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基于井底应力状态的PDC钻头冠部形状优化设计方法研究

发布时间:2020-04-13 11:27
【摘要】:冠部形状是PDC钻头的重要组成部分。PDC钻头的冠部形状决定着井底形状,而井底形状的不同会影响井底岩石的应力状态分布,进而影响岩石破碎的难度。对不同井底形状的岩石应力状态的研究可以为冠部形状的优化提供指导。本文创新性地从井底形状与井底不同部位岩石的破碎应力的关系入手,系统地阐述了PDC钻头冠部形状优化设计理论,提出了一般的冠部形状可以用典型冠部形状(鱼尾型、炮弹型和平底型)组合的形式拟合得到的观点,并以岩石可破碎强度来表征井底应力分布情况。运用LS-DYNA有限元模拟软件对单齿、单刀翼和单排齿的岩石破碎过程进行了模拟,得到了不同岩性条件下,切削角度、切削深度、切削速度对岩石可破碎强度的影响规律,以及典型井底形状的岩石可破碎强度分布规律。本文通过建立岩石可破碎强度与井底形状的表达式,提出了PDC钻头冠部形状优化设计模型。本文开拓了钻头冠部设计的研究思路,推动了破岩理论的发展。
【图文】:

切削齿,作用模型,岩石


图 1.1 切削齿与岩石作用模型Fig. 1.1 Interaction model of cutting tooth and rocknes Yilmaz[13]认为采用剪切破坏、拉伸破坏的岩石破坏模型分误差,为了回避切削齿和岩石之间力的作用关系,其采用线削力,得到了切削力的计算公式,但其结果存在一定的局限内适用。,为了计算和分析问题的便利,,在理论推导时,会对模型进行度上导致了推导出的数学模型会与实际情况存在一定的差距来的误差,在近些年的研究中,国内外学者纷纷开始采用室 钻头与岩石相互作用的规律进行研究,得到了更加准确的结[14]在室内进行了 PDC 切削齿破碎泥岩和页岩的实验,实验 切削齿破碎岩石过程中,切削力的变化不是平稳的,会存在一幅度和频率都会随着切削深度的增加而增加。②切削深度对一定的影响,随着切削深度的不断增加,切削齿受到的轴向

物理模型,破碎区,岩石,井底


中国石油大学(北京)硕士学位论文应力等因素的井底岩石的流-固耦合模型(如图 1.2),底压差对井底岩石应力状态的影响进行了分析。其模的作用下,可以将井底岩石分为 3 个不同的应力区域离井底中心 0.3r,垂直方向距离中 0.1r 的范围内,岩岩石容易破碎,故称为易破碎区;②在径向方向直方向距离中 0.1r 的范围内,岩石受拉应力和压应力破碎区;③在径向方向距离井底中心 0.8r~r,垂直方石受三向压应力,岩石很难破碎,称为难破碎区。对于一定程度上为了 PDC 钻头冠部形状的优化提供了新的
【学位授予单位】:中国石油大学(北京)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TE921.1

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本文编号:2625948

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