扭转冲击影响PDC钻头粘滑振动的机理研究

摘要

在钻井工程中，PDC钻头常常出现粘滑振动，导致钻头的过早失效，因此，抑制PDC钻头粘滑振动是重要研究方向。现场应用表明，扭转冲击钻井技术与装备能有效抑制PDC钻头的粘滑现象，能够有效提高钻速，保护钻头和钻具。然而，其抑制PDC钻头粘滑振动的机理并不清楚，为进一步拓展扭转冲击钻井技术在现场的应用，对扭转冲击影响钻头粘滑振动的机理进行研究。 首先，对PDC钻头粘滑振动的机理进行分析，建立了扭转冲击载荷对PDC钻头粘滑振动的影响的理论模型，并进行理论计算，结果表明：①随着冲击力的增大，钻头的速度波动逐渐降低，冲击载荷越大，对钻头的粘滑振动抑制效果越好；②随着冲击力的增大，钻头的速度波动呈现先降低后增大的趋势，存在一个最优值使得冲击载荷对钻头的粘滑振动抑制效果最好。 其次，通过实验研究了在扭转冲击作用下的PDC齿与岩石摩擦接触状态，得到冲击载荷对PDC齿与岩石的摩擦接触状态的影响规律，分析了冲击力、冲击频率对PDC粘滑振动的影响。实验结果表明：①随着冲击载荷的增大，冲击对粘滑振动的抑制效果呈现增大趋势；②随着振动频率的增加，冲击对粘滑振动的抑制效果呈现先减小，后增大的趋势，再呈减小的趋势；③随着接触面尺寸的增大，冲击对粘滑振动的影响效果呈现先增大后减小的趋势，并且存在最优值。 然后，通过数值模拟研究了扭转冲击对PDC钻头的粘滑振动的影响规律。分析了不同冲击力幅值、冲击频率对PDC钻头的粘滑振动的影响。研究结果表明：扭转冲击载荷作用下，PDC钻头粘滑振动现象得到有效抑制；并且扭转冲击力幅值和冲击频率存在最优值，使PDC钻头的粘滑振动的抑制效果达到最好。 本文建立了扭转冲击载荷对PDC钻头粘滑振动的影响的数学模型，完成扭转冲击影响PDC钻头粘滑振动的实验研究，并且完成了扭转冲击影响PDC钻头粘滑振动的数值模拟研究，揭示了扭转冲击影响PDC钻头粘滑振动的机理。研究结果表明，扭转冲击可以有效抑制PDC钻头粘滑振动，为扭转冲击钻井技术在现场的应用提供可靠的参考。

目录

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第一章 绪 论

1.1 论文研究目的及意义

1.2 粘滑振动国内外研究现状及发展趋势

1.2.1 粘滑振动概述

1.2.2粘滑振动对钻进的影响

1.2.3粘滑振动产生原因

1.2.4粘滑振动研究进展

1.2.5扭转冲击技术研究进展

1.3 论文的研究目标和研究内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

第二章 扭转冲击载荷对PDC钻头运动过程的影响分析

2.1 基本假设

2.2 PDC钻头粘滑过程受力分析

2.3 冲击载荷作用下PDC钻头的运动方程

2.4 讨论分析

2.5 本章小结

第三章 冲击载荷影响摩擦粘滑振动的实验研究

3.1粘滑接触分析

3.2 冲击载荷影响粘滑振动的实验研究

3.2.1 室内实验装置

3.2.2 摩擦副制备及参数

3.2.3 实验方案与实验流程

3.2.4 实验结果及分析

3.3 本章小结

第四章 扭转冲击载荷影响PDC粘滑振动的数值模拟研究

4.1 PDC齿破岩的数值模型

4.1.1 基本假设

4.1.2 物理模型及网格划分

4.1.3 材料模型及模型参数设置

4.1.4 边界条件及载荷施加

4.2 PDC破岩数值模拟结果分析

4.2.1 岩石破碎动态响应过程

4.2.2 扭转冲击对PDC钻头粘滑振动的影响

4.2.3 冲击频率对粘滑振动的影响

4.2.4 冲击力对粘滑振动的影响

4.2.5 扭转冲击载荷影响PDC粘滑振动的机理

4.3 本章小结

结论

参考文献

致谢