【摘 要】
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本文通过数值模拟与室内台架试验结合的方法,研究了双级PDC钻头的破岩过程,仿真结果显示:双级PDC钻头井壁外岩石部分的周向应力和径向应力曲线会表现出一种开口喇叭形状特征,并且会随着井壁外岩石半径的增大而逐渐趋向原始地应力。钻进过程中,领眼钻头井壁外岩石周向应力先随着半径的增大呈现出先增大后减小趋势,而径向应力则会先随半径增大呈现出先减小后增大趋势,扩眼钻头的井壁外岩石周向应力与领眼钻头相似,而径向
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本文通过数值模拟与室内台架试验结合的方法,研究了双级PDC钻头的破岩过程,仿真结果显示:双级PDC钻头井壁外岩石部分的周向应力和径向应力曲线会表现出一种开口喇叭形状特征,并且会随着井壁外岩石半径的增大而逐渐趋向原始地应力。钻进过程中,领眼钻头井壁外岩石周向应力先随着半径的增大呈现出先增大后减小趋势,而径向应力则会先随半径增大呈现出先减小后增大趋势,扩眼钻头的井壁外岩石周向应力与领眼钻头相似,而径向应力则相反,这就在井底形成了非常明显的二次应力场分布特征。说明领眼钻头改变了井底原始应力场,释放了地层应力。建立了集钻进参数自动化测采功能的钻进破岩实验系统,设计并加工扩眼钻头外径为120 mm,领眼钻头直径为84 mm,领眼-扩眼比例为0.7,两级PDC钻头布齿结构相同,切削齿直径为11 mm,后倾角为15°的实验室用双级PDC钻头,进行了双级PDC钻头与常规PDC钻头相同钻进参数条件下的四种岩石钻进对比实验,实验结果表明:双级钻头能够有效提升钻进效率,在相同钻进参数条件下,使用双级钻头最多能够提升钻速32.84%;双级钻头能够有效减小破岩扭矩,稳定钻头工作状态,同时能够减小钻头机械比能,优化钻头机械能利用率,提高钻头破岩效率;双级钻头能够有效降低钻头工作时的横向振动强度,在相同钻进参数条件下使用双级PDC钻头产生的横向加速度有效值最大可减小75.34%,更有利于保护钻头切削齿的稳定性和延长钻头使用寿命。同时对室内台架试验结果进行回归分析,结合钻压、转速、低层可钻性级值对钻头机械钻速的影响规律,总结出了在中硬地层钻探工作中适用于双级PDC钻头的经验钻速方程。
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