近年來,淺層油氣資源消耗巨大,難鉆井作業(yè)不斷增加以及頁巖氣開發(fā)成為熱點,導(dǎo)致常規(guī)鉆頭鉆井時出現(xiàn)牙齒磨損過快、機械鉆速下降明顯等問題,很難獲得理想的鉆進效果�；旌香@頭近幾年在國外的成功設(shè)計和應(yīng)用,表明其有著優(yōu)于常規(guī)鉆頭的破巖優(yōu)勢,但目前對其破巖機理研究甚少,導(dǎo)致混合鉆頭推廣受限。因此,本文采用理論和仿真相結(jié)合辦法,開展混合鉆頭破巖機理研究。具體研究內(nèi)容如下:(1)了解PDC鉆頭和牙輪鉆頭破巖過程,在此基礎(chǔ)上對混合鉆頭破巖機理進行研究。結(jié)果表明:混合鉆頭破巖是牙輪牙齒與PDC齒對巖石共同作用的結(jié)果,從而提高其破巖速度。(2)通過對PDC結(jié)構(gòu)和牙輪結(jié)構(gòu)破巖受力分析,推導(dǎo)混合鉆頭破巖力學(xué)公式。(3)將混合鉆頭、牙輪鉆頭、PDC鉆頭進行破巖仿真,驗證混合鉆頭相比于牙輪鉆頭和PDC鉆頭具有更好破巖效率。(4)研究混合鉆頭結(jié)構(gòu)對其破巖機理的影響,得到牙輪主導(dǎo)型混合鉆頭適用于相對硬的地層;PDC主導(dǎo)型混合鉆頭適用于相對軟的地層。(5)研究頁巖破碎機理。針對混合鉆頭與含層理性頁巖的相互作用機理進行研究,結(jié)果表明:混合鉆頭與巖石層理所成角度越小,鉆速越快;層理厚度越少,巖鉆速越快。
【學(xué)位單位】：西安石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TE921.1;TP391.9
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 研究目的與意義
    1.2 本文主要研究內(nèi)容
    1.3 研究路線
    1.4 混合鉆頭國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.4.1 混合鉆頭現(xiàn)場試驗情況
        1.4.2 破巖仿真研究
        1.4.3 破碎巖石機理研究現(xiàn)狀
    1.5 本章小結(jié)
第二章 混合鉆頭結(jié)構(gòu)及破巖機理
    2.1 PDC鉆頭結(jié)構(gòu)及失效形式
        2.1.1 PDC鉆頭結(jié)構(gòu)
        2.1.2 PDC鉆頭失效形式
    2.2 牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)及失效形式
        2.2.1 牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)
        2.2.2 牙輪鉆頭失效形式
    2.3 混合鉆頭結(jié)構(gòu)
    2.4 混合鉆頭工作原理
        2.4.1 PDC鉆頭破巖機理
        2.4.2 牙輪鉆頭破巖機理
        2.4.3 混合鉆頭破巖機理
    2.5 本章小結(jié)
第三章 混合鉆頭破巖特性理論研究
    3.1 巖石損傷理論分析
    3.2 巖石力學(xué)行為
        3.2.1 巖石彈塑性問題
        3.2.2 巖石本構(gòu)模型
        3.2.3 非線性接觸模型
    3.3 混合鉆頭破巖過程熱理論分析
        3.3.1 破巖過程熱產(chǎn)生和傳導(dǎo)
        3.3.2 鉆頭溫度理論分析
    3.4 混合鉆頭切削齒受力分析
        3.4.1 PDC切削齒接觸力分析
        3.4.2 牙輪牙齒接觸力分析
    3.5 混合鉆頭破巖受力分析
        3.5.1 混合鉆頭PDC結(jié)構(gòu)破巖受力分析
        3.5.2 混合鉆頭牙輪結(jié)構(gòu)破巖受力分析
        3.5.3 PDC結(jié)構(gòu)與牙輪結(jié)構(gòu)共同作用破巖受力分析
    3.6 本章小結(jié)
第四章 混合鉆頭破巖有限元模型建立
    4.1 軟件簡介
    4.2 混合鉆頭有限元模型建立
        4.2.1 仿真假設(shè)
        4.2.2 仿真模型建立
        4.2.3 約束及邊界條件
        4.2.4 材料屬性
        4.2.5 網(wǎng)格劃分
    4.3 有限元模型驗證
        4.3.1 仿真模型驗證
        4.3.2 仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比
    4.4 本章小結(jié)
第五章 混合鉆頭破巖特性有限元分析
    5.1 破巖量分析
    5.2 應(yīng)力分析
    5.3 能耗分析
    5.4 鉆頭導(dǎo)向能力分析
    5.5 扭矩分析
    5.6 軟硬交替地層混合鉆頭與PDC鉆頭破巖對比
    5.7 溫度分析
        5.7.1 混合鉆頭切削齒溫度分析
        5.7.2 混合鉆頭與PDC、牙輪鉆頭溫度對比
        5.7.3 不同鉆壓下溫度分析
        5.7.4 軟硬地層溫度分析
    5.8 縱向相對高度對破巖影響
        5.8.1 縱向相對高度對鉆壓分配的影響
        5.8.2 縱向相對高度對溫度影響
        5.8.3 縱向相對高度對鉆速影響
        5.8.4 縱向相對高度對破巖井底的影響
    5.9 本章小結(jié)
第六章 混合鉆頭破碎頁巖研究
    6.1 頁巖發(fā)展與基本特征
    6.2 頁巖本構(gòu)模型
    6.3 頁巖破碎分析
        6.3.1 頁巖破巖模型建立
        6.3.2 層理角度和厚度對鉆速的影響
    6.4 小結(jié)
第七章 總結(jié)
    7.1 主要研究成果
    7.2 主要創(chuàng)新點
    7.3 思考與展望
致謝
參考文獻
攻讀碩士學(xué)位期間參加科研情況及獲得的學(xué)術(shù)成果

【參考文獻】

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本文編號：2859344