的增加使井底壓力梯度與流體速度減小,導(dǎo)致巖屑堆積在鉆頭上,對鉆頭的清洗、冷卻效果造成影響,流量則幾乎不影響井底流場的速度和壓力分布。4.編寫了高速PDC取心鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計程序軟件。根據(jù)高速PDC取心鉆頭的結(jié)構(gòu)特點將其劃分為四個結(jié)構(gòu)單元,并分別建立相應(yīng)的單元數(shù)據(jù)庫,采用VB語言將鉆頭結(jié)構(gòu)單元數(shù)據(jù)庫與SolidWorks軟件進行鏈接,通過調(diào)用程序控制SolidWorks軟件自動繪圖,完成高速PDC取心鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文通過對高速PDC取心鉆頭的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計,從而達到了鉆頭高速鉆進的目的,運用數(shù)值模擬的方法對其井底流場進行模擬計算,并編寫了一款高速PDC取心鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計程序軟件,為高速PDC取心鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：高速 PDC取心鉆頭 井底流場分析 計算機輔助設(shè)計
【學(xué)位授予單位】：長江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TE921.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-18
• 1.1 選題背景及其意義11
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-16
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容16-18
• 第2章 高速PDC取心鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計18-31
• 2.1 高速PDC取心鉆頭冠部形狀設(shè)計18-23
• 2.2 高速PDC取心鉆頭布齒設(shè)計23-30
• 2.3 本章小結(jié)30-31
• 第3章 高速PDC取心鉆頭有限元分析31-43
• 3.1 高速PDC取心鉆頭切削齒力學(xué)模型分析31-35
• 3.2 高速PDC取心鉆頭力學(xué)模型分析35-36
• 3.3 高速PDC取心鉆頭受力計算36-39
• 3.4 高速PDC取心鉆頭有限元分析39-42
• 3.5 本章小結(jié)42-43
• 第4章 高速PDC取心鉆頭井底流場研究43-59
• 4.1 高速PDC取心鉆頭流場理論及模型43-47
• 4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析47-49
• 4.3 影響井底流場的因素分析49-57
• 4.4 本章小結(jié)57-59
• 第5章 高速PDC取心鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件研制59-77
• 5.1 高速PDC取心鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件概述59-64
• 5.2 高速PDC取心鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件數(shù)據(jù)庫的建立64-68
• 5.3 高速PDC取心鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計程序軟件68-76
• 5.4 本章小結(jié)76-77
• 第6章 結(jié)論與展望77-79
• 6.1 結(jié)論77
• 6.2 展望77-79
• 致謝79-80
• 參考文獻80-84
• 個人簡介84-85

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本文編號：378640