PDC钻头的主要几何参数对其力学性能影响的研究

摘要

PDC钻头是20世纪80年代研制出的一种以人造聚晶金刚石复合片为切削齿的钻头，能显著地提高钻井效率而且使用寿命长，在地质、油田钻井工程中获得了广泛的运用。然而，影响其力学性能的主要几何参数以往是根据实验和经验公式来确定的，关于这方面的理论研究文献并不多见。因此对钻头的主要几何参数对其力学性能的影响进行理论研究，为钻头的优化设计提供依据，是十分必要的。本文针对三翼内凹PDC钻头和取心PDC钻头进行了这方面的研究 对钢体PDC钻头（包括三翼内凹钻头、取心钻头）破岩机理进行了较为深入的分析，研究了PDC钻头各几何结构参数之间的关系，在不作几何假设和简化的情况下导出了PDC钻头几何学基本方程式；分析了岩石的力学性能，对PDC齿与岩石作用力分析模型的研究作了探讨，对两种PDC齿载荷作用下的应力场作了研究；分析了切削齿及其上任一点在井底的运动规律和工作状态，确定了切削齿的工作状态参数；讨论了钻头的回旋和钻头局部周向反转，简化了计算模型，对切削齿工作角度等进行了分析及计算，研究了PDC钻头切削力学等内容。 采用CAD软件Pro/E建立两种典型PDC钻头的三维实体模型，利用ANSYS与Pro/E的数据交换功能将PDC钻头模型导入ANSYS中，建立了PDC钻头有限元分析模型，并对模型在静载作用下的应力、位移进行了数值分析研究。获得PDC钻头的主要几何参数对其力学性能影响的变化规律。在此基础上，对PDC钻头的主要几何参数进行了优化分析。获得了主要几何参数的最佳取值范围。优化结果改善了PDC钻头的力学性能，且为PDC钻头的设计提供了理论依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外的研究发展动态及发展趋势

1.2.1国内外的研究发展动态

1.2.2发展趋势

1.3研究内容

2 PDC钻头的构造与工作原理

2.1 PDC钻头的结构

2.2 PDC钻头破岩机理

3 PDC钻头几何学研究

3.1PDC钻头的基本几何结构参数

3.2 PDC钻头几何学坐标系统

3.3 PDC钻头几何学基本方程式

3.4小结

4岩石的力学性能

4.1岩石的变形类型及特征

4.2岩石的强度性质

4.3岩石破坏准则

4.4单齿作用下岩石的应力分析

4.4小结

5 PDC钻头动力学研究

5.1切削齿在井底的运动分析

5.2钻头回旋运动和钻头局部周向反转

5.2.1钻头回旋的类型

5.2.2钻头局部周向反转

5.2.3钻头运动形式的简化

5.3 PDC钻头切削力学研究

5.3.1 PDC钻头切削齿的切削过程

5.3.2单元体受力分析

5.3.3切削力

5.3.4切削齿工程实用强度公式

5.4小结

6 PDC钻头仿真分析和优化

6.1 ANSYS简介

6.2 PDC钻头三维建模

6.3主要几何参数对其力学性能影响的研究

6.3.1三翼内凹PDC钻头

6.3.2取心PDC钻头

6.4 PDC钻头切削齿齿前角和侧转角优化设计

6.4.1 ANSYS优化原理与优化方法

6.4.2 PDC钻头的优化分析

6.5小结

7结论

7.1主要研究成果

7.2存在的问题和今后的任务

7.2.1存在的问题

7.2.2今后的任务

参考文献

致谢

附录：硕士期间发表的论文