定向井PDC钻头受力模型及优化设计研究

论文摘要

随着石油工业的发展,定向钻井技术在石油钻探工程中的应用迅速增加,定向井的数量也越来越多。在定向钻井中,通常采用旋转钻进与滑动钻进相结合的方式钻取所需的井眼轨迹。由于PDC钻头相对于牙轮钻头来说具有机械钻速高、使用寿命长的特点,因此被越来越广泛的应用于石油钻井中。但是PDC钻头在定向井钻进时会经常发生定向性能不稳定,工具面角变化剧烈,不易控制的现象,甚至于会造成井下动力钻具减速停机,损毁井下动力钻具。使得在使用PDC钻头在定向钻进时变得特别困难而又耗费时间。因此有必要对在定向井中使用的PDC钻头进行相关研究,找出在定向井中钻进时PDC钻头的冠部轮廓、切削齿布置与工具面角变化以及钻头的定向性能关系。本文首先系统地对PDC钻头的设计理论与特点进行了分析研究,包括冠部轮廓研究、水力学研究和布齿研究等。本论文利用有限元分析软件对PDC钻头在定向井中的受力特点进行分析,研究了不同冠部轮廓的PDC钻头在钻压的作用下与岩石相互作用时,岩石应力的大小和分布特点,总结出适合定向井的PDC钻头的冠部设计。对具有不同后倾角的切削齿与岩石相互作用,研究岩石与切削齿作用面应力分布特点,归纳出在不同的后倾角下岩石破碎的特点。对具有不同螺旋角度的PDC钻头保径进行流体分析,确定合适的PDC钻头螺旋保径的角度。根据以上分析结论,针对长庆油田的地层特点设计一种定向井PDC钻头,并对该钻头进行井底流场分析,对井底流场进行优化配置。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 定向井PDC 钻头研制的目的及意义
• 1.1.1 PDC钻头的破岩机理的研究
• 1.1.2 PDC 钻头冠部形状及布齿设计研究
• 1.1.3.P DC 钻头水力结构设计研究
• 1.1.4 PDC 钻头切削结构与动力学研究
• 1.1.5 PDC 钻头设计技术的研究与发展
• 1.2 定向用PDC 钻头的设计发展与应用状况
• 1.3 影响PDC 钻头在定向井中性能的原因分析
• 1.3.1 钻进方式不同影响PDC 钻头在定向井中的性能
• 1.3.2 PDC 钻头的振动影响其在定向井中的应用
• 1.3.3 切削齿工作角度及其他因素
• 1.3.4 提高PDC 钻头稳定性的措施
• 1.4 本课题研究的主要内容
• 第二章 定向井 PDC 钻头实体建模及有限元分析
• 2.1 PDC 钻头冠部轮廓和切削齿后倾角影响钻头性能
• 2.2 定向井PDC 钻头受力分析
• 2.3 PDC 钻头冠部轮廓建模
• 2.3.1 SolidWorks 软件简介
• 2.3.2 钻头冠部轮廓建模过程
• 2.4 PDC 钻头冠部轮廓与岩石相互作用的有限元分析
• 2.4.1 有限元方法的基本理论与分析过程
• 2.4.2 有限元分析软件COSMOSWorks 简介
• 2.4.3 PDC 钻头与井底岩石相互作用的有限元分析
• 2.4.4 PDC 钻头不同冠部轮廓有限元分析结果比较
• 2.5 不同后倾角的切削齿与岩石相互作用的有限元分析
• 2.6 保径部分的设计与分析
• 2.6.1 COSMOS/FloWorks 简介
• 2.6.2 不同螺旋角度的保径流体力学性能分析
• 第三章 定向井 PDC 钻头的结构设计
• 3.1 长庆油田地质地层概况
• 3.2 PDC 钻头冠部轮廓的设计原则
• 3.3 定向井PDC 钻头的冠部轮廓设计
• 3.4 定向井可导向PDC 钻头刀翼及切削齿的布置设计
• 3.4.1 切削齿的布置方式的选择
• 3.4.2 布齿方法的选择
• 3.4.3 切削齿的选择及后倾角设计
• 3.4.4 特殊的切削结构设计
• 3.4.5 定向井PDC 钻头力平衡设计
• 第四章 定向井 PDC 钻头的水力优化设计
• 4.1 水力优化设计的原则
• 4.2 钻头井底流场模拟
• 4.2.1 井底流场模型的建立
• 4.2.2 流动控制方程与边界条件设置
• 4.2.3 模拟结果及其分析
• 4.2.4 喷嘴布置的优化设计
• 结论
• 参考文献
• 致谢