混合钻头破岩机理研究及计算机仿真

发布时间：2020-10-28 01:13

　　 近年来,浅层油气资源消耗巨大,难钻井作业不断增加以及页岩气开发成为热点,导致常规钻头钻井时出现牙齿磨损过快、机械钻速下降明显等问题,很难获得理想的钻进效果。混合钻头近几年在国外的成功设计和应用,表明其有着优于常规钻头的破岩优势,但目前对其破岩机理研究甚少,导致混合钻头推广受限。因此,本文采用理论和仿真相结合办法,开展混合钻头破岩机理研究。具体研究内容如下:(1)了解PDC钻头和牙轮钻头破岩过程,在此基础上对混合钻头破岩机理进行研究。结果表明:混合钻头破岩是牙轮牙齿与PDC齿对岩石共同作用的结果,从而提高其破岩速度。(2)通过对PDC结构和牙轮结构破岩受力分析,推导混合钻头破岩力学公式。(3)将混合钻头、牙轮钻头、PDC钻头进行破岩仿真,验证混合钻头相比于牙轮钻头和PDC钻头具有更好破岩效率。(4)研究混合钻头结构对其破岩机理的影响,得到牙轮主导型混合钻头适用于相对硬的地层;PDC主导型混合钻头适用于相对软的地层。(5)研究页岩破碎机理。针对混合钻头与含层理性页岩的相互作用机理进行研究,结果表明:混合钻头与岩石层理所成角度越小,钻速越快;层理厚度越少,岩钻速越快。
【学位单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TE921.1;TP391.9
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究目的与意义
    1.2 本文主要研究内容
    1.3 研究路线
    1.4 混合钻头国内外研究现状
        1.4.1 混合钻头现场试验情况
        1.4.2 破岩仿真研究
        1.4.3 破碎岩石机理研究现状
    1.5 本章小结
第二章 混合钻头结构及破岩机理
    2.1 PDC钻头结构及失效形式
        2.1.1 PDC钻头结构
        2.1.2 PDC钻头失效形式
    2.2 牙轮钻头结构及失效形式
        2.2.1 牙轮钻头结构
        2.2.2 牙轮钻头失效形式
    2.3 混合钻头结构
    2.4 混合钻头工作原理
        2.4.1 PDC钻头破岩机理
        2.4.2 牙轮钻头破岩机理
        2.4.3 混合钻头破岩机理
    2.5 本章小结
第三章 混合钻头破岩特性理论研究
    3.1 岩石损伤理论分析
    3.2 岩石力学行为
        3.2.1 岩石弹塑性问题
        3.2.2 岩石本构模型
        3.2.3 非线性接触模型
    3.3 混合钻头破岩过程热理论分析
        3.3.1 破岩过程热产生和传导
        3.3.2 钻头温度理论分析
    3.4 混合钻头切削齿受力分析
        3.4.1 PDC切削齿接触力分析
        3.4.2 牙轮牙齿接触力分析
    3.5 混合钻头破岩受力分析
        3.5.1 混合钻头PDC结构破岩受力分析
        3.5.2 混合钻头牙轮结构破岩受力分析
        3.5.3 PDC结构与牙轮结构共同作用破岩受力分析
    3.6 本章小结
第四章 混合钻头破岩有限元模型建立
    4.1 软件简介
    4.2 混合钻头有限元模型建立
        4.2.1 仿真假设
        4.2.2 仿真模型建立
        4.2.3 约束及边界条件
        4.2.4 材料属性
        4.2.5 网格划分
    4.3 有限元模型验证
        4.3.1 仿真模型验证
        4.3.2 仿真结果与实验结果对比
    4.4 本章小结
第五章 混合钻头破岩特性有限元分析
    5.1 破岩量分析
    5.2 应力分析
    5.3 能耗分析
    5.4 钻头导向能力分析
    5.5 扭矩分析
    5.6 软硬交替地层混合钻头与PDC钻头破岩对比
    5.7 温度分析
        5.7.1 混合钻头切削齿温度分析
        5.7.2 混合钻头与PDC、牙轮钻头温度对比
        5.7.3 不同钻压下温度分析
        5.7.4 软硬地层温度分析
    5.8 纵向相对高度对破岩影响
        5.8.1 纵向相对高度对钻压分配的影响
        5.8.2 纵向相对高度对温度影响
        5.8.3 纵向相对高度对钻速影响
        5.8.4 纵向相对高度对破岩井底的影响
    5.9 本章小结
第六章 混合钻头破碎页岩研究
    6.1 页岩发展与基本特征
    6.2 页岩本构模型
    6.3 页岩破碎分析
        6.3.1 页岩破岩模型建立
        6.3.2 层理角度和厚度对钻速的影响
    6.4 小结
第七章 总结
    7.1 主要研究成果
    7.2 主要创新点
    7.3 思考与展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间参加科研情况及获得的学术成果

【参考文献】

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本文编号：2859344