本書是針對(duì)油氣田鉆井提速技術(shù)需求撰寫的，系統(tǒng)介紹了PDC鉆頭破巖機(jī)理及優(yōu)化設(shè)計(jì)、提速工具研發(fā)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等內(nèi)容。本書共包括10章，分別從研究背景、各油田巖石物理及力學(xué)性質(zhì)分析、PDC鉆頭破巖機(jī)理與分析、鉆速方程及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用、PDC鉆頭定向雙齒設(shè)計(jì)實(shí)踐、射吸式?jīng)_擊器研發(fā)、扭力沖擊器研發(fā)、粒子沖擊鉆井工具研發(fā)、隨鉆擴(kuò)眼器研發(fā)、套銑鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面展開論述。本書既有翔實(shí)的理論分析，又有大量的試驗(yàn)支撐，是一本凝聚著作者多年研究成果的理論聯(lián)系實(shí)際的專業(yè)書籍。
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2014年，"裂縫性儲(chǔ)層水力壓裂改造機(jī)理及技術(shù)應(yīng)用研究"獲中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)，排名第一
目錄
前言
第1章緒論1
1.1我國(guó)油氣田難鉆地層概況1
1.2我國(guó)超深井鉆井概況2
1.3高效破巖技術(shù)概況4
1.3.1鉆頭4
1.3.2鉆井參數(shù)強(qiáng)化鉆井9
1.3.3螺桿鉆具11
1.3.4渦輪鉆具13
1.3.5液動(dòng)沖擊器16
1.3.6扭力沖擊器18
1.3.7水力振蕩器20
1.3.8射吸式?jīng)_擊器21
本章附表24
第2章各油田巖石物理及力學(xué)性質(zhì)分析26
2.1巖石的物理性質(zhì)26
2.2巖石的強(qiáng)度及變形特性28
2.2.1巖石的強(qiáng)度特性28
2.2.2巖石的變形特性29
2.2.3實(shí)例分析30
2.3地應(yīng)力33
2.4巖石的硬度36
2.5巖石的可鉆性38
2.6巖石的研磨性39
2.7巖石可鉆性分維表示的可行性分析41
2.7.1鉆井上返巖屑?jí)K度分布與分形維數(shù)41
2.7.2鉆井上返巖屑?jí)K度分布分形計(jì)算42
2.7.3鉆井上返巖屑分形維數(shù)與地層巖石可鉆性的關(guān)系44
2.8地層抗鉆特性的測(cè)井解釋及區(qū)域預(yù)測(cè)45
2.8.1測(cè)井資料解釋模型45
2.8.2測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理方法47
2.8.3實(shí)例計(jì)算及分析49
本章附表56
第3章PDC鉆頭破巖機(jī)理與分析62
3.1PDC鉆頭結(jié)構(gòu)特征與破巖特征62
3.2基于地應(yīng)力的PDC單齒切削破巖機(jī)理及分析64
3.2.1PDC單齒切削模型64
3.2.2單齒切削模型特性影響因素分析72
3.2.3單齒切削試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)案例分析74
3.3基于有限元法的PDC鉆頭切削齒破巖規(guī)律研究79
3.3.1PDC切削齒破巖的力學(xué)模型80
3.3.2PDC切削齒有限元仿真模型82
3.3.3數(shù)值模擬結(jié)果分析84
3.4PDC鉆頭的黏滑效應(yīng)的數(shù)值模擬分析89
3.4.1PDC鉆頭的黏滑效應(yīng)89
3.4.2有限元模型建立90
3.4.3模擬數(shù)據(jù)處理91
3.4.4常規(guī)鉆進(jìn)下黏滑效應(yīng)影響因素分析96
3.4.5軸向振動(dòng)沖擊鉆進(jìn)下黏滑效應(yīng)影響因素分析99
第4章鉆速方程及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用102
4.1牙輪鉆頭鉆速方程及應(yīng)用102
4.1.1牙齒侵入井底巖石的力學(xué)分析102
4.1.2井底條件下牙輪鉆頭的鉆速方程103
4.1.3模型的室內(nèi)試驗(yàn)及結(jié)果分析104
4.1.4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例105
4.2PDC鉆頭鉆速方程及應(yīng)用108
4.2.1常用的鉆速方程108
4.2.2新模型及參數(shù)求解109
4.2.3現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例分析111
4.3PDC鉆頭機(jī)械比功模型及應(yīng)用114
4.3.1常規(guī)鉆井PDC鉆頭機(jī)械比功模型114
目錄
4.3.2沖擊鉆井PDC鉆頭機(jī)械比功模型116
4.3.3鉆井關(guān)鍵參數(shù)求取方法119
4.3.4沖擊振動(dòng)對(duì)機(jī)械比功的影響分析123
4.3.5基于機(jī)械比功的PDC鉆頭類型優(yōu)選方法124
本章附表130
第5章PDC鉆頭定向雙齒設(shè)計(jì)實(shí)踐134
5.1PDC鉆頭設(shè)計(jì)基礎(chǔ)134
5.1.1設(shè)計(jì)方法134
5.1.2冠部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)137
5.2PDC鉆頭定向雙齒布齒設(shè)計(jì)140
5.2.1基本設(shè)計(jì)141
5.2.2PDC鉆頭側(cè)向力計(jì)算145
5.2.3定向雙齒PDC鉆頭設(shè)計(jì)148
5.3定向雙齒PDC鉆頭破巖機(jī)理模擬分析157
5.3.1PDC切削齒失效分析157
5.3.2PDC單齒破巖模擬分析159
5.3.3PDC雙齒破巖模擬分析167
5.3.4切削齒組破巖模擬分析173
5.4定向雙齒PDC鉆頭自平衡布齒參數(shù)優(yōu)化175
5.4.1定向雙齒PDC鉆頭自平衡布齒優(yōu)化方法175
5.4.2定向雙齒PDC鉆頭布齒參數(shù)粒子群優(yōu)化181
5.4.3傳統(tǒng)布齒與定向雙齒PDC鉆頭破巖效果對(duì)比186
本章附表190
第6章射吸式?jīng)_擊器研發(fā)191
6.1工具設(shè)計(jì)基礎(chǔ)191
6.1.1工具概況191
6.1.2工具基本參數(shù)關(guān)系193
6.1.3工具研發(fā)內(nèi)容及技術(shù)要求194
6.2零件結(jié)構(gòu)及工作流程195
6.2.1零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)196
6.2.2工作流程198
6.3工具流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)199
6.3.1流場(chǎng)模型199
6.3.2回程階段200
6.3.3沖程階段203
6.3.4慣性沖擊階段205
6.4工具結(jié)構(gòu)優(yōu)化208
6.4.1噴嘴尺寸優(yōu)化208
6.4.2活塞下壁面和沖錘外壁面流線型結(jié)構(gòu)改進(jìn)211
6.4.3閥套與活塞相對(duì)距離優(yōu)化212
6.5射吸式?jīng)_擊器室內(nèi)試驗(yàn)214
6.5.1直徑為100mm原理樣機(jī)214
6.5.2直徑為178mm原理樣機(jī)216
6.5.3直徑為127mm工具樣機(jī)試驗(yàn)217
第7章扭力沖擊器研發(fā)221
7.1工具的基本情況221
7.1.1工具簡(jiǎn)介221
7.1.2工具研究基本情況222
7.2扭力沖擊器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及功能分析223
7.3工具結(jié)構(gòu)的有限元優(yōu)化分析227
7.3.1工具主要零件安全性分析227
7.3.2工具內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)分析232
7.4扭力沖擊器樣機(jī)設(shè)計(jì)加工及試驗(yàn)分析237
7.4.1扭力沖擊器原理樣機(jī)237
7.4.2扭力沖擊器樣機(jī)1239
7.4.3扭力沖擊器樣機(jī)2243
7.4.4扭力沖擊器樣機(jī)3247
7.4.5扭力沖擊器樣機(jī)4249
7.5工具的扭矩試驗(yàn)253
7.6現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果分析253
7.6.1JY7-1井254
7.6.2QG5井258
7.6.3WA101井263
7.6.4DS102井267
7.7工具現(xiàn)場(chǎng)操作工藝270
第8章粒子沖擊鉆井工具研發(fā)274
8.1工具簡(jiǎn)介及技術(shù)要求274
8.1.1工具簡(jiǎn)介274
8.1.2工具技術(shù)要求276
8.2工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化277
8.2.1工具結(jié)構(gòu)及相關(guān)計(jì)算277
8.2.2工具的流體壓耗分析280
8.2.3粒子射流沖擊強(qiáng)度的影響因素分析283
8.3工具數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化285
8.3.1工具原理的數(shù)值模擬285
8.3.2工具自循環(huán)射流原理可行性分析286
8.3.3工具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化288
8.4粒子沖擊鉆井工具的室內(nèi)試驗(yàn)及結(jié)果分析290
8.4.1原理樣機(jī)可行性試驗(yàn)290
8.4.2全尺寸樣機(jī)試驗(yàn)291
第9章隨鉆擴(kuò)眼器研發(fā)297
9.1工具簡(jiǎn)介及技術(shù)要求297
9.1.1工具簡(jiǎn)介297
9.1.2工具技術(shù)要求300
9.2工具樣機(jī)設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算302
9.2.1工具樣機(jī)工作原理302
9.2.2刀翼設(shè)計(jì)303
9.2.3剪銷強(qiáng)度計(jì)算304
9.2.4彈簧推力計(jì)算305
9.3工具樣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)流場(chǎng)模擬分析306
9.3.1未激活狀態(tài)307
9.3.2投球激活狀態(tài)309
9.3.3投球去激活狀態(tài)311
9.3.4內(nèi)部結(jié)構(gòu)沖蝕分析313
9.4工具安全性能模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化314
9.4.1未激活狀態(tài)314
9.4.2投球激活狀態(tài)318
9.4.3疲勞周期模擬321
9.5工具樣機(jī)室內(nèi)試驗(yàn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)322
9.5.1原理樣機(jī)設(shè)計(jì)、加工及測(cè)試試驗(yàn)323
9.5.2原理樣機(jī)測(cè)試試驗(yàn)326
9.5.3全尺寸樣機(jī)室內(nèi)試驗(yàn)327
9.6工具樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)330
9.6.1工具樣機(jī)概況330
9.6.2工具樣機(jī)試驗(yàn)過程331
本章附表334
第10章套銑鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)337
10.1工具簡(jiǎn)介及技術(shù)要求337
10.1.1工具簡(jiǎn)介337
10.1.2工具技術(shù)要求338
10.2套銑鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)339
10.2.1冠部形狀設(shè)計(jì)339
10.2.2水泥環(huán)切削部分傾角及長(zhǎng)度設(shè)計(jì)340
10.2.3切削齒設(shè)計(jì)340
10.2.4切削齒的工作角設(shè)計(jì)341
10.2.5布齒密度設(shè)計(jì)342
10.2.6逼壓式射流孔設(shè)計(jì)343
10.2.7設(shè)計(jì)結(jié)果346
10.3套銑鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化348
10.3.1有限元法簡(jiǎn)介348
10.3.2套銑鉆頭受力有限元分析349
10.4套銑鉆頭現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)351
10.4.1現(xiàn)場(chǎng)工況351
10.4.2試驗(yàn)案例353
本章附表356
參考文獻(xiàn)358
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