自适应仿生PDC钻头设计与试验

发布时间：2017-08-21 00:25

  本文关键词：自适应仿生PDC钻头设计与试验

  更多相关文章： PDC钻头 动物爪趾 仿生自适应 后倾角

【摘要】：在地质勘探、油气钻井等工程领域,PDC钻头在软到中硬岩层的钻进效果远远优于孕镶金刚石钻头和硬质合金钻头。但是在硬地层以及软硬夹层钻进时,PDC钻头由于本身材料及金刚石与硬质合金界面结合力学特性等问题,容易在地层作用力下产生分层、脱落、崩断等非正常损坏现象。为了预防这种现象的产生,除了提高PDC齿的质量外,更重要的是PDC钻头结构设计,其中最主要的是PDC齿后倾角选择。但优化设计后的钻头也仅适用于某一特定的地层,在其他岩层中钻速也不尽人意。对于工程而言就需要根据地层频繁的起下钻更换钻头,工作量巨大,钻井成本也成倍增加。本文引入自适应仿生学理论,研究动物爪趾关节的自我保护特性,结合PDC齿与岩石作用机理以及PDC齿工作角的设计思想,以鼹鼠爪趾、兔爪为仿生原型,设计并研制自适应仿生PDC钻头,该钻头能够根据地层软硬程度自适应调节切削齿角度,以减少钻头因受到冲击而产生断裂、崩落等现象,从而提高钻头对地层的适应范围和综合钻进效率。论文首先设计了自适应仿生PDC钻头单齿机构并对其进行了模拟分析:利用ANSYS workbench软件模拟单齿机构在水平载荷作用下位移变化过程,得出自适应元件变形与受力的直接关系,模拟结果表明:自适应元件角度改变值跟水平载荷大小基本成线性关系,但当角度达到一定值后,随着加载力的继续增加,自适应元件角度将会产生突变,即自适应元件发生了塑性变形,形变不能恢复;其次进行了自适应元件抗压能力测试试验,实验得出变化规律与模拟结果得到了很好的拟合,并且优选出钻头上自适应元件的受力力臂和对应的厚度,即:当受力力臂为22mm时,自适应元件厚度应为2mm;再次进行了自适应仿生PDC钻头在不同岩层钻进后倾角测试试验,结果证明:当钻压和转速相同时,自适应仿生PDC钻头钻进不同岩层自适应元件改变的角度均不相同。最后进行了自适应仿生PDC钻头与普通PDC钻头钻进速率对比试验,试验首先浇筑了软硬夹层,数据表明:自适应仿生PDC钻头在软岩钻进时,钻速较后倾角为15o、20o的普通PDC钻头有较大提高,在中硬岩层钻速差别不大,在硬岩钻速略低两种普通PDC钻头;在复杂地层的平均机械钻速比后倾角为15o的普通PDC钻头提高了约10%,比后倾角为20o的普通PDC钻头约提高了13%。论文最后还根据实验结果对仿生自适应PDC钻头的结构提出了相关优化措施。
【关键词】：PDC钻头 动物爪趾 仿生自适应 后倾角
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P634.41
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-26
• 1.1 研究背景和意义11-12
• 1.2 PDC及PDC钻头国内外研究现状和发展趋势12-23
• 1.2.1 PDC国内外研究现状12-16
• 1.2.2 PDC钻头国内外研究现状16-22
• 1.2.3 PDC钻头发展趋势22-23
• 1.3 PDC钻头切削齿工作角研究现状23-25
• 1.4 研究内容25-26
• 第2章 仿生学及相关理论26-35
• 2.1 仿生学26-30
• 2.1.1 仿生学概念26
• 2.1.2 仿生学发展现状26-30
• 2.2 自适应仿生学发展现状30-32
• 2.3 仿生学的研究特性及其研究方法32-34
• 2.3.1 仿生学的研究特性32
• 2.3.2 仿生学的研究方法32-34
• 2.4 本章小结34-35
• 第3章 自适应仿生PDC钻头单齿机构设计与模拟35-53
• 3.1 PDC切削齿的碎岩机理35-40
• 3.1.1 PDC切削齿与岩石相互作用机理35
• 3.1.2 PDC齿工作角度对碎岩效率的影响35-40
• 3.2 仿生原型40-43
• 3.2.1 鼹鼠爪趾40-42
• 3.2.2 兔爪42-43
• 3.3 建立自适应仿生PDC钻头单齿模型43-47
• 3.3.1 建模原则43-44
• 3.3.2 建立模型44-47
• 3.4 自适应仿生PDC钻头单齿结构模拟分析47-52
• 3.4.1 单齿结构力学分析47-49
• 3.4.2 单齿机构模拟分析49-52
• 3.5 本章小结52-53
• 第4章 自适应仿生PDC钻头单齿机构优化设计与模拟53-63
• 4.1 单齿机构自适应元件优化设计53-60
• 4.1.1 自适应元件优化设计53
• 4.1.2 优化后单齿机构的模拟分析53-60
• 4.2 单齿机构结构优化设计60-62
• 4.2.1 单齿机构本体水口设计60
• 4.2.2 销轴的定位安装机构优化设计60-61
• 4.2.3 自适应元件安装定位结构优化设计61-62
• 4.2.4 自适应元件保护设计62
• 4.3 本章小结62-63
• 第5章 自适应仿生PDC取芯钻头制备与试验63-84
• 5.1 自适应仿生PDC取芯钻头结构设计63-64
• 5.2 自适应仿生PDC取芯钻头加工64-69
• 5.2.1 加工设备简介64-66
• 5.2.2 零部件加工66-68
• 5.2.3 PDC齿焊接及钻头组装68-69
• 5.3 自适应仿生PDC取芯钻头试验69-81
• 5.3.1 自适应元件抗压能力测试试验69-72
• 5.3.2 自适应仿生PDC钻头钻进岩石后倾角测试试验72-75
• 5.3.3 自适应仿生PDC钻头与普通PDC钻头钻进对比试验75-81
• 5.4 自适应仿生PDC钻头结构改进措施81-83
• 5.5 本章小结83-84
• 第6章 结论与建议84-86
• 6.1 结论84
• 6.2 建议84-86
• 参考文献86-91
• 致谢91-92
• 作者简介及科研成果92

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本文编号：709769