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

【摘要】：單牙輪鉆頭因其在鉆進(jìn)過程中遭受的沖擊載荷小,且軸承壽命長(zhǎng)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(jìn)硬地層和高研磨性地層中的先期磨損和折斷比較嚴(yán)重,造成其壽命降低。而最近幾年研發(fā)設(shè)計(jì)的異形單牙輪鉆頭雖在牙齒磨損方面做出了改進(jìn),但是它在鉆進(jìn)過程中的側(cè)向力較大,鉆頭偏磨較為嚴(yán)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(diǎn),設(shè)計(jì)了一種新型的單牙輪鉆頭,并對(duì)其鉆進(jìn)過程進(jìn)行了臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,具體內(nèi)容如下:(1)本文對(duì)單牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)進(jìn)行了闡述,詳細(xì)介紹了單牙輪鉆頭的幾何學(xué)基本方程及鉆頭失效形式,詳細(xì)分析了地層特性、鉆壓及轉(zhuǎn)速對(duì)單牙輪鉆頭鉆進(jìn)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(jìn)過程,近井底地層的孔隙壓力變化。根據(jù)滲流力學(xué)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(chǔ)層的單牙輪鉆頭單齒破巖數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)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(duì)牙齒鉆進(jìn)的影響較小;2)高滲地層相比低滲地層,牙齒鉆進(jìn)對(duì)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(duì)于低滲透地層,地層滲透率較高時(shí),減小名義壓差對(duì)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(jì)原理,本文分別對(duì)現(xiàn)有的牙掌和牙輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),設(shè)計(jì)了一種混合式單牙輪鉆頭(該鉆頭結(jié)構(gòu)已經(jīng)申請(qǐng)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(jì)臺(tái)架實(shí)驗(yàn),對(duì)混合式、球形和異形單牙輪鉆頭的軸向力、側(cè)向力、進(jìn)尺位移及巖石破碎量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,并將三者的這些參數(shù)進(jìn)行對(duì)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(jìn)穩(wěn)定性比異形單牙輪鉆頭好,機(jī)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(duì)其破巖進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)和模擬的鉆壓時(shí)程曲線和進(jìn)尺量驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。通過實(shí)驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比,詳細(xì)分析了混合式單牙輪鉆頭的井底模式,對(duì)其各部分牙齒的運(yùn)動(dòng)形式有了初步的認(rèn)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(shí)驗(yàn)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(jì)合理,鉆頭破巖效率得到了一定的提高,側(cè)向力相對(duì)異形單牙輪鉆頭得到了改進(jìn)。
[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(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TE921.1

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 邱黎樟;“新型高速牙輪鉆頭研究”項(xiàng)目通過鑒定[J];西南石油學(xué)院學(xué)報(bào);2000年04期

2 胡辛禾;能量平衡的牙輪鉆頭[J];石油機(jī)械;2002年12期

3 陳敏;呂建國(guó);劉寶林;李國(guó)民;肖天鵬;;直井牙輪鉆頭碎巖功率研究[J];石油鉆探技術(shù);2006年02期

4 李思濤;馬德坤;夏宇文;;單牙輪鉆頭牙齒齒形研究[J];石油礦場(chǎng)機(jī)械;2012年06期

5 ;牙輪鉆頭技術(shù)座談會(huì)在北京召開[J];礦山機(jī)械;1975年01期

6 丁振X;賴傳輝;;礦用牙輪鉆頭鑒定會(huì)在武漢市召開[J];金屬礦山;1979年04期

7 唐漢祥;;兩牙輪鉆頭[J];石油鉆采機(jī)械通訊;1979年03期

8 姜榮超;;影響牙輪鉆頭壽命諸因素的初步分析[J];礦山機(jī)械;1981年01期

9 陳步邱;;國(guó)外牙輪鉆頭的改進(jìn)[J];礦山機(jī)械;1982年01期

10 張啟昌;使用壽命最長(zhǎng)的牙輪鉆頭[J];石油鉆采機(jī)械;1983年05期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 丁振X;任寶林;;礦用牙輪鉆頭軸承受力的試驗(yàn)研究[A];第四屆全國(guó)巖石破碎學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集[C];1989年

2 劉正模;;牙輪鉆頭的自動(dòng)注油潤(rùn)滑[A];巖石破碎理論與實(shí)踐——全國(guó)第五屆巖石破碎學(xué)術(shù)會(huì)論文選集[C];1992年

3 朱才朝;;牙輪鉆頭縱向橫向扭轉(zhuǎn)振動(dòng)動(dòng)力學(xué)仿真研究[A];新世紀(jì) 新機(jī)遇 新挑戰(zhàn)——知識(shí)創(chuàng)新和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展（下冊(cè)）[C];2001年

4 林敏;楊迎新;馬德坤;劉琪;;牙輪鉆頭刮切破巖的實(shí)驗(yàn)研究方法[A];新世紀(jì)巖石力學(xué)與工程的開拓和發(fā)展——中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)第六次學(xué)術(shù)大會(huì)論文集[C];2000年

5 張文衛(wèi);;牙輪鉆頭牙齒作用方式對(duì)破巖效果的影響[A];巖石破碎理論與實(shí)踐——全國(guó)第五屆巖石破碎學(xué)術(shù)會(huì)論文選集[C];1992年

6 羅磊;李興寶;丁鵬;任曉宇;;長(zhǎng)北8-1/2寸牙輪鉆頭失效分析及改進(jìn)[A];創(chuàng)新·質(zhì)量·低碳·可持續(xù)發(fā)展——第十屆寧夏青年科學(xué)家論壇石化專題論壇論文集[C];2014年

7 黃春申;;四川地區(qū)二迭系(樂二、陽三)巖石在牙輪鉆頭破巖試驗(yàn)機(jī)上做破巖試驗(yàn)的研究[A];巖石破碎理論與實(shí)踐——全國(guó)第五屆巖石破碎學(xué)術(shù)會(huì)論文選集[C];1992年

8 胡永賀;;浮動(dòng)式牙輪鉆頭的研制[A];巖石破碎理論與實(shí)踐——全國(guó)第五屆巖石破碎學(xué)術(shù)會(huì)論文選集[C];1992年

9 甘行平;;PZ系列組合牙輪鉆頭及其嵌巖技術(shù)的研究[A];中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院“九五”科技成果匯編[C];2001年

10 鄧嶸;艾之久;王方;;牙輪鉆頭CAD/CAE研究[A];面向21世紀(jì)的生產(chǎn)工程——2001年“面向21世紀(jì)的生產(chǎn)工程”學(xué)術(shù)會(huì)議暨企業(yè)生產(chǎn)工程與產(chǎn)品創(chuàng)新專題研討會(huì)論文集[C];2001年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前10條

1 曹海峰;江鉆股份牙輪鉆頭出口退稅率獲調(diào)高[N];中國(guó)石化報(bào);2009年

2 劉臣武;武冶重工成功開發(fā)礦用牙輪鉆頭新產(chǎn)品[N];中國(guó)冶金報(bào);2009年

3 通訊員 王霞邋梁玉萍 記者 冷春放;大直徑全面鉆進(jìn)牙輪鉆頭填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白[N];中國(guó)石油報(bào);2008年

4 王霞 冷春放;國(guó)內(nèi)直徑最大全面鉆進(jìn)牙輪鉆頭問世[N];地質(zhì)勘查導(dǎo)報(bào);2008年

5 陳立�！」�;寶石機(jī)械成都公司研制成功國(guó)內(nèi)新型螺旋布齒牙輪鉆頭[N];中國(guó)石化報(bào);2010年

6 通訊員 陳立希　郭芳;國(guó)內(nèi)首只新型螺旋布齒牙輪鉆頭在成都寶石公司研制成功[N];中國(guó)石油報(bào);2010年

7 記者 李祖詩;科技插翅 效益騰飛[N];中國(guó)石化報(bào);2001年

8 孫海濤;不斷發(fā)展牙輪鉆頭核心技術(shù)[N];中國(guó)石化報(bào);2007年

9 本報(bào)記者 于銀花　仇國(guó)強(qiáng);高速牙輪鉆頭消除深井鉆探“瓶頸”[N];中國(guó)石化報(bào);2010年

10 石建芬　曹海峰;江鉆國(guó)際市場(chǎng)銷售收入創(chuàng)新高[N];中國(guó)石化報(bào);2011年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 王國(guó)榮;牙輪鉆頭浮動(dòng)套軸承工作機(jī)理研究[D];西南石油學(xué)院;2004年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 劉云勝;單牙輪鉆頭輪體速比的仿真研究[D];西南石油大學(xué);2012年

2 蔣龍;牙輪鉆頭軸承表面織構(gòu)加工及其對(duì)摩擦學(xué)性能影響的研究[D];西南石油大學(xué);2016年

3 郝廣輝;牙輪鉆頭球面浮動(dòng)套軸承激光淬火技術(shù)研究與應(yīng)用[D];西南石油大學(xué);2016年

4 李孟華;混合式單牙輪鉆頭破巖數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究[D];西南石油大學(xué);2017年

5 賀軍超;牙輪鉆頭球面浮動(dòng)套軸承潤(rùn)滑與磨損研究[D];西南石油大學(xué);2017年

6 王林;高速牙輪鉆頭螺旋組合密封排砂及密封機(jī)理研究[D];西南石油大學(xué);2017年

7 李占川;礦用牙輪鉆頭運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)研究[D];東北大學(xué);2012年

8 唐東;基于有限元方法的單牙輪鉆頭性能評(píng)價(jià)研究[D];西南石油大學(xué);2015年

9 楊斌;牙輪鉆頭浮動(dòng)套軸承接觸應(yīng)力分析研究[D];西南石油學(xué)院;2005年

10 熊尉伶;球面浮動(dòng)套軸承在牙輪鉆頭中的應(yīng)用研究[D];西南石油大學(xué);2015年

，

本文編號(hào)：1624873