本文選題：單齒破巖　切入點：混合式單牙輪鉆頭　出處：《西南石油大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：單牙輪鉆頭因其在鉆進過程中遭受的沖擊載荷小,且軸承壽命長而被廣泛應(yīng)用于深井和小井眼鉆井中。但是目前油田廣泛使用的球形單牙輪鉆頭,其牙齒在鉆進硬地層和高研磨性地層中的先期磨損和折斷比較嚴重,造成其壽命降低。而最近幾年研發(fā)設(shè)計的異形單牙輪鉆頭雖在牙齒磨損方面做出了改進,但是它在鉆進過程中的側(cè)向力較大,鉆頭偏磨較為嚴重。為了克服單牙輪鉆頭的這些缺陷,本文結(jié)合單牙輪鉆頭和PDC鉆頭破巖特點,設(shè)計了一種新型的單牙輪鉆頭,并對其鉆進過程進行了臺架實驗和數(shù)值模擬研究,具體內(nèi)容如下:(1)本文對單牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)和性能特點進行了闡述,詳細介紹了單牙輪鉆頭的幾何學基本方程及鉆頭失效形式,詳細分析了地層特性、鉆壓及轉(zhuǎn)速對單牙輪鉆頭鉆進的影響規(guī)律。(2)在考慮地層滲透性的作用下,研究了單牙輪鉆頭鉆進過程,近井底地層的孔隙壓力變化。根據(jù)滲流力學原理,建立了微分方程并求解得到井底孔隙壓力分布。在充分考慮井底受力的條件下,建立了適用于不同滲透率儲層的單牙輪鉆頭單齒破巖數(shù)學模型,并進行了應(yīng)用分析。結(jié)果表明:1)低滲地層,鉆井液液柱壓力和孔隙壓力對牙齒鉆進的影響較小;2)高滲地層相比低滲地層,牙齒鉆進對垂向載荷的變化更加敏感,故在滲透率較高的地層,增加牙齒的垂向載荷能夠有效地提高鉆頭的破巖效率;3)相對于低滲透地層,地層滲透率較高時,減小名義壓差對提高鉆速更有效果。(3)基于已有的單牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計原理,本文分別對現(xiàn)有的牙掌和牙輪結(jié)構(gòu)進行了改進,設(shè)計了一種混合式單牙輪鉆頭(該鉆頭結(jié)構(gòu)已經(jīng)申請了發(fā)明專利并獲得授權(quán)一種混合式單牙輪鉆頭201410011199.8);(4)設(shè)計臺架實驗,對混合式、球形和異形單牙輪鉆頭的軸向力、側(cè)向力、進尺位移及巖石破碎量等參數(shù)進行測量,并將三者的這些參數(shù)進行對比分析,結(jié)果表明混合式單牙輪鉆頭的側(cè)向力比較小,鉆進穩(wěn)定性比異形單牙輪鉆頭好,機械鉆速相比球形單牙輪鉆頭高;(5)建立了混合式單牙輪鉆頭與巖石互作用有限元模型并對其破巖進行了數(shù)值模擬。通過對比實驗和模擬的鉆壓時程曲線和進尺量驗證了數(shù)值模擬的可靠性。通過實驗和仿真數(shù)據(jù)的對比,詳細分析了混合式單牙輪鉆頭的井底模式,對其各部分牙齒的運動形式有了初步的認知,然后利用仿真數(shù)據(jù)分析了各齒圈牙齒的載荷的分布以及其隨鉆壓的變化,得出牙掌內(nèi)邊緣PDC齒和牙輪大端牙齒是混合單牙輪鉆頭的主要切削部位,且切削齒載荷最大值出現(xiàn)在牙輪大端。實驗和數(shù)值模擬結(jié)果表明:該混合單牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,鉆頭破巖效率得到了一定的提高,側(cè)向力相對異形單牙輪鉆頭得到了改進。
[Abstract]:Single cone bit is widely used in deep well and small hole drilling because of its small impact load and long bearing life, but spherical single cone bit is widely used in oil field at present. The tooth wear and break in hard formation and high abrasive formation are serious, which reduces its life. Although the special-shaped single cone bit developed in recent years has been improved in tooth wear, In order to overcome these defects of single cone bit, a new type of single cone bit is designed based on the characteristics of single cone bit and PDC bit. In this paper, the structure and performance characteristics of single cone bit are described, and the geometric basic equation and failure form of single cone bit are introduced in detail. The effects of formation characteristics, drilling pressure and rotational speed on drilling of single cone bit are analyzed in detail. Considering the permeability of formation, the drilling process of single cone bit and the change of pore pressure near bottom hole are studied. According to the principle of percolation mechanics, The differential equation is established and the distribution of bottom hole pore pressure is obtained. The mathematical model of single tooth breaking rock of single cone bit suitable for different permeability reservoirs is established under the condition of fully considering the stress on bottom hole. The results show that the influence of drilling fluid column pressure and pore pressure on tooth drilling is smaller in low permeability formation than in low permeability formation, and tooth drilling is more sensitive to the change of vertical load than that in low permeability formation. Therefore, in the formation with high permeability, increasing the vertical load of the teeth can effectively improve the rock breaking efficiency of the drill bit (3) compared with the low permeability formation, when the formation permeability is higher, It is more effective to reduce nominal pressure difference to increase drilling speed. (3) based on the structural design principle of single cone bit, the existing palms and wheel structures are improved respectively in this paper. A hybrid single-cone bit (the structure of which has been patented and authorized to be used in 201410011199.8) is designed to design a bench test for the axial and lateral forces of the hybrid, spherical and special-shaped single cone bit. The parameters such as advance displacement and rock breakage are measured and compared with each other. The results show that the lateral force of the hybrid single cone bit is smaller and the drilling stability is better than that of the special-shaped single cone bit. A finite element model of the interaction between a hybrid single cone bit and a rock is established and its rock breaking is simulated numerically. The time history curve of drilling pressure and the feed rate are compared with each other. The reliability of numerical simulation is verified. The bottom hole mode of hybrid single-cone bit is analyzed in detail, and the movement form of each part of the bit is preliminarily recognized. Then, the load distribution of the teeth in each gear ring and its variation with drilling pressure are analyzed by using the simulation data. The results show that the PDC teeth and the large end teeth are the main cutting parts of the hybrid mono-cone bit, and the maximum load of the cutting teeth appears at the large end of the cone. The experimental and numerical simulation results show that the structure of the hybrid single-cone bit is reasonable. The rock breaking efficiency of bit is improved to some extent, and the lateral force is improved relative to special-shaped single cone bit.
【學位授予單位】：西南石油大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TE921.1

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本文編號：1624873