论文题目: 物探潜孔钻头破岩机理、动力学研究及结构改进
论文类型: 硕士论文
论文专业: 机械设计及理论
作者: 金鑫
导师: 黄志强,刘清友
关键词: 潜孔钻头,失效分析,破岩机理,动力学研究,结构设计
文献来源: 西南石油学院
发表年度: 2005
论文摘要: 本文在收集分析国内外冲击钻头和冲旋钻井工艺有关资料的基础上,针对目前地球物理勘探用潜孔钻头在现场应用中损耗严重、使用不当等问题,分别从失效分析、破岩机理、冲击系统动力学、牙齿受力分析、钻头结构设计等方面开展了潜孔钻头的相关理论研究工作,以期对潜孔钻头的结构设计及其钻井工艺改进提供理论依据。论文主要开展了以下几个方面的研究工作: (1)潜孔钻头的失效分析。结合工况条件,分析物探钻头各部分的失效机理,找到其失效原因,为钻头的结构设计和加工工艺改进提供依据; (2)潜孔钻头的破岩机理研究。利用显式动力学软件LS-DYNA对不同齿形牙齿的破岩过程进行仿真,并结合岩石断裂力学、损伤力学和侵彻力学相关理论,对冲击载荷下岩石的破碎机理、影响破岩效率的主要因素进行研究,为钻头牙齿齿形选择和钻井工艺相关参数确定提供理论依据; (3)潜孔冲击系统的动力学研究。利用波动理论和能量破碎理论建立系统动力学模型,找到冲击系统钻具、岩石、钻井技术参数等的联系,并对冲击载荷下岩石阻力模型和钻头与岩石互作用模型的建立进行探讨。目的是描述物探钻头冲击破岩过程,进一步确定合理的钻头结构参数和钻井技术参数; (4)潜孔钻头牙齿受力分析和边齿倾角设计。对中间齿和边齿分别进行力学分析和冲击疲劳寿命研究,给出牙齿结构参数、边齿倾角的确定方法和计算公式。 (5)潜孔钻头主要结构和加工工艺的改进设计。根据前面的研究成果和前人的设计经验,对钻头端面形状、排气孔、排渣槽、花键、齿形、布齿等进行改进设计,并给出改进后的物探钻头三维实体模型。
论文目录:
摘要
Abstract
目录
1 引言
1.1 课题来源、背景与研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 冲旋钻井技术的破岩特点
1.2.2 冲击器发展概况
1.2.2 冲旋钻井用钻头发展概况
1.2.3 钻头与岩石互作用研究
1.2.4 目前冲旋钻井技术存在的问题
1.2.5 冲旋钻井技术的研究方向
1.3 本课题研究方案
1.3.1 研究目标
1.3.2 主要研究内容
1.3.3 技术路线
2 物探钻头失效分析
2.1 物探钻头本体失效分析
2.1.1 钻头冲击端面失效分析
2.1.2 钻头花键失效分析
2.2 物探钻头牙齿失效分析
2.2.1 齿的脱落
2.2.2 齿的断裂
2.2.3 齿的磨损
2.2.4 牙齿裂纹的扩展与磨损关系
2.3 本章小结
3 冲击载荷下岩石破碎机理研究
3.1 冲击载荷下岩石的力学性质
3.2 冲击破岩机理理论研究
3.2.1 冲击载荷下岩石的破碎机理
3.2.2 破岩效率的影响因素
3.3 冲击破岩机理仿真研究
3.3.1 LS-DYNA简介
3.3.2 有限元模型
3.3.3 计算结果及分析
3.4 本章小结
4 物探冲击钻具系统动力学研究
4.1 定义系统能量传递效率
4.2 冲击动力学理论
4.3 动载下岩石特性描述
4.4 冲锤-钻头-岩石动力学模型
4.4.1 模型的简化
4.4.2 假设条件
4.4.3 系统动力学方程
4.4.4 算例
4.4.5 应用分析
4.5 对钻头与岩石互作用模型研究的探讨
4.5.1 对岩石抗冲击破碎阻力的探讨
4.5.2 对建立钻头与岩石互作用模型的讨论
4.6 本章小结
5 物探钻头牙齿受力分析与倾角设计
5.1 中间齿受力分析
5.1.1 接触面积计算
5.1.2 接触应力计算
5.1.3 0710型不同齿形作为中间齿时的最大接触应力计算
5.2 边齿受力分析与倾角设计
5.2.1 轴向载荷P作用下边齿的应力状态
5.2.2 切向载荷F作用下边齿的应力状态
5.2.3 P和F共同作用时牙齿危险点当量应力
5.2.4 应力与倾角关系分析
5.2.5 I-I’截面危险点倾角-应力值变化幅度
5.2.6 倾角范围的确定
5.3 考虑冲击疲劳寿命的牙齿设计
5.3.1 冲击载荷下硬质合金的疲劳曲线
5.3.2 牙齿在不同冲击疲劳寿命下齿冠半径尺寸计算
5.4 本章小结
6 物探钻头结构与加工工艺改进设计
6.1 钻头本体结构与加工工艺改进设计
6.1.1 结构改进设计
6.1.2 材料的选择和加工工艺改进
6.2 钻头牙齿的材料、齿形结构、布齿设计
6.2.1 材料的选择
6.2.2 牙齿的选择
6.2.3 硬质合金齿数量和布置
6.2.4 固齿工艺
6.3 改进后的物探钻头三维模型
6.4 本章小结
7 结论与展望
7.1 主要完成的工作和结论
7.2 创新工作
7.3 进一步研究方向
论文发表及科研情况
致谢
参考文献
发布时间: 2006-01-11
参考文献
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