连续管钻井PDC钻头切削结构及选型研究

发布时间：2018-05-14 04:22

本文选题：连续管 + 非攻击性　；参考：《长江大学》2016年硕士论文

【摘要】：本论文选题来自国家科技重大专项“连续管装备与应用技术”的子课题关于连续管钻井钻头选型的研究。连续管在钻井作业中的使用越来越广泛,利用连续管在已钻井眼内钻直井或水平井,以及在“浅油层”钻新井都是经济可行的。从国内各个油田使用情况来看,连续管钻井作业仍处于初级发展阶段,只引进了设备,没有相应的井下工具与技术作为支撑,使得连续管的使用率低,施工费用高,其优势没有得到充分的发挥。本论文针对连续管钻井过程中钻头的选型问题进行初步探索,通过选择合适的PDC钻头提高钻井作业效率。由于PDC钻头具有无活动件、适应高转速低钻压钻井工况的特点和钻头使用寿命长的优点,特别适合在高硬度、高研磨性等其它钻头难以有效破岩的地层钻进,应用较为广泛。PDC钻头是通过剪切力破碎岩层,容易引起管柱产生大的反扭矩作用,造成钻头工作面波动较大,定向钻井出现偏差,管柱疲劳破坏等影响。针对连续管钻井过程中“低钻压-高转速”的特点,用于连续油管钻井的PDC钻头一般应具备以下条件：(1)在低钻压和高转速下应具有足够的破岩能力；(2)在钻井过程中,钻头产生的扭矩要低,随着钻压的波动变化较小。为了满足以上要求,PDC钻头的钻压和扭矩之间的关系应该被很好的控制,使钻头产生的反扭矩作用较小。钻压和扭矩之间的关系可以用“攻击性”来表示,即μ=36T/(WD),式中T—头扭矩(ft-lb),W-—钻头钻压(1b),D—钻头直径(in)。但一般的PDC钻头“攻击性”很强,PDC钻头的攻击性是牙轮钻头的3-12倍。对于牙轮钻头,μ=0.1～0.2；对于PDC钻头,μ=0.6～1.2。攻击性强的PDC钻头,容易引起连续管管柱出现大的反扭矩,特别是为连续管定向钻井带来不利影响。因此降低PDC钻头的攻击性是一项重要任务。本文首先对连续管管柱在井下的受力情况进行分析,通过理论计算得出连续管承受的极限钻压和极限扭矩。针对直井、水平井或大位移井三种不同井况,分成三种情况建立力学模型,分别是垂直井段管柱力学模型、水平井段管柱力学模型和造斜井段管柱力学模型。结果表明,连续管在垂直井段容易发生屈曲变形,水平井段次之,弯曲井段发生的可能性最小。针对连续管钻井作业需要弱攻击性钻头,通过设计冠部形状达到降低钻头攻击性的目的。总结前人对冠部形状设计的理论研究,提出一种新的冠部形状设计原则——“等攻击性”原则。为了保证PDC钻头的切削齿攻击性相同,都具有弱攻击性,通过理论分析,得到“直线-圆弧-直线”型冠部轮廓形状,使得外锥部位的攻击性保持相同水平。为了验证该冠部形状钻头在外锥部位的攻击性一致,建立钻头模型,通过有限元软件分析,确定外锥角与攻击性的关系。结果表明,在一定范围内,随着外锥角的增大,钻头的攻击性随之增强,近似呈线性关系。当外锥角接近30。时,攻击性最小。由此可知,合理设计冠部形状的外锥角,有利于降低PDC钻头的攻击性。研究钻头切削结构对攻击性的影响,主要选择钻头单齿的切削角度(后倾角、侧转角)、切削齿直径对单个切削齿的攻击性的影响。运用ANSYS/LS-DYNA动力学分析软件,模拟PDC钻头单个切削齿在红砂岩上切削一定深度的岩层。本论文针对单齿破岩切削的情况,利用切向力与轴向力的比值来反应攻击性的强弱。数值越大,则PDC钻头单齿攻击性越强；数值越小,则PDC钻头单齿攻击性越弱。通过仿真模拟,改变后倾角、侧转角及切削齿直径三个参数,确定三者对PDC钻头单齿攻击性的影响规律。结果表明,后倾角对攻击性的影响最大,侧转角次之,切削齿的大小对攻击性的影响不明显。在一定范围内,PDC钻头切削齿的攻击性随着后倾角、侧转角的增大而减小。利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA和后处理软件LS-PREPOST,实现了显示动力学切削仿真分析和切削仿真动画的功能。利用模糊综合评价法对连续管钻井PDC钻头进行选型,综合考虑钻头的使用效果、岩层力学性质和钻头自身的性能,建立模糊综合评价法则,让钻头选型能够在定性的基础上进行定量分析。首先确定模型评价对象和评价指标因子,然后构建单因素评价向量和评价矩阵,确定评价权重集,通过模糊运算法则进行运算,最后运用最大隶属度原则选出合适的钻头。选择钻头的攻击性作为评价因素,考虑了连续管钻井的特点,更具有针对性。本论文虽然对钻头选型做了一定量的研究,但仍处于探索阶段,还需要进行更深层次的研究。比如：(1)将钻头上的多个切削齿上的切向力和轴向力进行叠加,并乘以相应的由布齿密度引起的重叠切削系数,得到整个PDC钻头的钻压和扭矩,进而得到多个切削齿的布齿特征对PDC钻头的“攻击性”的影响规律特征。(2)模糊综合评价法需要结合连续管钻井钻头实际使用的情况进行分析,确定选型的评价标准,建立评价模型和综合指标。
[Abstract]:This paper deals with the study of the selection of continuous pipe drilling bit from the sub - task of " continuous pipe equipment and application technology " from the national science and technology major . The use of continuous pipe in drilling operation is more and more extensive , and it is economically feasible to use continuous pipe to drill straight or horizontal well in the drilled hole and to drill new well in shallow oil reservoir .
In order to meet the above requirements , the relationship between the drilling pressure and torque of the PDC bit should be well controlled so that the anti - torque effect produced by the drill bit is small . The relationship between the drilling pressure and the torque can be represented by " aggression " , i.e . 渭 = 36T / ( WD ) , the T - head torque ( ft - lb ) , the W - bit drilling pressure ( 1b ) and the D - bit diameter ( in ) .
This paper studies the influence of the cutting structure of the drill bit on the attack of single cutting teeth . The results show that , with the increase of the outer cone angle , the attack ability of the drill bit can be reduced . The results show that , with the increase of the outer cone angle , the attack ability of the drill bit can be reduced .
In this paper , the influence law of the three parameters on the single tooth attack of PDC bit is determined by using the fuzzy comprehensive evaluation method . The results show that the influence of the three parameters on the single tooth attack of PDC bit is not obvious .

【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE921.1

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