高速PDC钻头设计制造的集成技术

发布时间：2017-05-04 11:03

  本文关键词：高速PDC钻头设计制造的集成技术，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着目前国际原油价格的不断探底,油田都已经抛弃了原来只注重产量的提升转而注重效率的提升以及成本的降低。对于井下工具提出了新的要求,需要开发出更快速高效的钻井工具,目前国外已经开发出了高速钻头,通过现场实践,高速钻头已经体现了相应的技术优势：能够很大程度提升钻井效率、节省钻井成本。但目前国内还没有对其进行系统的研究,基于此,本文以高速PDC钻头为研究对象,研究了其设计与加工,其设计部分借助于几何学、静力学、显示动力学等,研究了其适合的冠部形状以及相应的设计参数、此外其刀翼数目,刀翼布置形式及其布齿也做了相应的研究,布齿包含其径向坐标、周向坐标及其周向位置角,此外还有切削齿的侧转角与后倾角。通过具体的参数,设计了高速PDC钻头的模型并校核其强度。其制造部分,借助于虚拟加工软件UG8.0对钢体式高速PDC钻头进行了加工制造研究,完成了模拟制造加工,找到了适合其加工的工艺参数,并通过VB6.0、access对SolidWorks进行了相应的二次开发,实现了高速PDC钻头的简单的设计与制造的集成化。高速PDC钻头的性能要求其布齿数量多,因而其剖面线的长度较长,通过PDC钻头冠部的特点分析,通过一定的假设与简化,选择为直线—圆弧—圆弧形剖面。选定冠部剖面后,需要对钻头的切削齿的位置进行设计：径向布齿与周向布齿设计,径向布齿,即确定其径向坐标及井底覆盖图,周向布齿,即确定其刀翼数目、刀翼类型、周向位置角、轴向坐标。通过非线性软件ANSYS LS-DYNA对后倾角与侧转角进行了相应的研究,通过对比其最大轴向力与最大切向力,得出后倾角的设计范围为15°～21°,最佳角度为21。,侧转角的推荐范围为15°～19°,最佳的侧转角取值为19。；通过坐标体系的构建,确定高速PDC钻头切削齿所在的空间位置与角度,并利用ANSYS WORKBENCH分析了最终装配体的强度。数值模拟结果显示本文设计的高速PDC钻头满足强度需要,理论上能够满足现场需求。针对目前国内提出的“中国制造2025”,及未来制造业的发展要求,研究了适合现场大规模推广的钢体式高速PDC钻头的加工技术,由于高速PDC钻头外形复杂：曲面接近垂直、水眼很多且齿窝数量很多,加工难度较大,本文对其制造部分的机械加工知识进行了基本的介绍,结合目前先进的虚拟制造软件UG8.0,对设计的钻头产品模型进行了加工模拟研究,其加工部分可以分为三轴与五轴数控加工,三轴数控加工分为四个部分,五轴数控加工分为2个部分。重点对于其数控加工工艺以及相应的技术参数的研究,得出了适合的工艺参数。针对于以上各种问题的研究,通过对SolidWorks软件中API函数的论述,编程语言VB6.0、access数据库的介绍,以及VB对SolidWorks二次开发原理的介绍,研制了相应的软件,该软件采用VB6.0、access数据库对SolidWorks进行了二次开发,该软件包含六个部分：冠部形状、刀翼系统、PDC切削齿齿窝、布齿设计、装配体与制造系统,这些六大部分基本涵盖了高速PDC钻头的设计与加工的全部内容,通过本文对该二次开发软件的实例演示,可以看出本软件基本可以满足高速PDC钻头的设计,但是制造过程中只有部分工艺参数,制造部分还有待完善,该软件能够对现场实践有一定的指导意义。通过本文的研究,首先高速PDC钻头的设计部分：冠部形状、布齿都有了一定的成果,通过对比三种冠部剖面的特点并结合高速PDC钻头的特性,找到了契合高速PDC钻头的冠部剖面,通过相应的参数完成了其设计,通过对比切削齿处于不同工作角下受到的最大切向力与最大轴向力,对其工作角进行了一定的优化选取；其次,其制造部分通过UG8.0的仿真加工完成了高速PDC钻头的多轴数控加工,并得到了其加工工艺参数及刀具轨迹图,通过适当的改进可以更好的满足生产实践并指导其实践；最后,通过VB6.0、access数据库对SolidWorks进行了二次开发,完成了高速PDC钻头设计制造软件的研制,该软件将高速PDC钻头的设计、制造部分的子模块整合起来,通过该软件可以使高速PDC钻头的设计简单化、参数化,节省大量的时间,提升效率,其加工工艺参数可以进行查看。总体而言,本文的研究,为今后高速PDC钻头的发展及推广能够产生积极的影响作用。
【关键词】：高速PDC钻头 设计参数 数值模拟 数控加工
【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
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 高速PDC钻头简介11-13
• 1.2 PDC钻头切削机理13-14
• 1.3 PDC钻头设计理论的发展14-17
• 1.4 PDC钻头最新技术17
• 1.5 本文主要研究内容17-19
• 第2章 高速PDC钻头的设计19-49
• 2.1 高速PDC钻头冠部设计19-27
• 2.2 高速PDC钻头布齿设计27-47
• 2.3 本章小结47-49
• 第3章 高速PDC钻头的加工方案研究49-66
• 3.1 钻头机械加工技术49-52
• 3.2 高速PDC钻头零件工艺分析52-64
• 3.3 本章小结64-66
• 第4章 高速PDC钻头设计制造集成化软件的开发66-80
• 4.1 SolidWorks二次开发66-69
• 4.2 高速PDC钻头设计制造集成化软件69-79
• 4.3 本章总结79-80
• 第5章 结论与展望80-81
• 致谢81-82
• 参考文献82-85
• 个人简介85-86

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