環(huán)槽式金剛石鉆頭破巖機(jī)理研究

發(fā)布時(shí)間：2020-03-23 19:28

【摘要】：本文針對(duì)現(xiàn)有金剛石鉆頭存在的巖屑粒度過(guò)小不易判斷地層巖性,機(jī)械鉆速低、壽命短等問(wèn)題,提出一種新型金剛石鉆頭——環(huán)槽式金剛石鉆頭。環(huán)槽式金剛石鉆頭通過(guò)在切削齒覆蓋設(shè)計(jì)中設(shè)置空白環(huán)帶,從而使井底形成易于脆性、體積性破碎的環(huán)形巖脊,從而實(shí)現(xiàn)增大造屑粒度、提高破巖效率的目的。針對(duì)環(huán)槽式鉆頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及基本工作原理,本文開(kāi)展了不同巖性、不同尺寸巖脊條件下,牙齒的單齒靜壓和PDC齒刮切實(shí)驗(yàn)的單元實(shí)驗(yàn);設(shè)計(jì)制造了全尺寸的環(huán)槽式PDC實(shí)驗(yàn)鉆頭,并進(jìn)行了環(huán)槽式PDC鉆頭與常規(guī)PDC鉆頭的室內(nèi)鉆巖對(duì)比實(shí)驗(yàn);結(jié)合有限元仿真分析方法,分析了環(huán)槽式金剛石鉆頭的破巖機(jī)理。在鉆頭結(jié)構(gòu)及工作原理研究中,分別就其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、破巖機(jī)理、鉆井效率、鉆頭穩(wěn)定性幾個(gè)方面進(jìn)行分析研究。理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,環(huán)槽式PDC鉆頭在破巖過(guò)程中產(chǎn)生的巖屑尺寸明顯大于常規(guī)PDC鉆頭,鉆頭穩(wěn)定性高,且破巖效率明顯高于常規(guī)PDC鉆頭;在單元實(shí)驗(yàn)研究中分別就不同巖性、不同尺寸巖脊、PDC齒不同側(cè)傾角幾個(gè)方面進(jìn)行分析研究。實(shí)驗(yàn)和仿真分析結(jié)果表明,巖脊的產(chǎn)生能夠極大的提高切削齒的侵入能力和破巖效率,同時(shí)有利于提高鉆頭的穩(wěn)定性;通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),環(huán)槽式PDC鉆頭體積破碎效果明顯、鉆進(jìn)效率高。本文基于實(shí)驗(yàn)和仿真手段進(jìn)行環(huán)槽式金剛石鉆頭破巖機(jī)理的研究,不僅認(rèn)識(shí)了巖脊條件巖石破碎的內(nèi)在機(jī)理,揭示了巖脊尺寸對(duì)巖石破碎的影響規(guī)律,也驗(yàn)證了環(huán)槽式金剛石鉆頭的可行性和實(shí)用價(jià)值,為后續(xù)鉆頭的設(shè)計(jì)提供了重要的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù),具有較高的理論價(jià)值和較大的工程意義。
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