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双级PDC钻头的理论及试验研究

2020-12-05阅读(297)

双级PDC钻头的理论及试验研究

论文摘要

随着深井和超深井的增多,φ311mm及更大直径井段增多,提高深井大直径井段的机械钻速已成为一个急需解决的主要问题。双级PDC钻头通过钻出一段小井眼释放地层应力和产生一大的自由面,有效提高机械钻速。本文对双级PDC钻头进行较全面研究具有重要意义。①在岩土开挖及有限元的理论和方法的基础上,建立了双级PDC钻头和常规PDC钻头的井底有限元模型。提出用3个时间步较真实地模拟了开钻前、钻进过程中和井底形成后3种状态下的井底应力场,编写了有限元分析程序。经分析得到了一系列钻头的井底应力场。对比双级PDC钻头和常规PDC钻头的井底应力场,研究了其提高机械钻速的力学机理。通过对比不同导眼体直径的双级PDC钻头的井底应力场,优选出导眼体直径。②应用非牛顿流体力学、钻柱水力学和钻头水力学的理论,推导出了双级流量分配的方程组及参数影响的简化公式,编写了双级流量分配和喷嘴组合设计程序。经参变分析得出:导眼体分流流量随扩眼体喷嘴组的当量直径的增大而减小,随导眼体喷嘴组的当量直径的增大而增大,随级间段长的加长而减小的影响规律和曲线,和随其它参数变化影响的幅度。进而提出了双级流量分配的基本原则。③应用有限元方法和间隙元法思想,以全井钻柱为研究对象,提出钻头与地层接触为弹性接触的假设和用现代多向间隙接触理论实现间隙元的思想,建立了双级PDC钻头和常规PDC钻头的钻具组合的有限元分析模型。通过真实PDC钻头的性能模拟和曲线拟合,考虑钻头与地层的摩阻推导出PDC钻头扭矩预测公式;提出用迭代方法计算零钻压下的悬重和给定指重表钻压下的钻头钻压,较真实地模拟钻井的钻压-扭矩响应、稳定或振荡过程;考虑泥浆浮力、钻井液阻力偶、钻柱-井壁摩擦力及扭矩、钻头扭矩等边界条件,编写了有限元分析程序,研究了双级PDC钻头的井底钻具组合的井斜控制特性。分析双级PDC钻头的塔式钻具组合和塔式钟摆钻具组合得出:在小井斜和较大井眼扩大系数下,双级PDC钻头与塔式（钟摆）钻具组合配合使用具有较好的防斜作用。④在常规PDC钻头的设计理论和方法的基础上,提出了双级PDC钻头的设计步骤、流程和方法,开发出了双级PDC钻头优化设计软件。⑤通过现场试验,验证了理论研究结论的正确性和钻头设计的合理性。

论文目录

  • 中文摘要
  • 英文摘要
  • 创新点摘要
  • 主要符号表
  • 第1章 引言
  • 1.1 选题依据及研究双级PDC 钻头的意义
  • 1.2 国内外有关研究的现状
  • 1.2.1 常规 PDC 钻头的破岩机理研究概况
  • 1.2.2 常规 PDC 钻头的水力结构研究现状
  • 1.2.3 常规 PDC 钻头的设计模型及设计软件研究概况
  • 1.2.4 常规 PDC 钻头的使用技术研究现状
  • 1.3 本文研究的内容和技术路线
  • 1.3.1 主要研究内容
  • 1.3.2 技术路线
  • 第2章 双级PDC 钻头的井底应力场研究
  • 2.1 有限元程序或软件的发展简况
  • 2.2 井底应力场分析的有限元方法基础
  • 2.2.1 井底应力场分析的数学模型
  • 2.2.2 井底应力场分析的单元模型
  • 2.2.3 井底应力场分析的材料模型
  • 2.3 开挖方法的基本思想
  • 2.4 双级PDC钻头井底的应力场分析
  • 2.4.1 双级PDC 钻头的结构特点
  • 2.4.2 双级PDC钻头的井底模型描述
  • 2.4.3 求解选项
  • 2.4.4 双级PDC钻头的井底应力场的求解步骤
  • 2.4.5 双级PDC 钻头及常规 PDC 钻头的井底应力场的有限元分析程序
  • 2.4.6 井底应力场模型的验证
  • 2.4.7 双级PDC钻头的井底应力场
  • 2.5 常规 PDC 钻头井底的应力场分析
  • 2.5.1 常规 PDC 钻头的井底模型描述
  • 2.5.2 常规PDC钻头的井底应力场
  • 2.6 双级PDC 钻头和常规PDC 钻头的井底Mises 等效应力比较
  • 2.7 利用井底应力场优选双级 PDC 钻头的导眼体直径
  • 2.8 本章小结
  • 第3章 双级流量分配的理论研究
  • 3.1 双级分流系统
  • 3.2 双级流量分配公式推导
  • 3.2.1 并联管路水力特点
  • 3.2.2 喷嘴组压力降
  • 3.2.3 级间钻柱压耗
  • 3.3 双级流量分配及双级PDC 钻头两体喷嘴组设计程序
  • 3.4 双级流量分配的参变分析
  • 3.4.1 扩眼体喷嘴组的当量直径对导眼体分流流量的影响关系
  • 3.4.2 导眼体喷嘴组的当量直径对导眼体分流流量的影响关系
  • 3.4.3 级间段长对导眼体分流流量的影响关系
  • 3.4.4 其它参数对导眼体分流流量的影响关系
  • 3.5 双级流量分配的原则和方法
  • 3.6 本章小结
  • 第4章 双级PDC 钻头的钻具组合的有限元方法研究
  • 4.1 钻具组合分析的有限元方法基础
  • 4.1.1 钻具组合分析的数学模型
  • 4.1.2 钻具组合分析的单元模型
  • 4.2 钻进趋势预测方法
  • 4.2.1 常规钻头的钻井趋势预测方法
  • 4.2.2 双级PDC钻头的钻井趋势预测方法
  • 4.3 双级PDC 钻头的钻具组合模型描述
  • 4.3.1 双级PDC钻头的井眼及钻柱轴线假设
  • 4.3.2 双级PDC钻头的钻具组合的实体模型
  • 4.3.3 双级PDC钻头的钻具组合的有限元模型
  • 4.4 双级 PDC 钻头的钻具组合的有限元模型的求解
  • 4.4.1 求解选项
  • 4.4.2 模型求解过程
  • 4.5 双级 PDC 钻头和常规钻头的钻具组合的有限元分析程序
  • 4.6 有限元分析模型的检验
  • 4.6.1 计算基本参数
  • 4.6.2 检验用钻具组合及理论特性与实际特性比较
  • 4.7 双级 PDC 钻头的钻具组合的有限元方法分析
  • 4.7.1 塔式钻具组合
  • 4.7.2 塔式钟摆钻具组合
  • 4.8 本章小结
  • 第5章 双级PDC 钻头的设计步骤、流程及软件
  • 5.1 双级PDC 钻头的设计步骤
  • 5.1.1 设计针对的地层研究
  • 5.1.2 双级PDC 钻头的导眼体直径的确定
  • 5.1.3 双级PDC 钻头的导眼体的选型或设计
  • 5.1.4 双级PDC 钻头的扩眼体的设计
  • 5.1.5 级间段长的确定
  • 5.1.6 两级的喷嘴组设计
  • 5.2 双级 PDC 钻头的设计流程图
  • 5.3 双级 PDC 钻头的优化设计软件
  • 5.3.1 双级PDC 钻头的优化设计软件的界面
  • 5.3.2 双级PDC 钻头的优化设计软件的菜单
  • 5.4 本章小结
  • 第6章 双级PDC 钻头的开发及试验
  • 6.1 PD5352M-241.3x311.2 钻头的设计
  • 6.1.1 PD5352M-241.3x311.2 钻头设计针对的地层
  • 6.1.2 PD5352M-241.3x311.2 钻头的导眼体直径的确定
  • 6.1.3 PD5352M-241.3x311.2 钻头的导眼体的设计
  • 6.1.4 PD5352M-241.3x311.2 钻头的扩眼体的设计
  • 6.1.5 PD5352M-241.3x311.2 钻头的级间段长
  • 6.1.6 PD5352M-241.3x311.2 钻头的两体的喷嘴组
  • 6.1.7 PD5352M-241.3x311.2 钻头的设计数据汇总
  • 6.2 PD5352M-241.3x311.2 钻头的试验
  • 6.2.1 PD5352M-241.3x311.2 钻头的试验方案
  • 6.2.2 PD5352M-241.3x311.2 钻头的试验
  • 6.3 本章小结
  • 第7章 总结论
  • 参考文献
  • 附录A PDC钻头的扭矩公式研究
  • A.1 PDC 钻头扭矩分析理论
  • A.2 岩石强度、钻压和破岩扭矩间的关系
  • A.3 直径、钻压和破岩扭矩间的关系
  • A.4 任意岩石强度、直径、钻压下的破岩扭矩
  • A.5 PDC 钻头的摩擦扭矩
  • A.6 PDC 钻头的扭矩公式
  • 攻读博士学位期间取得的研究成果
  • 致谢
  • 作者简介

    • 相关论文文献

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