高速PDC取心钻头的计算机辅助设计

发布时间：2017-05-19 12:07

  本文关键词：高速PDC取心钻头的计算机辅助设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着我国石油天然气资源开发逐渐进入中后期阶段,人们逐渐向更深更硬地层进行钻井取心作业,钻井操作的难度系数也逐渐增加。作为现代油气井技术中钻进取心的关键工具,PDC取心钻头具有钻速快、稳定性好和使用寿命长等优点,多年来一直受到广泛应用。然而,PDC取心钻头在钻进硬岩地层时,容易产生钻速慢、磨损快等问题,严重降低了钻头的钻进效率和使用寿命。实践经验表明,钻头的性能与其结构设计紧密相关,合理的结构设计能够提高钻头的钻进速度,减少磨损,达到快速高效的钻井目的。因此,随着井下动力钻具的不断发展,对于高速环境下使用的PDC取心钻头开展研究工作具有重要的实际意义和学术价值。本论文首先对高速PDC取心钻头的结构设计进行研究分析。针对高速PDC取心钻头的冠部结构,提出了三种基本冠部剖面形状设计模型,并对每种冠部形状的参数化设计方法进行总结。通过对比分析三种冠部形状的优缺点,选取适合高速PDC取心钻头结构设计的冠部形状,根据PDC取心钻头布齿理论对其进行布齿设计。其次,研究分析高速PDC取心钻头的受力情况。对切削齿受力情况与切削参数、切削齿后倾角及岩石可钻性级值等因素之间的相互关系进行分析研究,建立单个切削齿的力学计算模型,并在此基础上对钻头整体力学分析模型进行研究。采用有限元分析法求解高速PDC取心钻头在不同切削深度条件下的最大应力值与变形量,并对钻头进行强度校核,验证所设计钻头结构具有足够的强度与稳定性。然后,采用FLUENT软件对高速PDC取心钻头进行井底流场模拟分析,详细描述钻头底面、切削齿和排屑槽附近区域的速度和压力分布特性。模拟计算钻头在不同流量、钻速和切削深度条件下的井底流场速度和压力变化,通过对钻头上各切削齿表面速度变化进行分析研究,检验钻头的清洗、冷却效果是否达到设计要求,验证钻头结构设计的合理性。最后,基于结构设计理论对高速PDC取心钻头结构设计程序软件进行编写。采用Visual Basic 6.0语言对SolidWorks软件在高速PDC取心钻头结构设计上进行二次开发,这对于合理、科学地设计高速PDC取心钻头具有很高的实用价值和开发意义。本文所进行的高速PDC取心钻头的计算机辅助设计对硬岩钻井作业具有一定的指导意义,通过对钻头结构进行设计研究,模拟计算其井底流场分布情况,并编写了一套结构参数程序化设计软件,最终取得了如下研究成果：1.通过对PDC取心钻头的冠部剖面形状以及布齿设计理论进行设计研究,在对比分析三种基本冠部形状的优缺点后,总结得出高速PDC取心钻头应选取抛物线形冠部形状设计,并采用直线刀翼式布齿结构,选取刀翼数量为8个,切削齿数为48个,以此达到高速钻进的目的。2.建立了单个切削齿受力与切削参数、切削齿后倾角及岩石可钻性级值之间的力学模型,并在此基础上提出了钻头整体力学分析模型。运用WORKBENCH软件求解出高速PDC取心钻头在切削岩石深度为2mm时,所受到的最大应力值为18.22MPa,最大变形量为0.0108mm；当切削岩石深度为4mm时,所受到的最大应力值为56.331 MPa,最大变形量为0.0333mm；当切削岩石深度为6mm时,所受到的最大应力值为117.48MPa,最大变形量为0.0695mm并对钻头进行强度校核,验证所设计钻头结构的强度与稳定性均满足设计要求。3.采用FLUENT软件对高速PDC取心钻头在不同流量、钻速和切削深度条件下的井底流场速度和压力变化进行模拟计算,分析结果表明：随着转速的逐渐增大,井底压力梯度与流体速度也会随之增大,钻头的清洗、冷却效果则越好,而切削深度的增加使井底压力梯度与流体速度减小,导致岩屑堆积在钻头上,对钻头的清洗、冷却效果造成影响,流量则几乎不影响井底流场的速度和压力分布。4.编写了高速PDC取心钻头结构参数化设计程序软件。根据高速PDC取心钻头的结构特点将其划分为四个结构单元,并分别建立相应的单元数据库,采用VB语言将钻头结构单元数据库与SolidWorks软件进行链接,通过调用程序控制SolidWorks软件自动绘图,完成高速PDC取心钻头的结构设计。本文通过对高速PDC取心钻头的结构进行优化设计,从而达到了钻头高速钻进的目的,运用数值模拟的方法对其井底流场进行模拟计算,并编写了一款高速PDC取心钻头结构参数化设计程序软件,为高速PDC取心钻头的结构设计研究提供了一定的理论基础。
【关键词】：高速 PDC取心钻头 井底流场分析 计算机辅助设计
【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
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 选题背景及其意义11
• 1.2 国内外研究现状11-16
• 1.3 本文主要研究内容16-18
• 第2章 高速PDC取心钻头结构设计18-31
• 2.1 高速PDC取心钻头冠部形状设计18-23
• 2.2 高速PDC取心钻头布齿设计23-30
• 2.3 本章小结30-31
• 第3章 高速PDC取心钻头有限元分析31-43
• 3.1 高速PDC取心钻头切削齿力学模型分析31-35
• 3.2 高速PDC取心钻头力学模型分析35-36
• 3.3 高速PDC取心钻头受力计算36-39
• 3.4 高速PDC取心钻头有限元分析39-42
• 3.5 本章小结42-43
• 第4章 高速PDC取心钻头井底流场研究43-59
• 4.1 高速PDC取心钻头流场理论及模型43-47
• 4.2 数值模拟结果分析47-49
• 4.3 影响井底流场的因素分析49-57
• 4.4 本章小结57-59
• 第5章 高速PDC取心钻头结构设计软件研制59-77
• 5.1 高速PDC取心钻头结构设计软件概述59-64
• 5.2 高速PDC取心钻头结构设计软件数据库的建立64-68
• 5.3 高速PDC取心钻头结构设计程序软件68-76
• 5.4 本章小结76-77
• 第6章 结论与展望77-79
• 6.1 结论77
• 6.2 展望77-79
• 致谢79-80
• 参考文献80-84
• 个人简介84-85

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本文编号：378640