地层对钻头磨损机理及岩石研磨性评价研究

发布时间：2020-06-20 13:27

【摘要】：在钻井过程中,钻头破碎岩石的同时自身也会被磨损。钻头牙齿的磨损会降低钻头的破岩效率,外径的磨损会使井眼缩径,这些都会导致钻井效率大为降低,岩石的这种磨损钻头的能力称为岩石的研磨性。岩石的研磨性至今还没有统一的评价方法和分级标准,其评价手段多是基于一些实验数据的曲线拟合及数理统计分析得出的经验模型,该方法不但操作复杂,耗时较长,对于磨损机理的研究也很不充分。另外,在钻头的适应性评价方面,通常也只是利用岩石可钻性等指标,往往忽略了岩石对钻头磨损程度的影响,这样选出的钻头与地层的匹配程度是不全面的。针对上述问题,以摩擦学原理为基础,深入分析不同类型钻头与地层之间的磨损机理,建立岩石研磨性的评价指标和分级方法,从而为钻头的选型和设计提供依据。根据岩石和钻头表面的形貌特征建立了表面粗糙度的分形表征方法,结合磨损后的钻头表面形貌和能谱分析结果,确定了PDC钻头复合片、牙轮钻头牙齿和钻头保径齿的磨损机理。根据牙轮钻头和PDC钻头各自的破岩特点,分别建立单齿压入岩石和单个切削齿切削岩石的接触力模型,结合岩石的破碎条件推导出地层对钻头牙齿及保径的反作用力。然后将地层-钻头两体摩擦副的表面接触形貌和受力情况相结合得到了二者的真实接触面积计算模型,根据PDC钻头滑动摩擦和牙轮钻头滚动摩擦的特征分别计算了滑动和滚动条件下的摩擦系数。由于钻头与岩石之间的滑动摩擦会产生大量的热,根据摩擦表面接触面积公式结合热传导理论揭示了滑动摩擦条件下的地层-钻头温升过程及温度分布情况,得到了在一定温度范围内地层与钻头之间的真实接触面积变化情况。在钻井过程中由于钻井液的存在,地层与钻头之间接触面的摩擦系数和温度是要远远小于干摩擦条件下的,通过对钻井液表面润滑特性的研究建立了在边界润滑条件下的地层-钻头摩擦副之间的摩擦力计算模型。应用能量守恒定律分析了钻井液循环的实际传热过程,得到了钻井液冷却条件下的井底温度场。然后根据钻头的磨损机理分析了不同磨损形式下磨损率的影响因素,结合井底的实际摩擦力及温度场分布情况建立了钻井液循环条件下的钻头磨损方程。在实验研究方面,主要是针对磨损方程中所包含的岩石基本属性进行了测试。实验选取了20组不同地区和性质的岩心,包括利用单轴和三轴压缩实验测定了岩心的弹性模量、泊松比、内聚力和内摩擦角;利用X-RD衍射实验分析了岩心的矿物组分;利用扫描电镜得到了岩心的表面粗糙度分形维数。然后通过室内微钻头磨损实验结果与钻头磨损方程计算结果相比较,对方程进行了校正。以钻头的磨损量为评价指标,对影响钻头磨损的各岩石属性进行数值分析并计算极差,得到了岩石对钻头磨损的主控因素及控制机制。研究表明,岩石各因素影响钻头磨损的主次顺序为:石英含量内摩擦角表面分形维数内聚力弹性模量泊松比。最后将钻头磨损方程中的钻头相关参数和工况参数进行标准化处理,然后采用以破碎单位体积岩石切削具的磨损失重作为衡量岩石研磨性指标,并引入了岩石的可钻性级值参数,建立了滑动条件和滚动条件下的岩石研磨性评价指标,根据不同岩性的计算结果给出了岩石研磨性的分级标准。该方法具有很好的适用性,对于丰富摩擦学理论、指导钻头的设计和优选有着重要意义。
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE921.1
【图文】：

PDC钻头切削齿的磨损Fig.1.1WearofPDCbitcutters

牙轮钻头牙齿的磨损Fig.1.2Conebitteethwear

【参考文献】

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本文编号：2722481