刘建风[1]2003年在《PDC钻头布齿研究及其计算机辅助设计》文中进行了进一步梳理PDC钻头是油气钻井的重要工具，该钻头对地层的敏感性强，结构变化多、设计灵活，其性能(尤其是切削齿的布置合理性)对钻井速度和成本影响很大。 本文主要是应用现代计算机技术对PDC钻头布齿设计进行研究。在系统地研究了PDC钻头几何学的基础上，建立全面反映钻头的位置参数、切削齿在钻头上的空间方位参数之间关系的PDC钻头几何学基本方程式，并以此为基础，建立了通过测绘切削齿上五个点来计算其各个参数的五点测绘理论；分析了切削齿在井底的运动规律，详细地讨论了钻头回旋产生的原因、危害和类型，并确定了钻头回旋运动和钻头局部周向反转的运动学条件，提出了几种抗回旋钻头的设计思路；运用PDC钻头几何学基本方程式，建立了准确地确定切削齿与井底接触角度和接触区域的方法；定义了能正确反映切削齿刃各点处实际工作状态的工作角，分析了结构参数对工作角的影响，并建立了精确计算切削齿刃各点处工作角的新方法，研究了PDC钻头布齿设计理论和方法，提出了冠部形状设计的方法和拟合冠部形状轮廓线方程的新方法，建立了切削齿径向布置和周向布置的方法，创立了用优化设计的方法确定切削齿最佳齿前角和侧转角的新方法。针对以上的各项研究内容，用C语言和Visual Lisp语言编制了一套PDC钻头设计计算和绘图程序。
舒慧[2]2016年在《高速PDC取心钻头的计算机辅助设计》文中认为随着我国石油天然气资源开发逐渐进入中后期阶段,人们逐渐向更深更硬地层进行钻井取心作业,钻井操作的难度系数也逐渐增加。作为现代油气井技术中钻进取心的关键工具,PDC取心钻头具有钻速快、稳定性好和使用寿命长等优点,多年来一直受到广泛应用。然而,PDC取心钻头在钻进硬岩地层时,容易产生钻速慢、磨损快等问题,严重降低了钻头的钻进效率和使用寿命。实践经验表明,钻头的性能与其结构设计紧密相关,合理的结构设计能够提高钻头的钻进速度,减少磨损,达到快速高效的钻井目的。因此,随着井下动力钻具的不断发展,对于高速环境下使用的PDC取心钻头开展研究工作具有重要的实际意义和学术价值。本论文首先对高速PDC取心钻头的结构设计进行研究分析。针对高速PDC取心钻头的冠部结构,提出了叁种基本冠部剖面形状设计模型,并对每种冠部形状的参数化设计方法进行总结。通过对比分析叁种冠部形状的优缺点,选取适合高速PDC取心钻头结构设计的冠部形状,根据PDC取心钻头布齿理论对其进行布齿设计。其次,研究分析高速PDC取心钻头的受力情况。对切削齿受力情况与切削参数、切削齿后倾角及岩石可钻性级值等因素之间的相互关系进行分析研究,建立单个切削齿的力学计算模型,并在此基础上对钻头整体力学分析模型进行研究。采用有限元分析法求解高速PDC取心钻头在不同切削深度条件下的最大应力值与变形量,并对钻头进行强度校核,验证所设计钻头结构具有足够的强度与稳定性。然后,采用FLUENT软件对高速PDC取心钻头进行井底流场模拟分析,详细描述钻头底面、切削齿和排屑槽附近区域的速度和压力分布特性。模拟计算钻头在不同流量、钻速和切削深度条件下的井底流场速度和压力变化,通过对钻头上各切削齿表面速度变化进行分析研究,检验钻头的清洗、冷却效果是否达到设计要求,验证钻头结构设计的合理性。最后,基于结构设计理论对高速PDC取心钻头结构设计程序软件进行编写。采用Visual Basic 6.0语言对SolidWorks软件在高速PDC取心钻头结构设计上进行二次开发,这对于合理、科学地设计高速PDC取心钻头具有很高的实用价值和开发意义。本文所进行的高速PDC取心钻头的计算机辅助设计对硬岩钻井作业具有一定的指导意义,通过对钻头结构进行设计研究,模拟计算其井底流场分布情况,并编写了一套结构参数程序化设计软件,最终取得了如下研究成果：1.通过对PDC取心钻头的冠部剖面形状以及布齿设计理论进行设计研究,在对比分析叁种基本冠部形状的优缺点后,总结得出高速PDC取心钻头应选取抛物线形冠部形状设计,并采用直线刀翼式布齿结构,选取刀翼数量为8个,切削齿数为48个,以此达到高速钻进的目的。2.建立了单个切削齿受力与切削参数、切削齿后倾角及岩石可钻性级值之间的力学模型,并在此基础上提出了钻头整体力学分析模型。运用WORKBENCH软件求解出高速PDC取心钻头在切削岩石深度为2mm时,所受到的最大应力值为18.22MPa,最大变形量为0.0108mm；当切削岩石深度为4mm时,所受到的最大应力值为56.331 MPa,最大变形量为0.0333mm；当切削岩石深度为6mm时,所受到的最大应力值为117.48MPa,最大变形量为0.0695mm并对钻头进行强度校核,验证所设计钻头结构的强度与稳定性均满足设计要求。3.采用FLUENT软件对高速PDC取心钻头在不同流量、钻速和切削深度条件下的井底流场速度和压力变化进行模拟计算,分析结果表明：随着转速的逐渐增大,井底压力梯度与流体速度也会随之增大,钻头的清洗、冷却效果则越好,而切削深度的增加使井底压力梯度与流体速度减小,导致岩屑堆积在钻头上,对钻头的清洗、冷却效果造成影响,流量则几乎不影响井底流场的速度和压力分布。4.编写了高速PDC取心钻头结构参数化设计程序软件。根据高速PDC取心钻头的结构特点将其划分为四个结构单元,并分别建立相应的单元数据库,采用VB语言将钻头结构单元数据库与SolidWorks软件进行链接,通过调用程序控制SolidWorks软件自动绘图,完成高速PDC取心钻头的结构设计。本文通过对高速PDC取心钻头的结构进行优化设计,从而达到了钻头高速钻进的目的,运用数值模拟的方法对其井底流场进行模拟计算,并编写了一款高速PDC取心钻头结构参数化设计程序软件,为高速PDC取心钻头的结构设计研究提供了一定的理论基础。
翁炜[3]2008年在《含砾夹层用PDC钻头研究》文中提出PDC钻头(Polycrystalline Diamond Compact Bit,即聚晶金刚石复合片钻头)在软到中等硬度地层中具有很好的破岩性能,机械钻速高,寿命长,使得钻井工作的效率得到了大幅提升,综合经济效益显着,在钻井工程中得到了广泛的应用。但是由于PDC钻头对于使用地层和工作条件敏感性强,提升PDC钻头适用范围仍是一个难题。本文在综合国内外PDC钻头研究的基础上,结合含砾夹层地层特性,对PDC钻头的设计理论和钻头制造技术进行了研究。文中探讨了PDC钻头切削结构设计和水力结构设计原理。首先分析了切削结构的几何学特征,研究了PDC钻头冠部形状与地层的适应性,介绍了切削齿的布齿设计理论,对等切削原则、等功率原则及等磨损原则进行了理论论述,描述了刀翼式PDC钻头的设计流程。研究了喷嘴、流道和排屑槽的设计原则,分析了水力结构对钻头的冷却、井底清洗及辅助破岩等作用,对喷嘴形状、方位角等因素对水力作用的影响进行了研究,并研究了多喷嘴的组合原则。采用Fluent CFD软件对钻头喷嘴流场进行了分析。通过分析PDC钻头在含砾夹层中的工况,并根据鄂北地区实际情况,设计了适用于该地层的胎体四刀翼PDC钻头:采用浅锥轮廓、大刀翼、深水槽、全出刃结构;钻头采用混合切削结构,利用限切削原理,提高了钻头的稳定性和寿命,减小了切削齿的磨损;采用流线型可更换喷嘴,喷嘴采用不对称布置;使用金刚石孕镶烧结体作为辅助切削齿,便于根据地层特性调整。并介绍了使用Pro-E软件建立钻头叁维实体模型的方法。在钻头生产过程中,采用软模具制造技术,降低了劳动强度,保证了钻头的一致性。采用自动控温的烧结和焊接工艺,保证钻头胎体烧结与焊接工艺参数的稳定。使用先进的黑冰齿复合片,保证切削齿的耐磨性和抗冲击性能。对钻头胎体、金刚石孕镶烧结体以及复合片材料性能进行了检测,并对不同复合片进行了台架钻进试验对比。最后进行现场试验应用,与同井段钻头对比,机械钻速提高,寿命延长,达到了设计要求。含砾夹层用PDC钻头的研制成功,对行业相关制造和生产单位具有一定的理论价值和实际指导作用。
程伟[4]2015年在《PDC-牙轮复合钻头布齿设计技术研究》文中进行了进一步梳理PDC-牙轮复合钻头将常规PDC钻头和牙轮钻头的破岩方式和结构特点相结合,相比常规PDC钻头或者牙轮钻头,PDC-牙轮复合钻头在硬地层、夹层、致密的研磨性地层等复杂地层中的破岩钻进效率高,能够显着提高钻速并获得很好的钻进稳定性,并拥有较高的钻头寿命,在导向钻进中可以获得较大的造斜率,并且拥有较好的定向稳定性,钻进时扭矩波动较小,钻进时更加平稳。复合钻头的开发设计对解决难钻地层破岩等问题具有重要的意义。合理的布齿设计是保证PDC-牙轮复合钻头高效稳定工作的关键。本文在已有的PDC钻头和牙轮钻头布齿设计理论的基础上,开展针对PDC-牙轮复合钻头布齿设计理论和方法的研究,开发了PDC-牙轮复合钻头布齿设计计算机软件、数字化仿真分析软件。为了深入了解PDC-牙轮复合钻头的破岩机理、复合结构和布齿设计方法,本文进行了以下几个方面的研究,主要包括：1.开展了PDC-牙轮复合钻头破岩机理和失效形式的研究,深入剖析了复合钻头的破岩方式和破岩机理,以及相比常规钻头而言复合钻头的破岩优势；2.开展了复合钻头布齿设计的理论研究,并提出了基于能量分配率的复合钻头布齿设计方法并研究了各个复合结构参数对破岩能量分配的影响；3.编写了PDC-牙轮复合钻头布齿设计软件,为布齿设计提供高效的技术手段,利用布齿设计软件,对某尺寸的钻头进行了布齿设计；4.研究了基于PDC-牙轮复合钻头破岩仿真软件的布齿方案分析方法,并通过输出数据对布齿方案进行分析；本文所做的理论研究和布齿设计技术研究,对PDC-牙轮复合钻头的设计、评价以及对结构设计进行优化调整具有重要的研究意义。
杨海涛[5]2006年在《PDC变径钻头力学特性及结构设计》文中提出大庆油田井下勘探表明,在油田深处的某些区块内仍存在大量的油气储量。为了开发这部分能源,因此要在原有井眼的基础上进行钻井作业。由于大庆油田大部分油井采用5 1/2的套管,其通径为ф123.7mm,如果在此基础上进行钻井作业,其下一级的套管直径将更小,势必给油田的后期开发带来诸多不便。因此研制一种满足大庆油田钻井需求,随钻扩孔或钻后扩孔的一种小井眼条件下的PDC变径钻头,对发展油田生产具有非常重要的应用价值。本文是针对大庆油田老井改造而开展的一项研究工作。针对目前已有的扩孔钻头中存在的问题,本文参照钻井手册中的有关规定,结合现有的钻头设计方法和大庆油田的具体地质条件,提出了随钻扩孔或钻后扩孔的一种适合在小井眼条件下作业的PDC变径钻头,并对PDC变径钻头的水力学特性、喷嘴井底流场、布齿形式对钻头力学特性的影响等诸多领域进行了分析研究。PDC变径钻头的水力结构关系到钻头的工作性能的好坏和使用寿命的长短。针对这一情况,自行编制了PDC变径钻头水力学参数计算程序,该程序根据流体的流型,选择不同的计算模块,并且模块具有良好的参数输入界面,能够满足水力学计算的基本需要。并且应用FLUENT计算流体力学软件对PDC变径钻头的喷嘴进行井底流场模拟,提出合理的喷嘴形式、排屑槽的结构形式及钻井液的流场分布规律。并且根据图像对PDC变径钻头喷嘴流场进行了强度、压力、速度等方面的分析,结合水力学参数计算程序,提出了适宜的水力学参数。最后,重点讨论了PDC变径钻头的冠部形状设计、切削齿的径向布置、切削齿的周向布置及切削齿齿前角和侧转角的设计。并且在理论计算和经验设计的基础上,提出了合理的布齿尺寸。
廖忠民[6]2004年在《基于Pro/ENGINEER的PDC钻头CAD系统的研究与开发》文中认为近年来国内PDC钻头的设计理论与手段发展迅速，但与国外相比还有较大差距。应用先进的CAD技术来进一步改进和提高其设计手段非常必要。 本文选择Pro／ENGINEER为二次开发平台，利用其二次开发工具Pro／TOOLKIT和VC++6.0联合编程，开发了“PDC钻头CAD系统”软件。在叁维环境下，完成了以下PDC钻头设计、分析功能： (1) 冠部设计，实现了等切削、等磨损、等功率叁种理论设计模式和直线-圆弧-直线、直线-圆弧-抛物线、直线-圆弧、直线-抛物线四种拟合方式下的冠部实体设计。 (2) 布齿设计，实现了等距螺旋线、变距螺旋线、等间距、变间距方式下的布齿设计。在垂直布齿保径段及冠部曲线不能用方程表示时，均能实现连续的布齿。 (3) 流道设计，实现了拉伸切削方式下生成垂直流道，设计时直接在叁维实体上点选流道形状特征点。 (4) 布置喷嘴设计，直接在叁维实体上点选放置点，随意调整位置、方向参数，实时显示喷嘴轴线方向。 (5) 自动装配切削齿，自动生成冠部的装齿齿槽和齿托结构。 (6) 提出了在Pro／TOOLKIT下实现“切削量参数实体测量”的方法，实现了切削面积、切削体积、切削弧弧长的自动测量功能。 (7) 实现了模拟切削井底、切削齿侧面与井底干涉状态的分析。 运用本软件，可显着加快设计速度，提高设计质量。因为是在Pro／ENGINEER叁维环境下实现，也为PDC钻头的CAE／CAM打下了坚实的基础。
庞小林[7]2015年在《模块化布齿的新型PDC钻头破岩特性研究》文中认为本文针对现有钻头在钻井破岩过程中切削齿的比压会随着钻头切削齿的磨损加大而减小的特点,设计出了一种可控比压的模块化钻头,简称模块钻头。模块钻头与常规PDC钻头最大的不同在于切削齿,使用模块切削齿的PDC钻头可显着提高机械钻速。通过对比分析模块化切削齿与常规PDC齿,从切削齿结构、力学模型、切削齿磨损和现场试验四个方面展开了研究。模块化切削齿由模块基体与模块单元组成,模块单元是主要的切削部,承受着大部分载荷的作用。模块与模块单元的布置方法,称为模块切削单元方案,不同的模块切削单元方案必定有着不同的切削刃长,建立一个模块钻头切削齿破岩过程的力学模型,分析切削深度、有效切削面积和比压之间的关系,指出影响PDC钻头机械钻速的因素,考虑切削齿磨损对破岩的影响,最后,综合分析,理论上对比模块化钻头的机械钻速与常规PDC钻头的机械钻速,总结模块化钻头的破岩特性。进行模块化切削齿钻头与常规PDC钻头的现场试验,根据现场试验结果,对比分析模块化钻头与常规PDC钻头的机械钻速。本文将理论分析与现场试验相结合,系统性的研究了模块化钻头的破岩特性。其研究结果对今后进一步研究模块化钻头的结构与寿命做了一定的铺垫。
徐玉超[8]2008年在《定向井PDC钻头受力模型及优化设计研究》文中进行了进一步梳理随着石油工业的发展,定向钻井技术在石油钻探工程中的应用迅速增加,定向井的数量也越来越多。在定向钻井中,通常采用旋转钻进与滑动钻进相结合的方式钻取所需的井眼轨迹。由于PDC钻头相对于牙轮钻头来说具有机械钻速高、使用寿命长的特点,因此被越来越广泛的应用于石油钻井中。但是PDC钻头在定向井钻进时会经常发生定向性能不稳定,工具面角变化剧烈,不易控制的现象,甚至于会造成井下动力钻具减速停机,损毁井下动力钻具。使得在使用PDC钻头在定向钻进时变得特别困难而又耗费时间。因此有必要对在定向井中使用的PDC钻头进行相关研究,找出在定向井中钻进时PDC钻头的冠部轮廓、切削齿布置与工具面角变化以及钻头的定向性能关系。本文首先系统地对PDC钻头的设计理论与特点进行了分析研究,包括冠部轮廓研究、水力学研究和布齿研究等。本论文利用有限元分析软件对PDC钻头在定向井中的受力特点进行分析,研究了不同冠部轮廓的PDC钻头在钻压的作用下与岩石相互作用时,岩石应力的大小和分布特点,总结出适合定向井的PDC钻头的冠部设计。对具有不同后倾角的切削齿与岩石相互作用,研究岩石与切削齿作用面应力分布特点,归纳出在不同的后倾角下岩石破碎的特点。对具有不同螺旋角度的PDC钻头保径进行流体分析,确定合适的PDC钻头螺旋保径的角度。根据以上分析结论,针对长庆油田的地层特点设计一种定向井PDC钻头,并对该钻头进行井底流场分析,对井底流场进行优化配置。
刘程[9]2008年在《PDC钻头叁维设计技术研究》文中认为为了实现提高PDC钻头设计效率的目标,本文在熟悉SolidWorks2006功能和有关模块的基础上,研究了相应计算机辅助设计的原理和实现方法,提出了基于SolidWorks2006软件平台开发PDC钻头叁维设计系统的方案和实现方法。系统采用Visual Basic 6.0开发工具和基于动态链接库(*.d11文件)的开发方式。(1)根据PDC钻头的结构特点,建立了描述PDC钻头几何结构的复合坐标系统,建立了PDC钻头的剖面形状设计模型,给出了合理的布齿设计方法。(2)针对PDC钻头的结构特点对PDC钻头进行了结构分割。分别对钻头体、刀翼、切削齿、钻头冠部进行了叁维造型,而且所建模型均是可变参数驱动的模型。在SolidWorks装配环境下对所建模型进行了装配,完成了PDC钻头的叁维造型。(3)探讨了用Visual Basic对SolidWorks进行二次开发的方法,分别对SolidWorks文件的建立、打开、保存,链接数据库,创建插件,增加工具条等功能进行了研究,实现了与前面所建可变参数驱动的PDC钻头模型的对接,完成了通过设计计算驱动模型的过程。(4)开发了以SolidWorks叁维设计软件为平台的PDC钻头叁维设计软件。软件包括文件管理、钻头体设计、刀翼设计、切削齿设计、钻头冠部设计、报告输出等功能模块。本次设计不但开发了标准的EXE程序,同时为了使用方便,又将工程加以改进,为SolidWorks开发了菜单插件,既DLL程序。生成SolidWorks插件,将各模块的界面挂在SolidWorks软件的主菜单上。(5)根据西峰区块的岩性特点,设计了适合定向井钻进的四刀翼PDC钻头,取得了较好的效果。
刘建风, 胥建华[10]2003年在《PDC钻头布齿的计算机辅助设计》文中进行了进一步梳理合理的布齿是保证PDC钻头有优良工作性能的关键。目前常用的PDC钻头布齿设计方法是图解调整法。该方法速度慢 ,设计工作烦琐 ,工作量大 ,效率低 ,不符合PDC钻头布齿设计灵活的特点 ,而且有时会出现不必要的误差。本文在讨论PDC钻头布齿设计特点的基础上 ,叙述利用CAD进行PDC钻头布齿设计的原理和方法 ,介绍PDC钻头布齿计算机辅助设计软件的内容和编制原理
参考文献：
[1]. PDC钻头布齿研究及其计算机辅助设计[D]. 刘建风. 成都理工大学. 2003
[2]. 高速PDC取心钻头的计算机辅助设计[D]. 舒慧. 长江大学. 2016
[3]. 含砾夹层用PDC钻头研究[D]. 翁炜. 中国地质大学（北京）. 2008
[4]. PDC-牙轮复合钻头布齿设计技术研究[D]. 程伟. 西南石油大学. 2015
[5]. PDC变径钻头力学特性及结构设计[D]. 杨海涛. 大庆石油学院. 2006
[6]. 基于Pro/ENGINEER的PDC钻头CAD系统的研究与开发[D]. 廖忠民. 西南石油学院. 2004
[7]. 模块化布齿的新型PDC钻头破岩特性研究[D]. 庞小林. 西南石油大学. 2015
[8]. 定向井PDC钻头受力模型及优化设计研究[D]. 徐玉超. 中国石油大学. 2008
[9]. PDC钻头叁维设计技术研究[D]. 刘程. 中国石油大学. 2008
[10]. PDC钻头布齿的计算机辅助设计[J]. 刘建风, 胥建华. 煤田地质与勘探. 2003