本文選題：PDC鉆頭 + 離散元��； 參考：《西南石油大學》2017年碩士論文

【摘要】：PDC鉆頭破巖進尺已占到鉆井總進尺的80%以上,它具有單位進尺成本低、鉆速高及使用壽命長等特點。目前,PDC鉆頭在深部地層的鉆探開發(fā)中得到了廣泛的應用,其破巖效率主要受切削齒破巖效率的影響。在鉆進過程中,切削齒參數(shù)、鉆進參數(shù)及巖石特性等因素對PDC切削齒的力學性能有著重要的影響。在整個鉆進破巖過程中,PDC鉆頭的切削齒與巖石直接接觸,鉆頭切削參數(shù)的不合理將會導致到鉆頭的穩(wěn)定性差、切削齒失效等現(xiàn)象的產(chǎn)生,從而降低了使用壽命。因此,研究切削齒與巖石的互作用過程對于減少切削齒損耗和提高破巖效率有著重要意義。本文在前人研究的基礎上,通過實驗與離散元法研究了 PDC鉆頭切削齒在動態(tài)鉆進過程中的力學性能。論文的主要研究內(nèi)容如下:(1)根據(jù)離散元的基本理論和巖石的力學性質(zhì),建立了巖石的虛擬單軸壓縮實驗和虛擬巴西劈裂法實驗。在巖石的單軸壓縮實驗和巴西劈裂法實驗的基礎上推導出了巖石的細觀參數(shù),確定出了巖石的二維和三維離散元模型的本構關系。最后,利用實驗對數(shù)值模擬結果進行了驗證。(2)在巖石的二維和三維離散元模型的基礎上分別建立了 PDC單齒切削巖石的二維和三維離散元模型。通過兩種模型分別討論了切削齒前傾角和切削深度對破巖效果的影響規(guī)律。(3)建立了 PDC單齒切削圓盤形狀巖石的離散元模型,分析了不同切削方式對破巖效果的影響規(guī)律,并對切削齒的鉆進參數(shù)進行了數(shù)值模擬分析;建立了 PDC單齒切削凹型和凸型巖石的離散元模型,并討論了不同巖石地貌形狀對PDC單齒破巖效果的影響。(4)建立了 PDC鉆頭單刀翼破巖離散元模型,分析了機械鉆速與轉(zhuǎn)速對各切削齒的影響規(guī)律。并針對PDC單齒在切削巖石過程中的"攻擊性"與破碎比功進行了研究。在相同機械鉆速和轉(zhuǎn)速情況下,切削齒的扭矩和軸向力均隨鉆頭中心軸線距離的增大呈先增大再減小的變化趨勢。各切削齒所受的切削力均隨機械鉆速的增大而增大,且肩部附近齒的切削力最大,而轉(zhuǎn)速對切削力的影響較小。其它條件不變,機械鉆速對"攻擊性"的影響較小;切削齒的"攻擊性"隨轉(zhuǎn)速的增大而增大。(5)建立了 PDC全鉆頭破巖離散元模型,并對全鉆頭各切削齒的扭矩與軸向力的分布趨勢作出了預測,利用PDC全鉆頭破巖室內(nèi)臺架實驗對該模型的計算結果進行了驗證。討論了全鉆頭各切削齒的載荷與破碎比功對破巖效果的影響;并針對全鉆頭各刀翼切削齒的扭矩和軸向力進行了對比分析。研究結果表明:在PDC全鉆頭破巖過程中,鉆頭包絡面及外錐附近切削齒的扭矩值大于其它切削齒,軸向力沿鉆頭包絡線由中心到外側(cè)呈逐漸減小的變化趨勢。隨鉆頭徑向距離的增大時,各刀翼切削齒的扭矩先增大再減小,而軸向力則逐漸減小。通過全鉆頭破碎砂巖數(shù)值模擬結果的鉆壓值和扭矩值與實驗測試的誤差分別為9.32%和3.64%。證實了 PDC全鉆頭破巖離散元模型的準確性與可行性。
[Abstract]:The rock breaking step of PDC bit has accounted for more than 80% of the total drilling length. It has the characteristics of low cost, high drilling speed and long service life. At present, PDC bit has been widely used in the drilling and development of deep strata, and its rock breaking efficiency is mainly influenced by the cutting efficiency of cutting teeth. In the process of drilling, the parameters of cutting teeth and drilling parameters are used. The factors such as number and rock characteristics have an important influence on the mechanical properties of the PDC cutting teeth. In the whole drilling and breaking process, the cutting teeth of the PDC bit are directly contacted with the rock. The unreasonable cutting parameters of the bit will lead to the bad stability of the bit, the failure of the cutting teeth and so on, thus reducing the service life. Therefore, the study of the cutting teeth will be reduced. The interaction process of cutting teeth and rock is of great significance for reducing the loss of cutting teeth and improving the efficiency of rock breaking. On the basis of previous studies, this paper studies the mechanical properties of PDC bit cutting teeth in dynamic drilling through experiments and discrete element method. The main research contents of this paper are as follows: (1) according to the basic theory of discrete element and the basic theory of discrete element, On the basis of the mechanical properties of rock, the virtual uniaxial compression experiment of rock and the experiment of the virtual Brazil splitting method are established. On the basis of the uniaxial compression experiment of rock and the experiment of the Brazil splitting method, the mesoscopic parameters of rock are derived and the constitutive relation of the two and three dimensional discrete element model of the rock is determined. Finally, the numerical simulation junction is used in the experiment. The results are verified. (2) on the basis of the two-dimensional and three-dimensional discrete element models of rock, the two-dimensional and three-dimensional discrete element models of PDC single tooth cutting rocks are established respectively. Through two models, the influence rules of the cutting tooth dip angle and the cutting depth on the rock breaking effect are discussed respectively. (3) the discretization of the PDC single tooth cutting disc shape rock is established. The influence law of different cutting methods on rock breaking effect is analyzed, and the drilling parameters of the cutting teeth are simulated and analyzed. The discrete element model of the PDC single tooth cutting concave and convex rock is established, and the influence of different rock geomorphic shapes on the PDC single tooth rock breaking effect is discussed. (4) the single wing breaking rock of the PDC bit is established. In the discrete element model, the influence of the mechanical drilling speed and speed on the cutting teeth is analyzed. The "aggressiveness" and the crushing work of the PDC single tooth in the process of cutting rock are studied. The torque and axial force of the cutting teeth increase first and then decrease with the increase of the distance between the center axis of the drill and the same mechanical drilling speed and speed. The cutting force of each cutting tooth is increased with the increase of the mechanical drilling speed, and the cutting force of the teeth near the shoulder is maximum, and the speed has little influence on the cutting force. Other conditions are not constant, the influence of the mechanical drilling speed on the "aggressiveness" is smaller; the cutting tooth "aggressiveness" increases with the speed of the cutting. (5) the PDC whole bit rock breaking rock is established. The discrete element model is used to predict the distribution trend of torque and axial force of the whole bit cutting teeth. The calculation results of the model are verified by the bench test of PDC full bit rock breaking room. The effect of the load and the crushing specific work of the cutting teeth on the whole bit on the rock breaking effect is discussed. The torque and axial force are compared and analyzed. The results show that the torque value of the cutting teeth of the bit envelope and the outer cone is larger than that of other cutting teeth in the PDC whole bit rock breaking process, and the axial force decreases gradually along the center to the outside of the bit envelope. The moment first increases and then decreases, while the axial force decreases gradually. The accuracy and feasibility of the discrete element model of PDC whole bit breaking rock is confirmed by the error of the drilling pressure and the torque value of the numerical simulation results of the full bit broken sandstone and the error of the experimental test by 9.32% and 3.64%. respectively.

【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

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 磊焱;第5屆國際爆炸破巖會議[J];有色金屬(礦山部分);1996年06期

2 磊焱;第五屆國際爆破破巖會議[J];礦冶;1996年04期

3 吳立,張時忠,林峰;現(xiàn)代破巖方法綜述[J];探礦工程(巖土鉆掘工程);2000年02期

4 任建華;徐依吉;趙健;趙緒龍;張萌;;粒子沖擊破巖的數(shù)值模擬分析[J];高壓物理學報;2012年01期

5 李福秀;;冶金用破巖槍[J];湖南冶金;1988年05期

6 凌勝;;對機械破巖鉆孔機械分類的商榷[J];鑿巖機械氣動工具;1993年02期

7 貫荔;第五屆國際爆破破巖會議召開[J];爆破器材;1996年06期

8 貫荔;第五屆國際爆破破巖會議[J];化工礦山技術;1996年06期

9 張作龍,梁忠民;高壓淹沒水射流破巖實驗研究[J];石油礦場機械;2000年05期

10 李根生,易燦,吳波;雙射流噴嘴破巖擴孔的實驗研究[J];石油鉆探技術;2001年03期

相關會議論文 前9條

1 陳剛;況雨春;張方舉;陳煉;;鋼粒子沖擊破巖實驗研究[A];第十屆全國沖擊動力學學術會議論文摘要集[C];2011年

2 李斌;楊春雷;;鉆頭破巖效率的仿真分析[A];第十屆全國巖石力學與工程學術大會論文集[C];2008年

3 冉恒謙;陳慶壽;李功伯;葛克水;;爆炸動水壓力破巖系統(tǒng)的研究[A];巖土鉆掘技術在資源、環(huán)境和工程建設中的應用與發(fā)展學術論文集[C];2001年

4 袁忠林;;軟破巖掘支新工藝在張家洼鐵礦的研究和應用[A];魯冀晉瓊粵川六省金屬學會第十四屆礦山學術交流會論文集[C];2007年

5 金國棟;;淺談高水壓破巖[A];第四屆全國巖石破碎學術討論會論文集[C];1989年

6 董惠娟;白良浩;呂巖;張春暉;;自進式高壓水射流破巖的數(shù)值模擬分析[A];巖石力學與工程的創(chuàng)新和實踐：第十一次全國巖石力學與工程學術大會論文集[C];2010年

7 楊永印;裴建忠;劉天科;路飛;艾文斌;李新輝;孫偉良;;切入式旋轉(zhuǎn)射流流場特點及破巖效果[A];中國職業(yè)安全健康協(xié)會2010年學術年會論文集[C];2010年

8 楊迎新;張文衛(wèi);李斌;劉勇;林敏;;牙齒破巖效率的評價及牙齒優(yōu)選探討[A];新世紀 新機遇 新挑戰(zhàn)——知識創(chuàng)新和高新技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展（下冊）[C];2001年

9 張合沛;李鳳遠;王助鋒;;基于PLC刀盤刀具破巖模態(tài)實驗平臺控制系統(tǒng)設計[A];2012年中鐵隧道集團低碳環(huán)保優(yōu)質(zhì)工程修建技術專題交流會論文集[C];2012年

相關重要報紙文章 前5條

1 記者 趙世振　通訊員 李江輝;高效破巖工具打破國外壟斷[N];中國石化報;2010年

2 通訊員 李江輝　梁子波 記者 孫明河;勝利鉆井院高頻扭轉(zhuǎn)沖擊破巖工具井下試驗成功[N];科技日報;2010年

3 特約記者 林勇;油田高頻扭轉(zhuǎn)沖擊破巖工具填補國內(nèi)空白[N];東營日報;2010年

4 通訊員 王瀅邋張斌 記者 羅建東;超高壓噴射破巖技術在吐哈試驗成功[N];中國石油報;2007年

5 ;勝利鉆井院新工具井下試驗成功[N];中國技術市場報;2010年

相關博士學位論文 前1條

1 趙金昌;高溫高壓條件下沖擊—切削鉆孔破巖實驗研究[D];太原理工大學;2010年

相關碩士學位論文 前10條

1 王樂;基于破巖能耗的TBM盤形滾刀的刀刃角設計[D];華北電力大學;2015年

2 王寶金;粒子沖擊破巖試驗裝置的研制與試驗研究[D];東北石油大學;2015年

3 賈權;盾構滾刀磨損壽命預測及破巖仿真研究[D];西南交通大學;2016年

4 李洋;粒子射流沖擊破巖實驗研究[D];東北石油大學;2016年

5 蔡晨晨;盤形滾刀沖擊滾壓破巖分析及破巖力影響因素的研究[D];揚州大學;2016年

6 董貴良;室內(nèi)滾刀破巖實驗與施工數(shù)據(jù)對比分析[D];北京工業(yè)大學;2016年

7 魏斌;爆破破巖模擬的DDA方法及其應用[D];西南科技大學;2016年

8 張柏;單軸載荷破巖電磁輻射特性研究[D];湖南科技大學;2016年

9 李濤;基于顆粒流模型的TBM滾刀破巖過程細觀特征規(guī)律研究[D];西南交通大學;2017年

10 張明明;基于離散元方法的PDC鉆頭破巖仿真研究[D];西南石油大學;2017年

，

本文編號：1896613