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PDC钻头与岩石互作用过程的计算机仿真

肖仕红  
【摘要】:PDC钻头的力学分析是钻头工作性能预测分析的基础。迄今为止,国内在PDC钻头切削力学方面的理论研究工作都是在钻头无公转(即钻头中心与井眼中心相重合)的理想工作条件假设之下进行的,并且忽略了切削齿侧面对切削力的影响,因此切削力学分析结果与实际情况之间存在较大偏差。 本文突破了传统的理论分析方法中对钻头运动条件的限制和对钻头切削结构方案的限制,利用计算机仿真技术来模拟钻头在偏心运动条件下实际钻进过程,分析切削齿的金刚石工作表面以及齿的侧面与岩石的相互作用。主要研究内容包括:建立了PDC钻头偏心运动条件下的计算机仿真系统的数学模型,研究了PDC钻头、井底和井壁的数字化方法;研究了虚拟钻头的切削齿工作表面与岩石的互作用关系的分析方法,以及接触区域、接触面积、切削面积和切削体积的计算方法;研究了切削齿侧面与岩石互作用关系的分析方法,以及接触区域、接触面积的计算方法;研究了切削齿与井壁互作用关系的分析方法,以及接触区域、接触面积的计算方法;编制相应的计算机仿真分析软件。 本文建立的分析方法和编制的分析软件不仅适用于PDC钻头的常规切削结构,同样适用于重复齿(即同轨齿)、后备齿等典型的辅助切削结构。由于仿真系统中虚拟钻头的工作条件与钻头的真实工作条件非常接近,分析结果更接近,因而具有更高的科学性和可信度,为今后进一步开展PDC钻头工作载荷分析以及磨损分析打下了良好的基础。


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