PDC钻头关键设计参数优化研究

摘要

本文针对PDC钻头关键设计参数研究相对滞后、缺少一定的规律性、设计者常常根据经验或类比于其它钻头设计的现状，通过室内实验和数值模拟相结合的方法研究了冠部剖面形状、后倾角度、切削齿尺寸、布齿密度、内锥角度、内外锥高度及冠顶位置等关键设计参数对PDC钻头的影响规律。研究结果表明：①在破岩效率上，切削齿尺寸与地层硬度成反比。即在kd值小于3.48的地层中，直径为19.05mm的切削齿宜获得较高的机械钻速；kd值在4.6～5.78的地层中，直径为16.10mm的切削齿宜获得较高的机械钻速；②在kd值小于3.48的地层中采用10°～15°后倾角，kd值在kd=3.48～5.78的地层中采用15°～20°后倾角可明显提高钻进速度；③布齿密度与钻速成反比；④在kd值小于3.48的地层中采用“直线-圆弧-直线”型剖面易获得较高的机械钻，kd值在3.48～4.6的地层中采用“直线-圆弧-圆弧”型剖面易获得较高的机械钻速；⑤深内锥设计可提高钻头稳定性和切削齿寿命；内锥角在90°～160°范围变化时，随角度的增大，在钻压作用下，钻头冠部受力趋向均匀，扭矩对钻头内锥受力影响变化不明显；⑥高外锥设计可有效提高钻速；外锥角在25°～45°变化时，随角度的增大，外锥受力逐渐增大，钻压和扭矩对外锥影响明显；⑦冠顶半径与钻头半径之比设计为0.64时，钻头冠部应力集中现象明显降低。本文的研究成果对PDC钻头个性化设计有一定指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1研究的目的及意义

1.2国内外研究现状及存在的主要问题

1.3论文主要研究内容

第二章实验钻头设计

2.1冠部剖面形状设计

2.1.1冠部剖面组成及作用

2.1.2常用剖面形状类型及特点

2.1.3冠部剖面形状设计模式

2.1.4实验钻头冠部形状设计

2.2切削齿尺寸设计

2.3切削齿工作角度选择

2.4布齿密度设计

2.4.1布齿密度理论

2.4.2实验钻头布齿密度设计

2.5切削齿布齿方式设计

2.5.1径向布齿原则

2.5.2径向布齿理论

2.5.3实验钻头径向布齿设计

2.6钻头体设计

第三章PDC钻头关键设计参数优选实验

3.1实验方案设计

3.2岩样制备

3.3实验装置

3.3.1钻井液供给系统改装

3.3.2位移传感器

3.3.3压力传感器

3.3.4扭矩、转速传感器

3.3.5数据采集板卡

3.3.6数据采集分析软件编制

3.4实验步骤及过程

第四章室内钻进实验结果分析

4.1切削齿尺寸对钻头破岩效率的影响规律

4.2后倾角对钻头破岩效率的影响规律

4.3布齿密度对钻头破岩效率的影响规律

4.4冠部剖面形状对钻头破岩效率的影响规律

4.5实验部分小结

第五章PDC钻头受力分布有限元分析

5.1有限元法简介

5.2 PDC钻头受力分布有限元分析

5.2.1 ansys分析实验方案设计

5.2.2钻头建模方案设计

5.2.3钻头模型建立

5.2.4钻头模型网格单元划分

5.2.5材料属性选择及载荷施加

5.3数值模拟结果分析

5.3.1内锥对钻头应力得影响

5.3.2外锥对钻头应力得影响

5.3.3冠顶对钻头应力得影响

5.4钻头冠部形状设计建议

结论与建议

参考文献

附录

致谢