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自适应仿生PDC钻头设计与试验

孙阳  
【摘要】:在地质勘探、油气钻井等工程领域,PDC钻头在软到中硬岩层的钻进效果远远优于孕镶金刚石钻头和硬质合金钻头。但是在硬地层以及软硬夹层钻进时,PDC钻头由于本身材料及金刚石与硬质合金界面结合力学特性等问题,容易在地层作用力下产生分层、脱落、崩断等非正常损坏现象。为了预防这种现象的产生,除了提高PDC齿的质量外,更重要的是PDC钻头结构设计,其中最主要的是PDC齿后倾角选择。但优化设计后的钻头也仅适用于某一特定的地层,在其他岩层中钻速也不尽人意。对于工程而言就需要根据地层频繁的起下钻更换钻头,工作量巨大,钻井成本也成倍增加。本文引入自适应仿生学理论,研究动物爪趾关节的自我保护特性,结合PDC齿与岩石作用机理以及PDC齿工作角的设计思想,以鼹鼠爪趾、兔爪为仿生原型,设计并研制自适应仿生PDC钻头,该钻头能够根据地层软硬程度自适应调节切削齿角度,以减少钻头因受到冲击而产生断裂、崩落等现象,从而提高钻头对地层的适应范围和综合钻进效率。论文首先设计了自适应仿生PDC钻头单齿机构并对其进行了模拟分析:利用ANSYS workbench软件模拟单齿机构在水平载荷作用下位移变化过程,得出自适应元件变形与受力的直接关系,模拟结果表明:自适应元件角度改变值跟水平载荷大小基本成线性关系,但当角度达到一定值后,随着加载力的继续增加,自适应元件角度将会产生突变,即自适应元件发生了塑性变形,形变不能恢复;其次进行了自适应元件抗压能力测试试验,实验得出变化规律与模拟结果得到了很好的拟合,并且优选出钻头上自适应元件的受力力臂和对应的厚度,即:当受力力臂为22mm时,自适应元件厚度应为2mm;再次进行了自适应仿生PDC钻头在不同岩层钻进后倾角测试试验,结果证明:当钻压和转速相同时,自适应仿生PDC钻头钻进不同岩层自适应元件改变的角度均不相同。最后进行了自适应仿生PDC钻头与普通PDC钻头钻进速率对比试验,试验首先浇筑了软硬夹层,数据表明:自适应仿生PDC钻头在软岩钻进时,钻速较后倾角为15o、20o的普通PDC钻头有较大提高,在中硬岩层钻速差别不大,在硬岩钻速略低两种普通PDC钻头;在复杂地层的平均机械钻速比后倾角为15o的普通PDC钻头提高了约10%,比后倾角为20o的普通PDC钻头约提高了13%。论文最后还根据实验结果对仿生自适应PDC钻头的结构提出了相关优化措施。


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