本書是針對油氣田鉆井提速技術需求撰寫的，系統(tǒng)介紹了PDC鉆頭破巖機理及優(yōu)化設計、提速工具研發(fā)及現場應用等內容。本書共包括10章，分別從研究背景、各油田巖石物理及力學性質分析、PDC鉆頭破巖機理與分析、鉆速方程及現場應用、PDC鉆頭定向雙齒設計實踐、射吸式沖擊器研發(fā)、扭力沖擊器研發(fā)、粒子沖擊鉆井工具研發(fā)、隨鉆擴眼器研發(fā)、套銑鉆頭優(yōu)化設計等方面展開論述。本書既有翔實的理論分析，又有大量的試驗支撐，是一本凝聚著作者多年研究成果的理論聯系實際的專業(yè)書籍。
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2014年，"裂縫性儲層水力壓裂改造機理及技術應用研究"獲中國石油和化學工業(yè)協會科學技術獎三等獎，排名第一
目錄
前言
第1章緒論1
1.1我國油氣田難鉆地層概況1
1.2我國超深井鉆井概況2
1.3高效破巖技術概況4
1.3.1鉆頭4
1.3.2鉆井參數強化鉆井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射吸式沖擊器21
本章附表24
第2章各油田巖石物理及力學性質分析26
2.1巖石的物理性質26
2.2巖石的強度及變形特性28
2.2.1巖石的強度特性28
2.2.2巖石的變形特性29
2.2.3實例分析30
2.3地應力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鉆井上返巖屑塊度分布與分形維數41
2.7.2鉆井上返巖屑塊度分布分形計算42
2.7.3鉆井上返巖屑分形維數與地層巖石可鉆性的關系44
2.8地層抗鉆特性的測井解釋及區(qū)域預測45
2.8.1測井資料解釋模型45
2.8.2測井數據處理方法47
2.8.3實例計算及分析49
本章附表56
第3章PDC鉆頭破巖機理與分析62
3.1PDC鉆頭結構特征與破巖特征62
3.2基于地應力的PDC單齒切削破巖機理及分析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單齒切削試驗及現場案例分析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切削齒破巖的力學模型80
3.3.2PDC切削齒有限元仿真模型82
3.3.3數值模擬結果分析84
3.4PDC鉆頭的黏滑效應的數值模擬分析89
3.4.1PDC鉆頭的黏滑效應89
3.4.2有限元模型建立90
3.4.3模擬數據處理91
3.4.4常規(guī)鉆進下黏滑效應影響因素分析96
3.4.5軸向振動沖擊鉆進下黏滑效應影響因素分析99
第4章鉆速方程及現場應用102
4.1牙輪鉆頭鉆速方程及應用102
4.1.1牙齒侵入井底巖石的力學分析102
4.1.2井底條件下牙輪鉆頭的鉆速方程103
4.1.3模型的室內試驗及結果分析104
4.1.4現場應用實例105
4.2PDC鉆頭鉆速方程及應用108
4.2.1常用的鉆速方程108
4.2.2新模型及參數求解109
4.2.3現場實例分析111
4.3PDC鉆頭機械比功模型及應用114
4.3.1常規(guī)鉆井PDC鉆頭機械比功模型114
目錄
4.3.2沖擊鉆井PDC鉆頭機械比功模型116
4.3.3鉆井關鍵參數求取方法119
4.3.4沖擊振動對機械比功的影響分析123
4.3.5基于機械比功的PDC鉆頭類型優(yōu)選方法124
本章附表130
第5章PDC鉆頭定向雙齒設計實踐134
5.1PDC鉆頭設計基礎134
5.1.1設計方法134
5.1.2冠部結構設計137
5.2PDC鉆頭定向雙齒布齒設計140
5.2.1基本設計141
5.2.2PDC鉆頭側向力計算145
5.2.3定向雙齒PDC鉆頭設計148
5.3定向雙齒PDC鉆頭破巖機理模擬分析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鉆頭破巖效果對比186
本章附表190
第6章射吸式沖擊器研發(fā)191
6.1工具設計基礎191
6.1.1工具概況191
6.1.2工具基本參數關系193
6.1.3工具研發(fā)內容及技術要求194
6.2零件結構及工作流程195
6.2.1零件結構設計196
6.2.2工作流程198
6.3工具流場優(yōu)化設計199
6.3.1流場模型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工具結構優(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構改進211
6.4.3閥套與活塞相對距離優(yōu)化212
6.5射吸式沖擊器室內試驗214
6.5.1直徑為100mm原理樣機214
6.5.2直徑為178mm原理樣機216
6.5.3直徑為127mm工具樣機試驗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工具簡介221
7.1.2工具研究基本情況222
7.2扭力沖擊器結構設計及功能分析223
7.3工具結構的有限元優(yōu)化分析227
7.3.1工具主要零件安全性分析227
7.3.2工具內部流道結構分析232
7.4扭力沖擊器樣機設計加工及試驗分析237
7.4.1扭力沖擊器原理樣機237
7.4.2扭力沖擊器樣機1239
7.4.3扭力沖擊器樣機2243
7.4.4扭力沖擊器樣機3247
7.4.5扭力沖擊器樣機4249
7.5工具的扭矩試驗253
7.6現場試驗及結果分析253
7.6.1JY7-1井254
7.6.2QG5井258
7.6.3WA101井263
7.6.4DS102井267
7.7工具現場操作工藝270
第8章粒子沖擊鉆井工具研發(fā)274
8.1工具簡介及技術要求274
8.1.1工具簡介274
8.1.2工具技術要求276
8.2工具結構設計及優(yōu)化277
8.2.1工具結構及相關計算277
8.2.2工具的流體壓耗分析280
8.2.3粒子射流沖擊強度的影響因素分析283
8.3工具數值模擬及結構優(yōu)化285
8.3.1工具原理的數值模擬285
8.3.2工具自循環(huán)射流原理可行性分析286
8.3.3工具的結構優(yōu)化288
8.4粒子沖擊鉆井工具的室內試驗及結果分析290
8.4.1原理樣機可行性試驗290
8.4.2全尺寸樣機試驗291
第9章隨鉆擴眼器研發(fā)297
9.1工具簡介及技術要求297
9.1.1工具簡介297
9.1.2工具技術要求300
9.2工具樣機設計及相關計算302
9.2.1工具樣機工作原理302
9.2.2刀翼設計303
9.2.3剪銷強度計算304
9.2.4彈簧推力計算305
9.3工具樣機內部結構流場模擬分析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內部結構沖蝕分析313
9.4工具安全性能模擬與結構優(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工具樣機室內試驗及優(yōu)化設計322
9.5.1原理樣機設計、加工及測試試驗323
9.5.2原理樣機測試試驗326
9.5.3全尺寸樣機室內試驗327
9.6工具樣機現場試驗及優(yōu)化設計330
9.6.1工具樣機概況330
9.6.2工具樣機試驗過程331
本章附表334
第10章套銑鉆頭優(yōu)化設計337
10.1工具簡介及技術要求337
10.1.1工具簡介337
10.1.2工具技術要求338
10.2套銑鉆頭結構設計339
10.2.1冠部形狀設計339
10.2.2水泥環(huán)切削部分傾角及長度設計340
10.2.3切削齒設計340
10.2.4切削齒的工作角設計341
10.2.5布齒密度設計342
10.2.6逼壓式射流孔設計343
10.2.7設計結果346
10.3套銑鉆頭結構優(yōu)化348
10.3.1有限元法簡介348
10.3.2套銑鉆頭受力有限元分析349
10.4套銑鉆頭現場試驗351
10.4.1現場工況351
10.4.2試驗案例353
本章附表356
參考文獻358
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