高温地热井牙轮钻头掉齿机理研究

【摘要】：随着国际能源储备的不断消耗,可持续无污染的高温地热能发展迅速,对于开采高温地热能的技术要求在逐步提高。高温地热井的开采有别于常规油气,其地质环境较为恶劣,多火成岩等耐磨岩层,地层漏失严重,井底温度达到200℃以上,从而导致三牙轮钻头掉齿现象非常严重,严重影响了钻井效率。 高温地热井中出现的钻头掉齿问题,其机理与普通油气钻井钻头明显不同。通常用以检验牙轮固齿强度的轴力压出法不仅不能满足高温环境下牙齿镶固强度评价的需要,也不能满足掉齿机理研究的需要。为此本文从理论分析基础上提出了新的牙齿镶固能力实验测试方法,并用这种方法开展了模拟高温环境的固齿能力检测实验,通过实验数据的分析,对高温地热井牙轮钻头掉齿现象的机理有了新的认识。 主要研究工作包括： (1)针对高温地热井独特钻井工艺分析常规固齿技术应用于高温地热井牙轮中的不足,开展高温地热井牙轮掉齿原因分析； (2)对牙齿镶固强度进行理论计算,其中包括防止牙齿脱落的理论分析、孔壁应力分析和孔口应力分析,完成各因素影响的有限元仿真分析； (3)开展了高温条件下镶固牙轮牙轮钻头牙齿固齿能力实验测试方法研究,设计了高温地热井牙轮钻头牙齿镶固实验,开展温度、过盈量、牙齿直径、齿距等因素对牙齿镶固强度影响的实验研究,.寻找各因素对牙齿镶固强度的影响规律； (4)结合理论分析与实验研究总结高温地热井牙轮钻头掉齿原因,建立系统的牙轮钻头牙齿镶固强度分析方法,并给出高温地热井牙轮钻头牙齿镶固方法及建议。 研究表明肯尼亚高温地热井牙轮钻头掉齿主要原因为： (1)牙轮钻头长时间工作于高温环境下会导致牙轮壳体材料强度； (2)高温会导致牙齿与壳体间因热膨胀系数的差异而降低有效过盈量,使紧固力下降； (3)地层漏失严重,循环介质的井眼净化作用不佳,导致井底沉砂严重,造成牙轮被埋,钻头表面无法得到冷却,也增加了岩屑对牙轮壳体的磨损； (4)地层均质性差导致钻牙轮牙齿的动载荷增加,在一定程度上促成了掉齿现象的发生。 【关键词】：地热钻井 牙轮钻头 牙齿 过盈配合 掉齿
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P634.41;P314
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第1章 绪论7-13
• 1.1 研究背景及意义7-8
• 1.2 高温地热井钻头技术研究国内外现状8-11
• 1.2.1 高温地热井技术8-10
• 1.2.2 牙轮固齿技术研究现状10-11
• 1.2.3 高温地热井牙轮钻头存在的问题11
• 1.3 主要研究内容11-13
• 第2章 高温地热井牙轮钻头掉齿原因分析13-20
• 2.1 温度的影响13-16
• 2.1.1 温度导致塑变的影响13-15
• 2.1.2 温度对过盈量的影响15
• 2.1.3 温度对材料强度的影响15-16
• 2.1.4 温度对孔底空气的影响16
• 2.2 井底沉砂的影响16-17
• 2.2.1 泥浆液漏失导致井底沉砂16-17
• 2.2.2 高温下围岩坍塌导致井底沉砂17
• 2.3 稳定器的影响17-18
• 2.4 掉齿原因总结18-20
• 第3章 牙齿镶固强度理论分析及有限元数值模拟20-46
• 3.1 牙齿镶固强度计算分析20-24
• 3.1.1 防止牙齿脱落的理论分析20-21
• 3.1.2 孔壁应力分析21-23
• 3.1.3 孔口压力计算23-24
• 3.2 温度对紧固力影响的理论计算24-25
• 3.3 孔底空气对紧固力影响的理论计算25-27
• 3.4 牙齿紧固力有限元数值模拟27-46
• 3.4.1 过盈量对紧固力影响有限元仿真29-31
• 3.4.2 齿径对紧固力的影响有限元仿真31-35
• 3.4.3 埋齿深度对紧固力的影响有限元仿真35-36
• 3.4.4 齿孔距影响有限元数值模拟36-41
• 3.4.5 横向加载条件对紧固力的影响有限元仿真41-46
• 第4章 牙齿镶固强度测试实验46-78
• 4.1 牙齿镶固强度实验方法与内容46-51
• 4.1.1 实验目的46
• 4.1.2 实验内容46-47
• 4.1.3 实验方法47-51
• 4.2 实验准备与过程51-62
• 4.2.1 实验装置设计加工51-53
• 4.2.2 实验规划53-55
• 4.2.3 实验过程55-62
• 4.3 实验结果分析62-78
• 4.3.1 硬度实验62-63
• 4.3.2 高温压缩实验63-64
• 4.3.3 紧固力测试实验64-71
• 4.3.4 齿距实验71-72
• 4.3.5 横向加载条件下齿孔变形测试实验72-76
• 4.3.6 小结76-78
• 第5章 总结78-80
• 5.1 主要研究成果78
• 5.2 课题主要创新点78-79
• 5.3 存在的问题及下一步工作79-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-84
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果84

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