PDC钻头关键设计参数优化研究

论文摘要

本文针对PDC钻头关键设计参数研究相对滞后、缺少一定的规律性、设计者常常根据经验或类比于其它钻头设计的现状,通过室内实验和数值模拟相结合的方法研究了冠部剖面形状、后倾角度、切削齿尺寸、布齿密度、内锥角度、内外锥高度及冠顶位置等关键设计参数对PDC钻头的影响规律。研究结果表明:①在破岩效率上,切削齿尺寸与地层硬度成反比。即在kd值小于3.48的地层中,直径为19.05mm的切削齿宜获得较高的机械钻速; kd值在4.6～5.78的地层中,直径为16.10mm的切削齿宜获得较高的机械钻速;②在kd值小于3.48的地层中采用10°～15°后倾角, kd值在kd=3.48～5.78的地层中采用15°～20°后倾角可明显提高钻进速度;③布齿密度与钻速成反比;④在kd值小于3.48的地层中采用“直线-圆弧-直线”型剖面易获得较高的机械钻,kd值在3.48～4.6的地层中采用“直线-圆弧-圆弧”型剖面易获得较高的机械钻速;⑤深内锥设计可提高钻头稳定性和切削齿寿命;内锥角在90°～160°范围变化时,随角度的增大,在钻压作用下,钻头冠部受力趋向均匀,扭矩对钻头内锥受力影响变化不明显;⑥高外锥设计可有效提高钻速;外锥角在25°～45°变化时,随角度的增大,外锥受力逐渐增大,钻压和扭矩对外锥影响明显;⑦冠顶半径与钻头半径之比设计为0.64时,钻头冠部应力集中现象明显降低。本文的研究成果对PDC钻头个性化设计有一定指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.2 国内外研究现状及存在的主要问题
• 1.3 论文主要研究内容
• 第二章 实验钻头设计
• 2.1 冠部剖面形状设计
• 2.1.1 冠部剖面组成及作用
• 2.1.2 常用剖面形状类型及特点
• 2.1.3 冠部剖面形状设计模式
• 2.1.4 实验钻头冠部形状设计
• 2.2 切削齿尺寸设计
• 2.3 切削齿工作角度选择
• 2.4 布齿密度设计
• 2.4.1 布齿密度理论
• 2.4.2 实验钻头布齿密度设计
• 2.5 切削齿布齿方式设计
• 2.5.1 径向布齿原则
• 2.5.2 径向布齿理论
• 2.5.3 实验钻头径向布齿设计
• 2.6 钻头体设计
• 第三章 PDC 钻头关键设计参数优选实验
• 3.1 实验方案设计
• 3.2 岩样制备
• 3.3 实验装置
• 3.3.1 钻井液供给系统改装
• 3.3.2 位移传感器
• 3.3.3 压力传感器
• 3.3.4 扭矩、转速传感器
• 3.3.5 数据采集板卡
• 3.3.6 数据采集分析软件编制
• 3.4 实验步骤及过程
• 第四章 室内钻进实验结果分析
• 4.1 切削齿尺寸对钻头破岩效率的影响规律
• 4.2 后倾角对钻头破岩效率的影响规律
• 4.3 布齿密度对钻头破岩效率的影响规律
• 4.4 冠部剖面形状对钻头破岩效率的影响规律
• 4.5 实验部分小结
• 第五章 PDC 钻头受力分布有限元分析
• 5.1 有限元法简介
• 5.2 PDC 钻头受力分布有限元分析
• 5.2.1 ansys 分析实验方案设计
• 5.2.2 钻头建模方案设计
• 5.2.3 钻头模型建立
• 5.2.4 钻头模型网格单元划分
• 5.2.5 材料属性选择及载荷施加
• 5.3 数值模拟结果分析
• 5.3.1 内锥对钻头应力得影响
• 5.3.2 外锥对钻头应力得影响
• 5.3.3 冠顶对钻头应力得影响
• 5.4 钻头冠部形状设计建议
• 结论与建议
• 参考文献
• 附录
• 致谢