本文關(guān)鍵詞：高速PDC鉆頭的布齒設(shè)計研究

  更多相關(guān)文章： 高速PDC鉆頭 混合布齒 切削齒破巖 井底流場

【摘要】：我國自八十年代初開始研究PDC鉆頭以來,直至21世紀(jì)在PDC鉆頭研究方面取得了突破性的進(jìn)展。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,各方面對能源的消耗特別是油氣方面使用量越來越大,在開采油氣過程中,PDC鉆頭作為鉆進(jìn)破巖工具,因其具有鉆速高、使用壽命較長并且鉆頭設(shè)計靈活多變從而被大量地應(yīng)用在油田現(xiàn)場勘探中。但隨著巖層性質(zhì)復(fù)雜情況不同、鉆井深度擴(kuò)大、勘探過程操作難度系數(shù)上升,面臨著這些棘手的問題,PDC鉆頭鉆采情況不容樂觀,多次出現(xiàn)鉆速下降、破巖效率低、切削齒磨損情況嚴(yán)重、井底易形成泥包等許多問題。結(jié)合眾多現(xiàn)場鉆進(jìn)情況可知,這些不良因素的出現(xiàn)與鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計、切削齒形狀選取和布齒位置、數(shù)量以及鉆頭水力結(jié)構(gòu)方面都有著莫大的聯(lián)系。要改善勘探過程中出現(xiàn)的鉆頭鉆速低,日常使用石油供給量不足,且要實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展等問題,那么研究在高速條件下實現(xiàn)PDC鉆頭的高速破巖就有著重大的意義。本文結(jié)合高速PDC鉆頭冠部情況給出了三種不同形式,經(jīng)過綜合分析各自的優(yōu)勢與不足之處,最終選取直線與雙圓弧形式,因在高速情況下,鉆頭所受的沖擊必然很大,采取雙圓弧形式,那么鉆頭的肩部與冠頂過渡區(qū)域稍平滑,受到的沖擊載荷就會較緩和。全文以布齒作為出發(fā)點(diǎn),將圓柱形與錐形PDC齒混合雙排使用,在布齒過程中,運(yùn)用Workbench軟件對齒破巖時不同的后傾角與側(cè)轉(zhuǎn)角進(jìn)行動靜態(tài)情況模擬,根據(jù)巖層變形結(jié)果以及破碎比功大小綜合得出更合適的切削角。此外還進(jìn)行了多齒在不同切削深度條件下,模擬出巖石變形區(qū)域大小情況。根據(jù)布齒情況,對高速PDC鉆頭的切削齒及鉆頭體進(jìn)行了相關(guān)的受力分析,結(jié)合多齒受力情況,計算出切削齒相關(guān)切削參數(shù)和受力之間的關(guān)系,再由齒的受力大小從而計算出鉆頭體的受力情況,以鉆頭體計算的受力大小為基礎(chǔ),運(yùn)用ANSYS軟件對鉆頭體與切削齒進(jìn)行強(qiáng)度校核從而分析出刀翼上不同位置齒的受力情況。結(jié)合布齒相關(guān)位置,再對高速PDC鉆頭的水力結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的匹配。采取七個噴組分別安置在刀翼附近,通過噴嘴的設(shè)計,可有效地清洗井底并冷卻切削齒,這與布齒也是緊密相關(guān)的。井底流場中運(yùn)用FLUENT對七個噴嘴附近的流速進(jìn)行了分析,通過井底流場和壓力場來檢驗噴嘴的設(shè)置是否合理。經(jīng)過綜合分析和研究,本文取得了一定的成果,相關(guān)情況如下:(1)冠部外形設(shè)計采取直線與雙圓弧形式,刀翼有六片,外形為螺旋形,選取破巖效果較好的錐形和圓柱形PDC齒混合設(shè)計,其中圓柱形PDC齒有48顆,錐形PDC齒有42顆,對它們選取合適的切削角從而實現(xiàn)高速鉆進(jìn)效果;當(dāng)后傾角選取11°到15°范圍時,對應(yīng)的側(cè)轉(zhuǎn)角選取10°到20°,相對來說巖石的破碎比功都稍小些,結(jié)合巖石總變形情況可知當(dāng)后傾角為13°,側(cè)轉(zhuǎn)角為15°時,巖石的變形更大些,故圓柱形PDC齒后傾角選13°,側(cè)轉(zhuǎn)角選15°;(2)進(jìn)行多齒分析時隨著切削深度的增加,巖石的最大總變形也在增加,切削齒和巖石的相互作用的區(qū)域破巖面積也在交叉擴(kuò)大,位于幾個切削齒之間的切削齒破巖區(qū)域相比其他區(qū)域來說要更大,這是因為在圓柱形PDC齒、錐形PDC齒之間的巖層不僅受到前一個齒的拉應(yīng)力作用,也受到后一個切削齒的擠壓切削作用,因此中間位置的切削齒破巖的區(qū)域會更大;(3)對于七個噴嘴采取非對稱布置形式,由分析結(jié)果可知,距離鉆頭中心較近的噴嘴3和噴嘴5對于清洗井底中心的巖屑能力較好,其中噴嘴5噴出的流體到達(dá)井底時最大流速達(dá)到了251.79m/s,這對于冷卻鉆頭中心附近區(qū)域切削齒的效果也是很好的;其他幾個噴嘴則對清洗井底周圍的巖屑能力較好,這種噴嘴布置形式是符合實際要求的。
【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】：2017
【分類號】：TE921.1

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 唐代緒;現(xiàn)有的保徑切削齒排列降低磨損和減少振動[J];國外油田工程;2003年02期

2 林英松;孔棟梁;黃名召;鄒德永;單清林;;含礫巖樣中切削齒沖擊載荷變化規(guī)律試驗[J];中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2012年03期

3 李樹盛，馬德坤，侯季康;PDC鉆頭運(yùn)動學(xué)研究[J];石油礦場機(jī)械;1996年04期

4 劉婧;高科;徐小健;李夢;;新型仿生PDC齒高效切削機(jī)理及試驗研究[J];探礦工程(巖土鉆掘工程);2013年12期

5 唐代緒,徐麗霞,武學(xué)芹,趙金海,GrahamMensa-Wilmot;PDC鉆頭切削齒改善了PDC鉆頭在硬地層中的鉆井性能[J];國外油田工程;2001年01期

6 馬清明;王瑞和;;PDC切削齒破巖受力的數(shù)值模擬研究[J];鉆采工藝;2006年04期

7 梁爾國;李子豐;鄒德永;;PDC鉆頭綜合受力模型的試驗研究[J];巖土力學(xué);2009年04期

8 張建平;;PDC鉆頭切削齒基體井底干涉的研究[J];中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量;2012年09期

9 羅超,王鎮(zhèn)泉,蔡鏡侖;一種特形PDC切削齒破巖特點(diǎn)的研究[J];石油礦場機(jī)械;1997年03期

10 王良光;定鉆壓、定轉(zhuǎn)速條件下PDC鉆頭單切削齒磨損規(guī)律研究[J];石油鉆探技術(shù);2004年03期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 李季陽;PDC切削齒的摩擦磨損機(jī)理及鉆井參數(shù)的優(yōu)化控制研究[D];北京科技大學(xué);2016年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 李凌宇;模擬月巖單齒切削應(yīng)力分析研究[D];中國地質(zhì)大學(xué)(北京);2015年

2 李勇;PDC鉆頭切削齒破巖過程熱分析與仿真[D];西南石油大學(xué);2012年

3 姜鑫;PDC切削齒抗沖擊性能研究[D];中國石油大學(xué)(華東);2014年

4 呂雁文;高速鋼絲錐刃口鈍化參數(shù)優(yōu)化及壽命試驗研究[D];太原科技大學(xué);2015年

5 付傳紅;旋切鉆頭破巖機(jī)理與實驗研究[D];西南石油大學(xué);2016年

6 龐小林;模塊化布齒的新型PDC鉆頭破巖特性研究[D];西南石油大學(xué);2015年

7 黃亞輝;高速PDC鉆頭的布齒設(shè)計研究[D];長江大學(xué);2017年

8 劉婧;仿生非光滑PDC切削齒切削機(jī)理與試驗研究[D];吉林大學(xué);2014年

9 劉永升;仿生PDC切削齒結(jié)構(gòu)設(shè)計與破巖機(jī)理研究[D];西南石油大學(xué);2015年

10 石志明;PDC齒切削載荷的測試與分析[D];西南石油大學(xué);2006年

，

本文編號：1285888