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土壤动物爪趾仿生PDC钻头研制与试验研究

张献振

  我国从上世纪80年代初就开始引进PDC钻头,到90年代后国内各大油田开始使用PDC钻头,并取得良好效果。近些年以来,PDC钻头也在地质钻探行业中得到了较广泛的应用,但主要用于钻进软到中硬的均质地层,还不太适宜钻进坚硬地层。近年来国内外钻井工作者开始逐步研究PDC在不同地层中的切削齿的最佳结构和最佳布齿设计,使PDC钻头更好的为地质钻探行业服务。 PDC切削齿是PDC钻头的基本切削单元,其结构性能的优劣对PDC钻头的钻进效果有着决定性的影响。国内外一直非常重视新型切削齿的研究,利用切削齿形态的不同,已经开发出多种新产品,比较有代表性的有双刃切削齿、预倒角边缘加强齿、覆盖保护层切削齿、复合结构齿等。在某些特定条件的应用下,这些特种形态结构的切削齿工作性能有明显的提高。 本文主要从仿生学的角度对地质钻探用PDC切削齿及钻头进行了研究。通过对土壤动物东方蝼蛄的爪趾进行较系统地总结分析,将土壤动物蝼蛄爪趾的生物学原理应用在金刚石复合片钻头切削齿的设计上。通过Solidworks软件中的Simulation模块静力分析得出PDC仿生切削齿的刃角一般在50°-70°之间比较适宜。刃角过大,则切削齿吃入地层的深度不够,从而影响钻进效率;刃角过小,切削齿自身的抗弯强度不足,易发生提前损坏。因此选择一个适当的刃角有利于提高钻头的钻进效率和使用寿命。根据前人的经验,对PDC切削齿的切割和与钻头基体的焊接进行了详细的研究,以适宜的刃角设计了三齿型和四齿型PDC切削齿。钻头的布齿结构采用了奇偶齿交错分布的设计,奇齿切削出岩石的峰和谷正好被偶齿的谷和峰所切削,从而增加岩石的体积破碎。 在松原油页岩矿区对研制的PDC仿生爪趾钻头进行了钻进试验。结果表明,在夹有白云岩的致密性泥页岩地层,PDC仿生爪趾钻头钻进效率很高,平均机械钻速为2.82m/h,是硬质合金钻头的2倍多;寿命高达227米,大大降低换钻头次数。采用仿生爪趾金刚石复合片钻头,在一个钻孔就可以节省大约36小时的时间,提高了施工效率,相当于提高15336元的产值,极大的增加了施工单位的整体效益。……   
[关键词]:PDC钻头;土壤动物爪趾;仿生设计;钻进试验
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:吉林大学2012年