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1、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冠了部剖面形状、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：在破岩效率上，切削齿尺寸与地层硬度成反比。即在值小于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；值在4.65.78的地层中，直径为16.10mm的切削齿宜获得较高的机械钻速；在值小于3.48的地层中采用1015后倾角，值在=3485.78的地层中采用1520后倾角可明显提高钻进速度；布齿密度与钻
2、速成反比；在值小于348的地层中采用“直线-圆弧-直线”型剖面易获得较高的机械钻，值在3.484.6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；深内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；高外锥设计可有效提高钻速；外锥角在2545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；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。 关键词：PDC钻头；设计参数；破岩效率；钻头保径36A
3、bstractIn view of the research of PDC key parameter relative lag，little certain regularity and the designs often depending on experience or analogy to others，the author has studied a series of key parameters that impact on PDC drill bit through the laboratory experiment and the numerical simulation，
4、such as the shape of crown,degree of back rake angle，the cogging size，the tooth density,the degree of inner cone，the height of inner/outer cone and the position of crownThe results of study show that：(1)The cogging size is in inverse proportion to formation hardness on broken rock efficiencyWhen the
5、 is less than 348，and the diameter of cogging isl 9.05mm，It should obtain higher drilling rateAlso the drilling rate will be higher when is 3.485.78，and the diameter is 16.10mm(2)The drilling rote can increase if the back rake angle is between 10and 15when is less than 3.48，Also it will be higher wh
6、en the back rake angle is 15and 20and is 3.485.78(3)The cogging density is in inverse proportion to the drilling speed(4)Higher drilling speed can be got through the“straight linearc-straight line”section when is less than 3.5And it also can be got through“straight line-arc-arcsection when is betwee
7、n 3.484.6(5)The design of deep inner cone can improve bit stability and cogging lifeWhen the degree of inner cone changes in 90160，the force of crown tends to evenly under the function of drill pressure with the degree of inner cone increasing，also the torque is not obvious to the force of the crown
8、 (6)The design of high outer gone may enhance drill rate effectivelyThe stress of outer cone increases gradually with the angle longer and longer,simultaneity the bit pressure and the torque are obvious to the outer cone when the outer cone changes from 25to 45 (7)When the ratio of crown radius and
9、bit radius is 0.64，the centralized phenomenon of stress of crown is obviously reducedThe research results have certain directive significance to individualized design of PDC bit Key words：PDC bit；Design parameter；Rock breaking efficiency；Drill gage 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)目 录第1章 前言11.1 研究的目的及意义11.2 国内外
10、研究现状及存在的主要问题21.3 论文主要研究内容4第2章 实验钻头设计52.1 冠部剖面形状设计52.2 切削齿尺寸设计102.3 切削齿工作角度选择102.4 布齿密度设计112.5 切削齿布齿方式设计13第3章 室内钻进实验结果分析163.1 切削齿尺寸对钻头破岩效率的影响规律163.2 布齿密度对钻头破岩效率的影晌规律193.3 冠部剖面形状对钻头破岩效率的影响规律21第4章 钻头保径技术研究234.1钻头保径技术的研究概况234.2 保径器的分类27结 论34参考文献35致 谢36第1章 前言1.1 研究的目的及意义钻头做为钻进过程中主要的岩石破碎工具，其质量的优劣、与岩性和其它钻井
11、工艺条件是否适应，将直接影响钻井速度、钻井质量和钻井成本。目前钻井中使用的钻头有牙轮钻头、金刚石材料钻头及刮刀钻头三大类。PDC钻头是金刚石材料钻头一类，由于其能在低钻压下获得较高的钻速和进尺，已受到广泛重视。多年来的钻井实践表明，钻头设计直接影响钻头的性能。在性质相近的地层中使用不同结构的钻头时，使用效果有着很大的差别；相同设计的钻头钻进不同性质的地层时也有着截然不同的表现。因此，根据所钻地层性质设计高性能的PDC钻头，对PDC钻头实行适应地层特点的个性化设计成为国内外业内人士极为关注并为之努力的研究课题。纵观PDC钻头设计的发展历程，可以将其划分为模仿设计(1970s)、经验设计(1980
12、s)和半经验设计(1990s)-个阶段。在模仿设计阶段，PDC钻头设计完全套用金刚石钻头的设计概念，钻头冠部形状、布齿结构都与天然金刚石钻头基本相同，只是简单地用PDC复合片替代了天然金刚石作为切削刃。设计出来的钻头的现场试验效果很差，突出表现为钻速低，钻头泥包严重及切削齿脱落和折断等。在经验设计阶段，PDC钻头设计主要是根据实验室和现场试验的经验对钻头结构进行设计和改进。主要做法是：凭经验完成初步设计，进行实验室或现场试验，分析钻头设计存在的问题，对原设计进行改进。钻头设计上的改进，使钻头性能有了明显的提高，对PDC钻头的发展起到了很大的促进作用。但由于缺乏系统的理论和科学的设计方法，钻头设
13、计具有一定的盲目性和局限性，且新产品开发周期较长，钻头性能不稳定。九十年代以来，随着对PDC钻头的破岩机理及磨损规律的认识和设计理论及设计方法研究的深入，钻头设计进入了半经验、半科学化设计阶段。国外钻头厂家和公司都相继开发出自己的PDC钻头设计软件，大大提高了PDC钻头的设计水平和性能，缩短了新产品开发的周期。针对特定地层的PDC个性化设计可以解决在常规PDC钻头的设计中的不足。本课题即是以此为立足点，选择PDC钻头冠部剖面形状、切削齿尺寸大小、布齿密度、后倾角角度、内外锥高度、内锥角度及冠顶位置等钻头关键设计参数作为研究对象，利用实验研究与数值模拟分析相结合的方法，研究其在特定地层中对钻头破
14、岩效率的影响规律，并对其进行优化，建立优化设计模型，使之为PDC钻头设计提供一定的参考。1.2 国内外研究现状及存在的主要问题PDC钻头设计伴随着PDC钻头大面积推广而不断的发展。通常的做法是由研究人员提供设计思路，合作制造单位根据思路设计钻头的原理图，然后根据原理图制作实物模型进行实验。这个过程的存在的缺点有3点：设计周期长；修改非常困难；设计成本高。针对PDC钻头传统设计方法存在的不足，国内外许多学者提出了自己的设计方法，并取得了一定成绩。李树盛、侯季康1、林玉龙、王福修、彭烨2针对传统设计周期长的缺点，在PDC钻头几何学、运动学、切削力学和岩石破碎学的基础上，运用CAD、优化设计和计算机
15、仿真等现代设计方法，提出了PDC钻头优化设计思想。由此开发出一套专用设计软件，实现PDC钻头设计全过程的自动化。杨丽、陈康民3通过实践，探索了一条数字化设计PDC钻头的方法(三维设计方法)，不仅可以直接从原理生成三维钻头模型，而且可以根据设计平面图直接生成三维钻头模型，由三维钻头模型直接转换到NUMECA这样的大型分析软件进行网格生成并进行分析计算，经过后处理分析发现问题，及时修改钻头的设计参数，然后再进行设计分析直至得到满意的设计结果。这样就省略了80的中间过程，大大地提高了设计的效率。PDC钻头在设计手段和方法上的发展大大提高了设计效率，缩短了设计周期，节约了设计成本。但是对钻头设计上的本
16、质问题没有得到解决。即对PDC钻头关键设计参数在特定地层中对钻头的破岩规律研究没有到位。(1)冠部设计参数钻头冠部形状设计参数，历来都是靠经验和类比同型钻头来确定。经过多年来的反复实验与改进，形成了多种剖面形状设计。李树盛、蔡镜仑、马德坤【4】根据PDC钻头冠部设计的基本要求，推导出了按等切削、等磨损和等功率原则设计的理论冠部曲线方程式，解决了PDC钻头设计中长期存在的理论问题，并建立了计算机辅助冠部设计的方法和相应的计算机程序。1992年，国际钻井承包商协会(IADC)将PDC钻头冠部剖面形状归纳为四种基类型【5】，即平底型、浅锥型、中锥型和长锥型。综合考虑冠部剖面形状对破岩效率、钻头磨损和钻头稳定性的
