收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

PDC钻头破碎岩石的力学分析与机理研究

李田军  
【摘要】:随着对地下矿产资源的需求和消耗的急剧增加,资源紧缺和矿产资源的供给与保障问题已经成为制约国民经济发展的“瓶颈”。钻探是深部地质找矿工作中不可替代的技术手段,而钻探工作中消耗在岩石破碎方面的资金和材料是一个非常巨大的数字。 孔底岩石破碎机理研究是钻探(钻井)专业重要的基础理论研究方向之一,是设计高效、长寿命岩石破碎工具及制定合理钻进规程的理论基础。虽然国内外对金刚石钻头在孔底岩石破碎机理研究已做过大量的工作,但有关金刚石的碎岩机理及破碎过程至今尚未被彻底掌握,仍然没有一个较好的物理模型。 前人在岩石破碎机理研究时,大都是以球形、圆锥形或圆柱平底压模压入弹性半空间体时的应力和变形结论为基础,考虑岩石在切削具静力作用下的应力分布等,以此来研究岩石的破碎问题。这对表镶或孕镶金刚石钻头钻进岩石破碎机理研究,是比较合适的。 随着PDC生产技术的提高和PDC钻头设计制造技术的进步,国内外已经在油井钻探、煤田钻探和部分岩心钻探中大量使用PDC钻头,PDC钻头适应的地层也越来越广泛,但是理论研究尚远落后于工程实践。为了进一步扩大PDC钻头的应用范围,为实现PDC钻头的科学设计与应用,必需清楚了解PDC钻进岩石破碎的影响因素和规律,以便有效地利用和掌握它们。这就是本论文研究的目的。 本论文在前人研究岩石破碎机理的基础上,采用理论分析与建模、实验研究和仿真分析相结合的方法进行研究。 由于PDC斜镶入在钻头胎体或刚体上,因此PDC总是以斜向压入切削方式破碎岩石,其压头形状既不同于球形或圆锥形压头压入,又不同于圆柱平底压头压入。因此,PDC钻进岩石破碎机理的研究,不能单纯再以球形、圆锥形或圆柱平底压模压入的结论来分析,需要针对具体的斜镶PDC形状,结合具体的岩石破碎方式来进行分析。 通过PDC压入切削岩石时的受力分析,运用接触力学理论,详细推导了单个PDC片与岩石之间的接触压力,建立作用荷载和压入岩石深度的关系模型;结合不同尺寸、形状PDC片和不同几何结构的PDC钻头与岩石之间的接触作用分析,建立相关的物理模型,分析了对接触压力的影响因素及其规律。在此基础上,基于相关岩石强度准则,研究了PDC在双向荷载作用下钻进岩石时,岩石破碎前的裂纹萌生与破裂面位置,建立PDC钻进岩石破碎条件的理论模型。 以测定试验岩石和PDC的力学性能为数据基础,采用不同尺寸和数量PDC进行压入切削岩石的室内试验,并设计一款钻头进行台架试验和实钻试验。根据试验数据分析各项参数之间的相关性和规律,并与理论研究的结果进行对比。 运用ANSYS Workbench中的Design Modeler模块建立各种不同形状尺寸PDC和不同结构PDC钻头压入切削岩石的几何模型,再由Static Structural及Transient Structural模块进行有限元分析,并对分析结果进行后处理。最后结合Design Explorer模块对各项参数进行相关性和优化设计分析。具体章节内容如下: 第一章是概述性章节,主要介绍了本论文的研究意义和目的,综述了国内外对岩石破碎和PDC受力的理论研究现状及趋势,并阐述了论文的研究内容和方法。 第二章是关于PDC受力分析的研究,目的是从理论角度搞清楚接触压力的影响因素,及接触压力与PDC作用力之间的关系。 当整形PDC压入切削岩石时,PDC与岩石之间主要有两个接触面。从接触力学理论角度,对PDC与岩石之间各接触面的接触压力进行了详细地推导。再根据PDC受力分析,由极限平衡条件,得到作用于PDC的轴向力和切向力与PDC压入岩石深度的关系,表明接触压力与压入岩石深度是成非线性比例关系。通过对PDC钻头的受力分析,得出钻头轴压力和扭转力矩与单个PDC受力、钻进机械速度等的关系。 第三章是关于PDC压入切削岩石破碎的条件分析。根据接触压力的理论计算公式,由岩石抗压的力学性能,分析PDC压入岩石的破碎条件。结合相关岩石强度理论,分析PDC切削岩石时,岩石初始裂纹的萌生、发展条件和宏观破碎的开裂面,得出PDC钻进岩石破碎的条件模型,并对PDC钻进岩石的破碎过程进行了定性分析。 当非整形PDC压入岩石时,由于PDC与岩石之间接触面的形状和尺寸变化,必然影响其接触压力。仍然运用相关接触力学理论,对一种被切割小部分的非整形PDC与岩石之间各接触面的接触压力进行分析,并将分析结果与整形PDC的接触压力计算公式进行对比。结果表明,由于PDC压入切削岩石破碎的形式不变,PDC与岩石之间的接触压力计算形式不变,但相关系数与PDC的几何特性有关,并对影响接触压力的PDC几何参数因素进行了分析。 第四章是关于试验研究和结果分析,目的是验证理论研究的结论。首先采用相关试验设备测试试验岩石和PDC的力学性能,将试验数据作为试验研究和数值分析的数据基础。 设计了几种整形和非整形PDC压入切削岩石的物理模型,并进行微钻试验。根据各种试验结果,分析影响PDC钻进岩石破碎效果的各项因素。根据前期研究结论,设计、制造一款PDC钻头,并进行台架试验和生产试验,对试验参数和效果进行了分析。 第五章是在理论和试验研究的基础上,进行PDC压入切削岩石的数值分析。设计了几种仿真几何模型:一是单个整形PDC压入切削岩石模型;二是单个非整形PDC压入切削岩石模型;三是分别由两个和六个PDC组成的组合PDC压入切削岩石模型。在仿真分析过程中,都考虑了切入角和扭转角等几何因素的影响。通过ANSYS分析结果,采用Design Explorer进行了各参数之间的相关性和优化分析。应力、变形云图和相关性曲线表明,PDC的尺寸和形状对岩石接触压力和变形都有较大影响,而且理论曲线与数值分析曲线比较符合,这也说明理论分析的正确性。 第六章是结论性章节,对全文的相关结论进行总结,并分析和展望了今后继续本课题研究需要深入的问题。 总之,本文通过理论推导建模,试验分析及ANSYS数值分析,围绕PDC压入切削岩石破碎的机理研究取得了一定的成果。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 李锁智;扩大PDC钻头适应岩层范围的技术措施[J];探矿工程(岩土钻掘工程);2002年06期
2 胡三虎;电镀PDC石油全面钻头及其在油气田中的应用[J];探矿工程(岩土钻掘工程);1997年01期
3 唐玉华;;GS1号区块PDC钻头的优选及应用[J];内江科技;2011年01期
4 金武;;碳酸盐岩分析仪在塔河油田地质卡层中的应用[J];科技情报开发与经济;2011年15期
5 唐胜利,任建文,卢文锦,王勇;煤田PDC钻头单喷嘴喷射试验研究[J];煤田地质与勘探;1998年S1期
6 管锡斌;;牙轮、PDC钻头配合在营6-平12井轨迹控制中的应用[J];中国科技信息;2011年15期
7 陈国洋;李柠;李少远;;一类T-S模糊控制系统的稳定性分析及设计[J];控制理论与应用;2010年03期
8 沈建民;金寅;曹志可;;Glog-Q录井仪的应用前景分析[J];小型油气藏;2004年03期
9 丁德锐;费为银;梁艳;;一类不确定非线性系统的多约束鲁棒H_∞控制[J];模糊系统与数学;2010年02期
10 刘晓燕,李锁智,唐胜利,张斌;金刚石锚杆钻头类型及其合理选择使用[J];煤田地质与勘探;2002年03期
11 А.В.Сахаров;Л.К.Горщков;鄢泰宁;;金刚石钻进破碎过程的有效作用系数[J];世界核地质科学;1993年01期
12 齐文;钻粒钻进原理[J];探矿工程(岩土钻掘工程);1957年03期
13 楊春發;;從鑽粒鑽進的一般規律中試談尅取原理問题[J];地质与勘探;1957年09期
14 叶忠民;;对鑽粒鑽進刻取原理的几点認識[J];地质与勘探;1957年18期
15 ;在7—8級鉄矿鑽进中提高效率的操作經驗[J];地质与勘探;1959年08期
16 高森;;金刚石冲击回转钻进[J];地质与勘探;1976年01期
17 张晓宏;论运用喷射技术来提高煤田复合片钻进的时效[J];煤田地质与勘探;1989年01期
18 刘卫群;缪协兴;余为;房敬年;刘名;;破碎岩石气体渗透性的试验测定方法[J];实验力学;2006年03期
19 王志强;冲击反循环钻头的研制[J];西部探矿工程;2000年01期
20 田敏,杨建新;提高金刚石钻头钻进效率的两项新途径[J];水文地质工程地质;2005年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 徐国平;程秀兰;尹志民;;高温高压对PDC硬质合金基体微观结构与性能的影响[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
2 陈绪兵;宋阳;陈汉新;;PDC钻头水道曲面的无碰撞刀具轨迹生成[A];2010全国机械装备先进制造技术(广州)高峰论坛论文汇编[C];2010年
3 陈绪兵;宋阳;陈汉新;;PDC钻头水道曲面的无碰撞刀具轨迹生成[A];节能减排 绿色制造 智能制造——低碳经济下高技术制造产业与智能制造发展论坛论文集[C];2010年
4 刘芳;范文捷;周传勋;;聚晶金刚石复合片缺陷分析、分类及表征方法的研究[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(10)[C];2007年
5 刘书逊;张婷;李丽;于益芝;曹雪涛;;活化的浆细胞样树突状细胞pDC对补体介导杀伤的敏感性及其参与系统性红斑狼疮发病机制的研究[A];中国免疫学会第五届全国代表大会暨学术会议论文摘要[C];2006年
6 龙伟民;钟素娟;于新泉;裴夤崟;;金刚石复合片钎焊工艺分析及钎料选择[A];第十一次全国焊接会议论文集(第1册)[C];2005年
7 刘书逊;张婷;李丽;于益芝;曹雪涛;;C1q负向调控IFN-α对单核细胞的活化效应[A];中国免疫学会第五届全国代表大会暨学术会议论文摘要[C];2006年
8 ;Analysis and Design of Partially Decentralized Controllers[A];Proceedings of the 2011 Chinese Control and Decision Conference(CCDC)[C];2011年
9 贺端威;;金刚石聚晶、复合片在地质石油勘探中的应用综述[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
10 朱绍桐;;牙轮穿孔岩石可钻性的试验研究[A];第四届全国岩石破碎学术讨论会论文集[C];1989年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李田军;PDC钻头破碎岩石的力学分析与机理研究[D];中国地质大学;2012年
2 徐根;油田钻探用PDC热残余应力及界面结构优化研究[D];中南大学;2009年
3 王红波;基于硬岩钻进的胎体PDC取心钻头的研究[D];中国地质大学;2010年
4 徐国平;钻探用聚晶金刚石复合体高压合成、性能表征与优化研究[D];中南大学;2010年
5 邢莉民;自身免疫性溶血性贫血/Evans综合征患者外周血树突状细胞/T细胞数量、亚群及功能研究[D];中国协和医科大学;2006年
6 杨道合;科学超深钻井过程中碎岩方法与孕镶金刚石取心钻头的预研究[D];中国地质大学;2012年
7 董久祥;T-S模糊系统的若干控制问题研究[D];东北大学;2009年
8 贾洪声;优质低应力金刚石复合片的高温高压合成[D];吉林大学;2011年
9 曹品鲁;潜孔锤冲击挤密钻进机理及挤密钻头的设计与实验研究[D];吉林大学;2007年
10 任红;贯通式潜孔锤反循环连续取心钻进取心机理研究[D];吉林大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 徐建飞;定向井PDC钻头结构优化设计研究[D];中国石油大学;2010年
2 张献振;土壤动物爪趾仿生PDC钻头研制与试验研究[D];吉林大学;2012年
3 孔栋梁;底砾岩地层PDC钻头损坏机理及钻头优化设计研究[D];中国石油大学;2011年
4 张菁;PDC抗冲击性能及结构参数优化研究[D];武汉理工大学;2011年
5 陈晶晶;聚晶金刚石复合片(PDC)显微结构与性能研究[D];武汉理工大学;2010年
6 田京燕;PDC钻头三维设计软件的研究与设计[D];中国石油大学;2010年
7 张延洪;复合钻进用PDC钻头研究与应用[D];东北石油大学;2011年
8 王勇;PDC钻凿特性测定装置设计与研究[D];中国石油大学;2010年
9 孙延龙;含硼聚晶金刚石复合片(PDC)合成与机理的研究[D];钢铁研究总院;2012年
10 罗德;聚晶金刚石复合片及其钻头的应用研究[D];武汉理工大学;2010年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 特约记者 赵飚;中成机械制造公司PDC钻头在伊拉克试用成功[N];中国石油报;2010年
2 通讯员 李长旺 奥文勇;渤海装备PDC钻头蒙古国创佳绩[N];中国石油报;2009年
3 通讯员 董晓燕;长庆钻井应用PDC钻头在气井钻井中取得新突破[N];中国石油报;2009年
4 本报记者 杨琳桦;李宁的波特兰成长[N];21世纪经济报道;2009年
5 宇辉;移动视频在日本闪亮登场[N];中国经营报;2002年
6 王希勇;KHM系列PDC钻头创川西新场钻井纪录[N];中国石化报;2010年
7 记者 黄群;四方达逾2亿新建两项目[N];上海证券报;2011年
8 通讯员张惠林 魏忠学 陈志勇;西部钻探50678队哈国创佳绩[N];中国石油报;2010年
9 特约记者 李伟;川庆钻探长庆钻井提速再创生产新纪录[N];中国石油报;2009年
10 爱立信(中国)有限公司战略发展总监 卢勇;全球移动通信市场瞭望[N];通信产业报;2002年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978