旋切钻头破岩机理与实验研究

发布时间：2017-07-06 13:14

  本文关键词：旋切钻头破岩机理与实验研究

  更多相关文章： 旋切钻头 运动行为 关键参数 动力学模型 实验研究

【摘要】：为了提高钻头的机械钻速和使用寿命,国内外专家和学者进行了大量的研究。本文在对各种类型钻头破岩分析的基础上,结果发现心部破岩效率不高是现有大多数钻头存在的缺陷和不足,为了解决该问题,本文提出了一种新型钻头(旋切钻头),并利用数学、力学、计算机编程以及实验等方法对旋切钻头展开了以下研究：介绍了旋切钻头的结构设计以及坐标系的建立,并对该钻头的性能特点进行了分析,通过分析可知,旋切钻头的切削齿以旋切方式破岩,中心破岩效率高,保径效果好,机械钻速高,轴承的工作条件得到了极好的改善,切削齿的磨损比较均匀,钻头的使用寿命长。建立旋切钻头切削齿的运动学分析模型,为切削齿的破岩分析提供了理论依据,主要的研究重点是建立径向、切向、纵向的速度和加速度分量模型。根据建立的运动学模型,通过计算机编程等现代设计方法,对运动学模型中的不同参数进行了研究,同时,完成β、s、齿圈、不同切削齿性能等关键参数对钻头运动行为影响的分析,得到关键参数的影响曲线和结论,为旋切钻头的结构设计、性能优化提供一定的理论基础。由此可知,当β为30。、s为8mm、轮体速比为0.46时,旋切钻头的切削齿将逐步覆盖整个井底,有利于提高破岩效率,同时所有齿圈都过井壁可以实现所有切削齿切削井壁的功能。基于本文建立的切削齿运动学模型对不同齿圈的破岩展开分析,同时,基于以上研究内容建立旋切钻头的动力学模型,并在此基础上,建立旋切钻头的破岩理论模型,对不同齿圈的破岩机理进一步展开分析。由此可知,旋切钻头的切削齿可实现从里往外、从下往上“刨”的效果,并且在破岩过程中,切向切削作用为破岩主要因素,中心处的齿圈冲击力比较大,破岩效率比较高,并且齿圈1的磨损最严重。对旋切钻头进行了实验研究,主要对不同类型的钻头在井底模型、破岩岩屑、钻压与扭矩、钻压与机械钻速等方面以及旋切钻头的破岩方面、磨损情况等进行了详细的研究,该实验为旋切钻头的破岩机理与切削齿失效机理的研究提供了一定的理论基础。综上所述,本文主要是进行了旋切钻头的结构设计与坐标系的建立；建立了旋切钻头切削齿的运动学模型,并对运动学模型中的不同参数进行了分析；基于运动学模型、动力学模型、破岩理论模型进行了旋切钻头的破岩机理的研究；基于理论研究进行了旋切钻头的实验研究,验证了理论模型的准确性,为钻头破岩理论体系的完善提供了一定的借鉴意义。
【关键词】：旋切钻头 运动行为 关键参数 动力学模型 实验研究
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE921.1
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 研究背景与目的意义9-10
• 1.1.1 研究背景9
• 1.1.2 研究目的意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-16
• 1.2.1 牙轮钻头的研究10-11
• 1.2.2 PDC钻头的研究11-13
• 1.2.3 模块化钻头的研究13-14
• 1.2.4 孕镶钻头的研究14-15
• 1.2.5 复合钻头的研究15-16
• 1.3 论文的研究内容16-17
• 1.4 论文的研究思路17-18
• 1.5 论文的创新点18-19
• 第2章 旋切钻头的设计与坐标系的建立19-26
• 2.1 旋切钻头设计19-20
• 2.2 旋切钻头性能特点20-22
• 2.3 坐标系的建立22-25
• 2.3.1 建立固定圆柱坐标系22-23
• 2.3.2 建立动圆柱坐标系23-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第3章 旋切钻头切削齿运动学分析模型26-33
• 3.1 切削齿空间位置分析模型26
• 3.2 切削齿速度分析模型26-29
• 3.3 切削齿加速度分析模型29-32
• 3.4 本章小结32-33
• 第4章 关键参数对旋切钻头运动行为的影响33-54
• 4.1 动坐标系动极角α_P与轮体夹角β分析33-41
• 4.1.1 当动极角为0时33-35
• 4.1.2 当动极角为π/4时35-36
• 4.1.3 当动极角为π/2时36-38
• 4.1.4 当动极角为3π/2时38-39
• 4.1.5 当动极角为7π/4时39-41
• 4.2 动坐标系动极角α_P与动竖高h分析41-46
• 4.2.1 当动极角为0时41-42
• 4.2.2 当动极角为π/4时42-43
• 4.2.3 当动极角为π/2时43-44
• 4.2.4 当动极角为3π/2时44-45
• 4.2.5 当动极角为7π/4时45-46
• 4.3 旋切钻头切削齿速度分析46-49
• 4.3.1 当s=-8mm时47-48
• 4.3.2 当s=+8mm时48-49
• 4.4 旋切钻头切削齿加速度分析49-51
• 4.4.1 当s=-8mm时50
• 4.4.2 当s=+8mm时50-51
• 4.5 旋切钻头牙轮的速度瞬心分析51-53
• 4.6 旋切钻头牙轮的转动特点53
• 4.7 本章小结53-54
• 第5章 旋切钻头井底模型研究54-64
• 5.1 井底模型计算结果54-57
• 5.1.1 旋切钻头井底模型分析法54-56
• 5.1.2 旋切钻头井底模型结果分析56-57
• 5.2 轮体夹角β对井底模型的影响57-59
• 5.3 轴颈偏移量S对井底模型的影响59-61
• 5.4 轮体速比对井底模型的影响61-63
• 5.5 本章小结63-64
• 第6章 破岩特性的分析与研究64-77
• 6.1 旋切钻头不同齿圈破岩运动学特性64-68
• 6.2 旋切钻头不同齿圈破岩动力学特性68-76
• 6.2.1 基于动力学的旋切钻头破岩分析模型68-72
• 6.2.2 基于动力学的旋切钻头破岩分析模型的算例分析72-76
• 6.3 本章小结76-77
• 第7章 实验测试与分析77-85
• 7.1 不同类型钻头的室内实验77-82
• 7.1.1 实验结果78-82
• 7.1.2 结果分析82
• 7.2 旋切钻头的破岩实验82-84
• 7.2.1 实验结果83
• 7.2.2 结果分析83-84
• 7.3 本章小结84-85
• 第8章 结论与建议85-87
• 8.1 结论85
• 8.2 建议85-87
• 致谢87-88
• 参考文献88-92
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果92-93

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本文编号：526367