PDC切削齿的摩擦磨损机理及钻井参数的优化控制研究

发布时间：2018-11-02 20:53

【摘要】：PDC钻头广泛应用于地质、冶金、煤炭、石油天然气、土木及水利等钻探中。因此,对于PDC钻头的性能研究显得尤为重要。PDC钻头的摩擦磨损直接影响着钻进效率以及钻进成本。国内外在此方面已做过大量的研究工作,但大多是建立基于试验数据的统计学经验模型。因此,本文在前人研究的基础上,采用理论分析与试验相结合的方法,对PDC切削齿的摩擦磨损及其对钻进参数的优化控制展开研究,包括：(1)在PDC钻头单切削齿力学分析的基础上,运用具有明确物理意义的常量及函数参量推导出了PDC钻头钻进的数学模型。该模型结合了钻头的扭矩、钻速、切削齿的几何参数以及岩石的特性。利用钻进作业的现场数据以及室内试验对理论模型进行了验证。结果表明,理论模型与现场及室内试验数据基本吻合,验证了该理论模型的合理性。该模型可以用于定义岩石与切削齿界面上的作用力,并研究由摩擦力所产生的热量和磨损现象。(2)从切削齿与岩石的相互作用机理出发,研究了摩擦热对切削齿性能的影响。通过结合温度效应下的钻头磨损模型以及磨损面上的温度模型。最终得到钻头使用寿命与磨损面温度、钻压、转速、切削齿几何结构及摩擦热通量之间的关系,从而修正和发展了钻头寿命模型,可更好地预测钻头的工作性能。结果显示,摩擦的影响大于对流冷却的效果,对于钻头的使用寿命起主导作用。(3)基于自行研发的钻进动力学试验模拟系统,采用电测法开展了砂岩及花岗岩的钻头端面-岩面间动摩擦特性试验研究,分析了转速、撞击速度、钻井液类型对钻头-岩面间动摩擦特性的影响。试验表明,通过应力波能够精确地测量出关键摩擦参量,结果表明摩擦系数与正压力无关,但随着相对滑动速度的增加而逐渐减小：干摩擦系数比在水基及油基钻井液下的摩擦系数高出50%以上,但不同类型的钻井液对摩擦系数的整体影响不大。(4)通过PDC钻头的钻井模型验证了新的钻井优化理论。引入最大钻头性能曲线,该曲线体现了单个钻头所能达到的进尺深度与最大钻速之间的关系,为任何形式的钻进优化的基本关系,以及为准备多钻头钻进程序、动态钻进策略提供了方法依据。动态钻进策略提供了最优的钻头运行组合,从而在较长的钻孔区间上达到最小的钻进成本。研究表明,动态钻进策略作为一种新的钻进优化方法具有较高的成本效益。通过计算示例显示,该设计方法比传统的钻进优化节省成本达18%,而相对于未做优化处理的钻进过程其节省成本高达40%。(5)基于PDC钻头的钻进模型,开发了一种用于评估瞬时钻头磨损以及检测岩石性能变化的钻井诊断模型。通过与某钻进工程的随钻测量曲线以及钻头磨损测量值的对比分析,验证了该项技术的合理性及适用性。通过上述研究,建立了涵盖参量较为全面的PDC钻头钻进的理论模型,提出了优化钻进的动态钻进策略以及钻头条件原地测量、岩性变化判别的方法。
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【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P634.4

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