冲切分离式复合PDC钻头及工具技术研究

发布时间：2017-08-17 00:01

  本文关键词：冲切分离式复合PDC钻头及工具技术研究

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【摘要】：目前,油气井用常规钻头难以适应深部复杂难钻地层。PDC钻头在硬地层、高塑性致密地层中,PDC切削齿难以吃入岩层且磨损严重。冲旋钻头因冲击切削齿易失效、能量利效率低等缺点而导致其破岩效率相对较低,适用岩层范围较窄。相比于气动冲击器,液动冲击器对深井不敏感,有较好的适应性。冲切分离式复合PDC钻头是一种新型破岩工具,其融合了PDC钻头优越切削、连续刮擦和冲旋钻头持续冲击破岩的优势。新型复合钻头搭配冲击器使用,将显著提高PDC切削齿吃入岩石的能力,能减缓切削齿的磨损速率,是解决深部难钻地层钻进效率低等问题的有效手段之一。本文重点开展了冲切分离式复合PDC钻头及配套冲击器技术研究。主要研究工作主要包括：1、在介绍常规PDC钻头和冲旋钻头的结构特点、工作原理和失效形式等内容的基础上,开展了冲切分离式复合PDC钻头的结构特点、破岩机理的研究；2、开展了冲切分离式复合PDC钻头设计原理和方法的研究,具体包括：复合钻头切削结构设计方法、防空打机构和限位结构设计方法等；3、开展了冲击切削结构设计原理和方法的研究,具体包括：冲头周向位置匹配设计,冲击切削齿的布齿密度设计,冲击切削齿与PDC切削齿的空间位置协调性设计等；4、开展了配套工具(即液动冲击器)结构选型与设计研究。具体包括：提出冲锤节流环式液动冲击器的设计方案,开展配套液动冲击器运动理论基础的研究,建立了动力学模型,并编制计算仿真程序分析影响液动冲击器性能的水力参数、结构参数；5、针对设定的地层参数,完成了一只直径为215.9mmm复合钻头产品案例设计。复合破岩工具以刮切破岩为主,冲击破岩为辅,在难钻地层中钻进具有较好的潜力。本文基础研究的成果,可为新型复合破岩工具实验样机的制造加工、产品的推广应用提供一定技术支撑和参考。
【关键词】：PDC钻头 冲切 复合钻头 冲击器
【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
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 研究的背景与意义9-10
• 1.2 复合钻头和切削新技术研究现状10-15
• 1.2.1 贝壳休斯公司新型技术10-11
• 1.2.2 史密斯公司新型技术11-13
• 1.2.3 其他国外复合工具新技术13-14
• 1.2.4 国内复合钻头研制工作14-15
• 1.3 液动冲击器配合油气钻井用钻头技术使用情况15-16
• 1.3.1 周向冲击器配合钻头钻井技术15
• 1.3.2 轴向冲击器配合钻头钻井技术15-16
• 1.4 本文主要研究内容16-17
• 1.5 研究技术路线17-18
• 第2章 冲切分离式复合PDC钻头结构特点及破岩机理18-26
• 2.1 PDC钻头结构特点及工作原理18-20
• 2.1.1 PDC钻头结构18
• 2.1.2 PDC钻头工作原理18-19
• 2.1.3 PDC钻头特点19
• 2.1.4 PDC钻头失效形式19-20
• 2.2 冲旋钻头结构特点及工作原理20-22
• 2.2.1 冲旋钻头结构20-21
• 2.2.2 冲旋钻头工作原理21
• 2.2.3 冲旋钻头特点21-22
• 2.2.4 冲旋钻头失效形式22
• 2.3 冲切分离式复合PDC钻头结构特点及破岩机理22-25
• 2.3.1 复合PDC钻头的结构特点22-23
• 2.3.2 冲切分离式复合PDC钻头的破岩机理23-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第3章 冲切分离式复合PDC钻头设计原理与方法研究26-55
• 3.1 冲切分离式复合PDC钻头设计方法研究的必要性26
• 3.2 冲切分离式复合PDC钻头坐标系统26-28
• 3.2.1 钻头圆柱坐标系26
• 3.2.2 切削齿的空间方位26-27
• 3.2.3 切削齿工作角度27-28
• 3.3 冲切分离式复合PDC钻头切削结构设计原理与方法28-45
• 3.3.1 复合PDC钻头径向匹配28-34
• 3.3.2 复合PDC钻头周向匹配34-38
• 3.3.4 固定切削结构齿型选择38
• 3.3.5 固定切削结构和冲击切削结构协调性设计方法38-45
• 3.4 复合PDC钻头水力结构45-46
• 3.5 冲击切削齿选型与设计研究46-50
• 3.5.1 油气井用硬质合金齿46
• 3.5.2 齿型研究的必要性46-47
• 3.5.3 新型齿结构设计47-49
• 3.5.4 齿型研究方法概述49
• 3.5.5 复合钻头冲击齿选用建议49-50
• 3.6 防空打机构设计50-52
• 3.6.1 防空打机构设计必要性50
• 3.6.2 防空打机构常规设计50-51
• 3.6.3 复合钻头防空打机构设计51-52
• 3.7 限位机构设计52-54
• 3.8 本章小结54-55
• 第4章 配套冲击器结构选型与设计研究55-77
• 4.1 配套液动冲击器方案设计55-60
• 4.1.1 气动冲击器的局限性55-56
• 4.1.2 配套液动冲击器整体方案设计56-59
• 4.1.3 配套液动冲击器工作原理59
• 4.1.4 配套液动冲击器结构特点59-60
• 4.2 配套液动冲击器运动理论基础与动力学模型60-68
• 4.2.1 流体力学理论基础61-63
• 4.2.2 液动冲击器工作阶段划分63-64
• 4.2.3 液动冲击器动力模型的建立64-68
• 4.3 配套液动冲击器性能分析68-76
• 4.3.1 液动冲击器工作性能参数68-69
• 4.3.2 冲击系统MATLAB仿真计算69-71
• 4.3.3 液动冲击器主要参数分析71-76
• 4.4 本章小结76-77
• 第5章 复合PDC钻头及工具产品案列设计与分析77-89
• 5.1 产品设计技术路线77-78
• 5.2 复合钻头结构78-87
• 5.2.1 固定切削结构78-80
• 5.2.2 冲击切削结构80-81
• 5.2.3 固定切削结构与冲击切削结构协调性81-82
• 5.2.4 复合PDC钻头水力结构设计方案82-87
• 5.3 配套液动冲击器87-88
• 5.4 冲切分离式复合PDC钻头及工具产品88
• 5.5 本章小结88-89
• 第6章 总结89-91
• 6.0 主要研究成果89-90
• 6.1 创新点90
• 6.2 存在问题及展望90-91
• 致谢91-92
• 参考文献92-95
• 附录95-96
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果96

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本文编号：686126