【摘 要】
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钻井工程中约80%的钻井成本是消耗在仅占总进尺20%的难钻地层中。高硬塑性、强研磨性难钻地层钻井速度慢的问题,已成为严重制约油气资源勘探开发效率的技术瓶颈。本文所提出的轴倾式PDC钻头破岩工具,其钻头体回转轴线与钻柱间具有轴倾角,万向轴与钻头体直接固定连接。这种结构能够实现稳定可靠的交变轨迹切削运动,所形成网状非光滑井底,切削齿可自然侵入地层并使岩石更容易发生体积破碎,进而有效提高钻头的破岩效率。
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（51504209）； 南充市市校科技战略合作项目（NC17SY2001）； 西南石油大学科研“启航计划”项目（2014QHZ011）； 中石油勘探开发研究院项目（RIPED-2018-JS-485）；
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钻井工程中约80%的钻井成本是消耗在仅占总进尺20%的难钻地层中。高硬塑性、强研磨性难钻地层钻井速度慢的问题,已成为严重制约油气资源勘探开发效率的技术瓶颈。本文所提出的轴倾式PDC钻头破岩工具,其钻头体回转轴线与钻柱间具有轴倾角,万向轴与钻头体直接固定连接。这种结构能够实现稳定可靠的交变轨迹切削运动,所形成网状非光滑井底,切削齿可自然侵入地层并使岩石更容易发生体积破碎,进而有效提高钻头的破岩效率。研究内容主要包括:（1）新型钻头几何学、运动学基础理论研究。建立了钻头体几何坐标系统和切削齿的坐标位置方程,分析了不同位置上切削齿的运动轨迹,和不同参数组合下的井底覆盖情况。建立了切削齿运动学方程,分别获得了径向、切向和纵向速度分量,对比分析了不同位置上切削齿的绝对速度变化趋势。（2）新型钻头切削力学基础理论研究。分析了切削深度、齿型直径、切削速度、前倾角度等变参数条件下,切削载荷、破碎比功和齿面应力的量化关系与对比情况。将交叉角度引入到单齿切削载荷计算模型中,形成了能够计算交变轨迹切削状态下的切削载荷计算函数。（3）新型钻头数字化仿真分析技术研究。建立了基于数字化仿真技术的几何结构模型,井底岩石模型,“钻头-岩石”互作用关系分析模型,以及切削载荷计算模型。开发了《轴倾式PDC钻头破岩仿真分析系统》软件,能够实现钻头体工作稳定性评价、磨损均衡性评价和钻进高效性评价能力。（4）新型钻头钻进性能实验测试。研制了可变参数轴倾式PDC钻头破岩工具实验装置,针对南充砂岩（较软）、北碚灰岩（中硬）和雅安花岗岩（较硬）开展了全钻头台架实验。以此为依据,研究获得了变参数条件下的钻速、扭矩和破碎比功等影响规律。（5）新型钻头设计理论研究。确立了轴倾式PDC钻头体切削结构设计原则,分别从径向布齿与周向布齿、轴倾角与传动比参数优化设计、工作稳定性优化设计和水力结构设计等方面研究获得了设计理论与方法,研制了 ZQB127-3型轴倾式PDC钻头工具。本文的研究工作表明,新型钻头能够有效增强PDC钻头在深部硬塑性地层的侵入能力,提高破岩效率。其研究成果不仅揭示了新型钻头的工作机理,而且为新型钻头的工程应用提供了重要技术支撑。
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