高速PDC钻头的布齿设计研究

发布时间：2017-12-13 17:05

  本文关键词：高速PDC钻头的布齿设计研究

  更多相关文章： 高速PDC钻头 混合布齿 切削齿破岩 井底流场

【摘要】：我国自八十年代初开始研究PDC钻头以来,直至21世纪在PDC钻头研究方面取得了突破性的进展。随着经济的快速发展,各方面对能源的消耗特别是油气方面使用量越来越大,在开采油气过程中,PDC钻头作为钻进破岩工具,因其具有钻速高、使用寿命较长并且钻头设计灵活多变从而被大量地应用在油田现场勘探中。但随着岩层性质复杂情况不同、钻井深度扩大、勘探过程操作难度系数上升,面临着这些棘手的问题,PDC钻头钻采情况不容乐观,多次出现钻速下降、破岩效率低、切削齿磨损情况严重、井底易形成泥包等许多问题。结合众多现场钻进情况可知,这些不良因素的出现与钻头的结构设计、切削齿形状选取和布齿位置、数量以及钻头水力结构方面都有着莫大的联系。要改善勘探过程中出现的钻头钻速低,日常使用石油供给量不足,且要实现经济的可持续发展等问题,那么研究在高速条件下实现PDC钻头的高速破岩就有着重大的意义。本文结合高速PDC钻头冠部情况给出了三种不同形式,经过综合分析各自的优势与不足之处,最终选取直线与双圆弧形式,因在高速情况下,钻头所受的冲击必然很大,采取双圆弧形式,那么钻头的肩部与冠顶过渡区域稍平滑,受到的冲击载荷就会较缓和。全文以布齿作为出发点,将圆柱形与锥形PDC齿混合双排使用,在布齿过程中,运用Workbench软件对齿破岩时不同的后倾角与侧转角进行动静态情况模拟,根据岩层变形结果以及破碎比功大小综合得出更合适的切削角。此外还进行了多齿在不同切削深度条件下,模拟出岩石变形区域大小情况。根据布齿情况,对高速PDC钻头的切削齿及钻头体进行了相关的受力分析,结合多齿受力情况,计算出切削齿相关切削参数和受力之间的关系,再由齿的受力大小从而计算出钻头体的受力情况,以钻头体计算的受力大小为基础,运用ANSYS软件对钻头体与切削齿进行强度校核从而分析出刀翼上不同位置齿的受力情况。结合布齿相关位置,再对高速PDC钻头的水力结构进行合理的匹配。采取七个喷组分别安置在刀翼附近,通过喷嘴的设计,可有效地清洗井底并冷却切削齿,这与布齿也是紧密相关的。井底流场中运用FLUENT对七个喷嘴附近的流速进行了分析,通过井底流场和压力场来检验喷嘴的设置是否合理。经过综合分析和研究,本文取得了一定的成果,相关情况如下:(1)冠部外形设计采取直线与双圆弧形式,刀翼有六片,外形为螺旋形,选取破岩效果较好的锥形和圆柱形PDC齿混合设计,其中圆柱形PDC齿有48颗,锥形PDC齿有42颗,对它们选取合适的切削角从而实现高速钻进效果;当后倾角选取11°到15°范围时,对应的侧转角选取10°到20°,相对来说岩石的破碎比功都稍小些,结合岩石总变形情况可知当后倾角为13°,侧转角为15°时,岩石的变形更大些,故圆柱形PDC齿后倾角选13°,侧转角选15°;(2)进行多齿分析时随着切削深度的增加,岩石的最大总变形也在增加,切削齿和岩石的相互作用的区域破岩面积也在交叉扩大,位于几个切削齿之间的切削齿破岩区域相比其他区域来说要更大,这是因为在圆柱形PDC齿、锥形PDC齿之间的岩层不仅受到前一个齿的拉应力作用,也受到后一个切削齿的挤压切削作用,因此中间位置的切削齿破岩的区域会更大;(3)对于七个喷嘴采取非对称布置形式,由分析结果可知,距离钻头中心较近的喷嘴3和喷嘴5对于清洗井底中心的岩屑能力较好,其中喷嘴5喷出的流体到达井底时最大流速达到了251.79m/s,这对于冷却钻头中心附近区域切削齿的效果也是很好的;其他几个喷嘴则对清洗井底周围的岩屑能力较好,这种喷嘴布置形式是符合实际要求的。
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE921.1

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本文编号：1285888