一、PDC钻头与岩石相互作用规律试验研究（论文文献综述）
冯上鑫[1]（2021）在《基于钻孔过程机-岩相互作用机制的岩体力学参数识别研究》文中研究说明钻孔作业作为岩土工程中最早与岩体接触的施工工序,在钻具与岩体的相互作用下,钻具响应信息能综合反映岩体力学特征,可为定量评价地层岩体力学参数提供新的原位测试方法。而如何揭示钻孔过程中岩石破碎特征和隐藏的机-岩信息互馈机制是评估地层岩体力学参数的关键。本文采用室内钻孔破碎试验和理论分析开展了室内岩石破碎特征和机-岩相互作用机制研究,在此基础上结合原位钻孔试验提出了地层岩体力学参数识别方法,并通过德厚水库工程验证该方法的有效性。主要研究内容和成果如下:（1）基于室内岩石压痕试验,揭示了岩石贯入破碎程度动态划分和裂纹扩展规律,建立了考虑岩石贯入破碎特征的三维岩石贯入破碎模型,获得了最大贯入压力与岩石贯入破碎程度的复杂幂函数关系;确定了不同加载条件下的（锥形压头、球形压头以及贯入速率）下的岩石贯入破碎特征（破碎表面积、最大压痕深度、最大贯入压力）变化。（2）基于自主研发的室内岩石旋切破碎装置研究了不同加载压力和钻头角度下的岩石旋切破碎特性和机-岩相互作用机制,揭示了岩石旋切破碎过程中钻头扭矩线性变化规律,推导了切割扭矩与岩体固有属性（摩擦系数和岩石切割比能）之间的数学关系;建立了钻进过程中钻头三维螺旋运动轨迹方程;确定了岩石旋切破碎重量和尺寸分布的控制因素分别为岩石抗压强度和抗拉强度。（3）研发了适用于复杂施工环境的钻进过程实时监测系统,实现了复杂施工环境下钻具数据（加载压力、旋转速度、旋转扭矩以及钻进速度等）的实时监测、远程传输、智能预处理（数据降噪、无效数据剔除等）以及可视化展示,建立了基于钻进过程实时监测系统的地层岩体参数的表征方法,可实时显示地层岩体信息分布。（4）提出了不随钻进过程中钻具参数变化的钻进贯入指数,通过机岩相互作用机理推导了该指数与岩体力学参数（摩擦系数和岩石切割比能）的正相关关系,提出了基于钻进贯入指数和钻进过程实时监测系统的地层岩体力学参数识别方法。基于原位钻孔试验,系统性研究了钻具参数（加载压力、旋转速度及钻进速度）与钻进比能的相关关系,构建了钻进比能修正模型,发现最优钻进速率出现在钻进比能第二次降低的最低点。（5）提出了一种以钻进过程实时监测系统为主,跨孔电阻率CT等为辅的岩溶分布综合探测方法,成功探测了德厚水库溶洞分布和沿钻孔分布的岩体信息。基于深度置信网络定性分析了地层结构信息（钻进速率、电阻率、声波以及透水率）与灌浆量的相关关系,验证了基于钻进过程实时监测系统的地层岩体力学参数识别方法在工程实际中的有效性。
向琳[2]（2021）在《旋转导向钻井工具钻头钻进力学研究》文中提出旋转导向钻井技术,常用于控制井身轨迹并且能有效提高破岩效率。钻头作为在导向钻井作业常见使用的钻井工具,其岩石作用过程十分复杂难预测性,致使无法直接地研究钻头在井下的受力特性以及运动情况。为了研究旋转导向钻井过程中钻头的力学行为,本文在研讨PDC钻头在旋转导向钻井中的失效机理、受载规律的基础上,主要开展了以下工作:首先基于钻头的几何学理论,研究了PDC切削齿坐标位置,给出了钻头切削轨迹函数,在此基础上,研究了井斜角以及近钻头稳定器对柔性短节偏角的影响规律。其次研究了PDC钻头在旋转导向钻井条件下的运动学模型,在对其切削岩石过程进行分析的基础上,建立了弹簧-阻尼-质量的振动力学模型,得到了振动微分方程,推导了钻进过程切削力的数学计算模型。根据所建立的模型以及仿真流程,通过数值计算方法,基于MATLAB软件平台,编制了系统动力学仿真程序。采用单一变量法进行了分析,研究了钻头旋转角度对X、Y方向的切削力的影响,切削深度与切削力以及钻速的关系。最后,利用Ansys软件建立了岩石几何模型,并与Solid Works所建立的钻头模型相互作用,模拟了指向角θ=0°,θ=2.5°和θ=5°的切削齿破碎岩石过程,确定可控弯接头指向角大小对钻头破岩效率的影响规律;以及在不同指向角下对钻头-岩石系统进行模态分析。
张增增[3]（2021）在《高温地层PDC切削齿碎岩过程中热损伤及温度场热应力场的研究》文中提出随着石油和煤炭资源越来越难以获取以及人类对资源需求量的持续增长,深部地层资源（如干热岩等）将会作为今后重要的能源接替资源,资源勘探开发工作逐渐从浅部地层向深部地层进军,钻进过程中不可避免的会遇到硬岩地层以及PDC钻头磨损等问题。切削温度是PDC钻头在碎岩过程中,切削齿高速钻进剧烈摩擦岩石产生的,供给钻头的能量中超过一半以上的能量转化为摩擦热,高温地层温度和切削摩擦热的叠加效应致使钻头的温度急剧升高。温度过高不仅会让PDC切削齿内部产生较大的温度梯度,而且使PDC切削齿产生不均匀的热膨胀,从而使得切削齿内部产生较大的热应力,并造成切削齿变形、磨损加剧,降低钻头切削碎岩的性能,严重时直接导致钻头过早失效。因此,切削齿的温度和热应力是影响钻头失效的重要因素。掌握高温条件下对PDC钻头的热损伤以及碎岩过程中切削齿的切削温度场和热应力场分布及其影响因素,对研究PDC钻头的碎岩机理、磨损规律以及指导PDC钻头设计和优化钻井参数具有重要意义。然而,实际钻探过程中难以实时准确地获取PDC钻头碎岩过程中温度场和热应力场的分布情况。本文采用理论分析、数值模拟与试验相结合的研究方法,以PDC取心钻头为研究对象,研究了PDC钻头在碎岩过程中热损伤、切削热和热应力场的影响及分布规律。通过X射线衍射仪（XRD）和扫描电镜（SEM）,探究了高温条件下PDC切削齿的微观结构和热损伤机理,揭示高温加热后PDC钻头及切削齿的热失效本质;基于热-弹塑性理论、摩擦学及传热学等理论,对PDC切削齿碎岩过程中产热来源进行了理论分析,建立了PDC切削齿破碎岩石过程中PDC切削齿温升理论数学模型;基于有限元ABAQUS软件建立了全尺寸PDC钻头-岩石三维非线性动力学模型,研究了PDC钻头及切削齿动态碎岩过程中温度场和热应力场的分布规律;采用非接触式红外测温和接触式热电偶测温设备分别检测了钻进岩石试验中PDC钻头的温度,获得了PDC钻头碎岩过程中钻头温升规律及温度场分布特征。基于高温钻进试验,获得了PDC钻头破碎高温岩石过程中钻头的温升规律及分布特征。论文取得的主要研究成果如下:（1）采用X射线衍射仪（XRD）和扫描电镜（SEM）观测了高温加热条件下PDC切削齿的XRD图谱和裂纹发育特征。宏观结果显示:切削齿在高温加热至600℃时,PDC表面出现“绿色氧化产物”,加热温度达到800℃时,切削齿外貌特征呈“十字”型,完全失效。通过X射线衍射微观分析表明:温度为800℃时,金刚石衍射峰强度减弱,金刚石和金属钴在空气中加热会被氧化。通过扫描电镜发现,当加热温度为500℃时,PDC试样表面糙度增大,出现晶界裂纹;当加热温度达到600℃时,PDC表面不仅有裂纹产生还有微孔洞;700℃时PDC表面出现了大量裂纹。金刚石层的氧化、金属钴和金刚石的导热系数不同所产生的热应力导致的裂纹和颗粒脱落是PDC聚晶金刚石层热损伤的主要机制。（2）基于金属切削温度理论,分析了PDC钻头钻进过程中热量产生的三个主要来源,即切削齿切削岩石剪切变形产生的剪切热、切削齿与岩屑之间的摩擦热切削齿底部与岩石摩擦产生的摩擦热。并结合热-弹塑性、摩擦学以及传热学等理论,建立了PDC切削齿破碎岩石过程中PDC切削齿温升理论数学模型。通过理论研究推导,钻井液循环条件下,钻井液的温升与其流速的平方根呈正比,切削齿的平均温度为不考虑钻井液时切削齿的温度与冷却后钻井液的温度二者的平均值。（3）采用有限元ABAQUS软件建立了全尺寸PDC钻头与岩石的三维有限元模型,对PDC钻头碎岩过程进行了动态仿真模拟,获得了PDC切削齿的温升规律和高温区域温度偏移规律。仿真结果表明:PDC切削齿的温升过程中存在三个阶段,即急剧上升阶段、缓慢上升阶段和相对稳定阶段;在钻进过程中高温区域由切削齿冠顶部向切削齿外端偏移,切削齿的高温区域呈扇形分布,主要分布在切削齿与岩石接触且切削速度最大的位置;随转速和钻压的增加,切削齿最外端温度与冠顶部温度的差异会越来越大;切削齿温度随切削角的增大而减小。（4）通过有限元法对PDC切削齿碎岩过程中的瞬态热应力进行仿真分析。模拟结果表明:PDC切削齿的最大应力出现在金刚石层和硬质合金基体结合面附近,即切削齿的冠顶位置,切削齿的冠顶部位很容易出现应力集中现象,进而导致局部应力过大。随着地层温度的增大,切削齿内部温度梯度分布呈减小趋势,而PDC切削齿的等效应力是先增大后减小。常温下破碎岩石时PDC切削齿的最高应力为2.44 GPa,破碎150℃岩石时PDC切削齿的最高应力为2.47 GPa,破碎250℃岩石时PDC切削齿的最高应力为1.75 GPa。破碎三种不同类型的岩石时切削齿冠顶部位的应力变化呈先增大后波动变化趋势,岩石强度对切削齿整体的应力分布和波动幅度产生了较大的影响,岩石硬度等级越大,切削齿整体的平均应力和波动幅度也越大。破碎花岗岩时切削齿的应力比破碎大理岩时应力高58.2%,比破碎砂岩时应力高134.8%。切削齿结合面处热应力的高度集中和波动冲击是导致PDC切削齿剥离失效的主要原因。（5）通过改进钻进试验平台实现非接触式热红外辐射和接触式热电偶两种测温方式,开展了PDC钻头碎岩过程中切削齿的实时温度测量试验,获得了PDC钻头碎岩过程中切削齿的温升变化规律和转速、钻压及岩样强度对切削齿温度的影响规律。试验结果表明:转速和钻压与切削齿温度呈正相关变化。钻进花岗岩切削齿的温升幅度明显大于钻进大理岩和砂岩,在相同的条件下钻进花岗岩时切削齿的温度大约是大理岩的2倍,砂岩的3倍。在钻进高温花岗岩地层过程中,花岗岩温度为150℃和250℃时,PDC钻头的温度变化趋势大致相同,都是先增大再减小最后趋于动态平衡状态,最终温度稳定在72℃～73.5℃区间内。破碎温度为150℃的花岗岩时,PDC钻头的机械钻速为0.06 mm/s;破碎温度为250℃的花岗岩时,PDC钻头的机械钻速为0.052 mm/s。机械钻速随地层温度的升高呈现先增大后减小的趋势,花岗岩150℃时的机械钻速大于常温和250℃条件下的机械钻速。
陈子贺[4]（2020）在《松辽火山岩地层PDC钻头切削齿破岩机理研究》文中认为随着国内外学者对于松辽火山岩地层不断的勘探开发,发现该地层岩石研磨性强、可钻性差、机械钻速慢、钻井周期长等问题较为突出,因此破岩效率较低。PDC钻头因其高耐磨性和高硬度等特点在该区域广泛应用。目前国内外对松辽火山岩地层的研究多集中于应用效果评价方面,而对于岩石破碎机理研究较少,因此有针对性的对于该地层PDC钻头切削齿的破岩机理研究不容忽视,这对提高该地层的破岩效率具有重要意义。本文通过对于火山岩地层岩石特性的研究,认为破岩效率低主要是由于火山岩地层具有高地应力,岩石软硬交错富含层理,井底温度高。综合以上三个特点,开展松辽火山岩地层PDC钻头切削齿破岩机理的研究,阐述PDC切削齿与岩石的相互作用关系,通过数值模拟,发现振动冲击载荷可以提高切削软硬交错岩石破岩效率,揭示了切削参数和井底温度对于破岩比功的影响,以及切削参数对于切削齿温度的影响。具体研究成果如下:（1）对PDC切削齿破岩过程中岩石受到的合力进行分析,推导了切削力的求解过程。对深部地应力场作用下岩石应力进行分析,得到了满足垂直井段及斜井段井底岩石应力分布情况的应力分量。以松辽火山岩地层典型岩石力学参数为依据,建立了PDC切削齿破岩模型,模拟了垂直井段和斜井段破岩时的应力分布情况,斜井段的应力的峰值比垂直井段的应力的峰值稍大。对比了侧倾角和后倾角对破碎比功的影响,找到了合适角度的后倾角和侧倾角,从而有利于破岩效率的提升。（2）提出了软硬交错岩石模型的想法,模拟了PDC切削齿切削软硬交错岩石的过程,并进行了切削层理岩石的室内实验,数值模拟仿真得出的切削力与室内试验得出的切削力误差很小,验证了模拟的可靠性。对比切削均质岩石和软硬交错岩石的切削力大小可以看出,软硬交错界面的存在加大了切削难度,并且切屑力波动较大。（3）对比了有无地应力场作用下,切削软硬交错岩石不同层理倾角、不同层理厚度的切削力,分析了振动冲击载荷对软硬交错岩石破岩的影响。对比了软硬交错岩石在有振动冲击和无振动冲击作用下的切削力大小时,对比了不同振动频率和冲击幅度对破岩比功的影响,得出了PDC切削齿在振动冲击载荷作用下可以提高破岩效率的结论。（4）分析了PDC切削齿破岩过程的热理论,建立了有地应力场作用下的PDC切削齿切削岩石温度位移耦合模型。分析了切削齿的齿刃上某一节点的温度变化情况,发现最高温度出现在切削齿与切屑的接触区。不同的后倾角、侧倾角、切削速度和切削深度会对切削齿温度的变化产生一定的影响。对比分析了不同井底温度下,不同切削参数对破岩比功的影响。
高嗣土[5]（2020）在《井下闭环可控弯接头的PDC钻头破岩机理研究》文中进行了进一步梳理旋转导向钻井技术因其独特的钻井优势,已经得到了国际石油界的高度认可。旋转导向钻井工具可控弯接头指向角的调节是实现PDC钻头精准钻进的关键,目前国内外学者对其的研究还比较少,是旋转导向钻井系统研究中迫切需要解决的问题。本文针对该项问题展开研究,为井下闭环可控弯接头指向角对钻头破岩效率的影响研究奠定基础。本文在研究井下闭环可控弯接头结构的基础上,分析了其偏心环组在井底的运动轨迹以及指向角与内、外偏心环转速之间的关系;基于PDC钻头切削齿几何学基本方程,利用Matlab软件建立了其数字模型以及井底岩石数字模型,并定义其数字节点物理属性。然后,在旋转导向钻井模式下,模拟钻头外部单齿与岩石相互作用过程,得出了内、外偏心环转速比对可控弯接头钻头单齿破岩效率的影响规律。同时,在分析井底岩石本构关系的基础上,利用Abaqus软件建立了岩石几何模型,并与三维造型软件Solid Works所建立的钻头切削齿模型相互作用,分别模拟指向角θ=0°,θ=2.5°和θ=5°的切削齿破碎岩石过程,以确定可控弯接头指向角对钻头破岩效率的影响规律。最后,针对PDC钻头破岩仿真常见参数,利用Python语言对Abaqus软件进行二次开发,减少了不必要的循环操作,得到了自定义参数输入界面,并验证其仿真结果,优化仿真流程。
吕澜涛[6]（2020）在《混合钻头破岩机理研究及计算机仿真》文中提出近年来,浅层油气资源消耗巨大,难钻井作业不断增加以及页岩气开发成为热点,导致常规钻头钻井时出现牙齿磨损过快、机械钻速下降明显等问题,很难获得理想的钻进效果。混合钻头近几年在国外的成功设计和应用,表明其有着优于常规钻头的破岩优势,但目前对其破岩机理研究甚少,导致混合钻头推广受限。因此,本文采用理论和仿真相结合办法,开展混合钻头破岩机理研究。具体研究内容如下:（1）了解PDC钻头和牙轮钻头破岩过程,在此基础上对混合钻头破岩机理进行研究。结果表明:混合钻头破岩是牙轮牙齿与PDC齿对岩石共同作用的结果,从而提高其破岩速度。（2）通过对PDC结构和牙轮结构破岩受力分析,推导混合钻头破岩力学公式。（3）将混合钻头、牙轮钻头、PDC钻头进行破岩仿真,验证混合钻头相比于牙轮钻头和PDC钻头具有更好破岩效率。（4）研究混合钻头结构对其破岩机理的影响,得到牙轮主导型混合钻头适用于相对硬的地层;PDC主导型混合钻头适用于相对软的地层。（5）研究页岩破碎机理。针对混合钻头与含层理性页岩的相互作用机理进行研究,结果表明:混合钻头与岩石层理所成角度越小,钻速越快;层理厚度越少,岩钻速越快。
张帅[7]（2020）在《基于ABAQUS的石油钻头破岩仿真实验系统开发》文中指出针对试验条件的苛刻性,以及仿真模型建立过程的复杂性,基于ABAQUS软件平台,使用Python语言开发了PDC单齿和三牙轮齿圈破岩仿真实验系统,可以有效提高石油钻头破岩性能的研究效率。首先通过仿真模拟验证了系统的正确性,并进一步研究得出:（1）由于材料性质的差异,应力及温度在PDC层和基体之间产生了较大波动;（2）随着前倾角的增大,PDC切削齿与岩石的接触面积逐渐增大,从而切削力随之增大;（3）单齿圈破岩量随移轴距、转速和钻压的增大而增大,且钻压对破岩量影响最大;（4）勺型齿的吃入岩石能力最强,锥型齿次之,楔型齿最弱。勺型齿的破岩过程更加稳定,锥型齿更易挤压岩石形成密实区。通过正确性验证与实际应用充分证明了该系统可实现破岩仿真模型的快速建立,有效地提高了钻头破岩性能的研究效率。最后通过编写Python脚本,实现了PDC全齿的参数化建模,仿真模拟得出沿钻头包络线向两侧方向切削齿扭矩逐渐减小,钻头底部切削齿的切削面积大于侧翼切削齿切削面积,使得钻头底部切削齿的切削力远大于侧翼切削齿的切削力;通过三牙轮钻头全齿仿真模拟得出次外齿圈是决定轮体速比的关键因素,钻压对轮体速比影响较大,转速对轮体速比几乎无影响。
孟凡海[8]（2020）在《基于离散元的PDC齿冲击破岩规律研究》文中研究说明随着钻井深度的增加,钻井效率逐渐降低,为提高钻进速度,各类具有扭转冲作用的辅助钻井设备应用于PDC钻头,根据现场反馈结果表明扭转冲击器可以大幅度提高钻井效率。为在满足钻井效率的情况下,提高扭转冲击器的经济性,有关冲击作用下PDC钻头破岩规律还有必要进一步研究。本文详细介绍了离散元法的相关原理,建立了岩石试样离散元模型,通过离散元软件,对扭转冲击作用下PDC单齿破岩的相关规律进行分析研究,并建立双齿切削模型及全钻头钻进模型对扭转冲击条件下破岩规律做了进一步研究。并完成扭转冲击条件下PDC切削齿破岩室内实验,对数值模拟结果进行对比验证。本文主要的研究内容如下:（1）通过了16组仿真实验,分析了离散元仿真模型四个主要参数对岩石力学特性的影响,将数值模拟结果与室内真实实验结果进行拟合,由拟合结果可知轴向变形量-试验力曲线拟合度高,证明标定参数可以用于真实实验。（2）建立了PDC切削齿在扭转冲击作用下破岩的离散元模型,分析了不同的岩性、不同切削深度、不同切削角度、不同切削齿直径及不同冲击频率对PDC切削齿的破岩效率的相关规律进行分析,确定了在扭转冲击条件下最佳切削深度2.5mm,最佳前倾角5°,在满足现有的工艺条件限制及不同地质条件的制约下,为提高钻井效率,应选择相对小齿径的切削齿。（3）在分析PDC切削齿扭转冲击作用下破岩规律基础上,建立了PDC双齿切削模型,对PDC切削齿在钻进过程中切削齿之间的应力场干涉现象进行分析,确定常规钻进条件下破碎比功最小值在齿间距5.5mm取得,扭转冲击作用下破碎比功最小值在齿间距6.5mm处取得,为科学布齿提供理论基础。（4）在PDC双齿切削岩石的离散元模型的基础上,建立扭转冲击作用下PDC全钻头破岩离散元模型,通过对不同位置切削齿受到轴向力、扭矩及破碎比功的分析确定不同位置切削齿受力规律,为扭转冲击条件下PDC钻头的精选和优化设计提供一定的理论依据。（5）完成了在扭转冲击条件下全钻头破岩实验,证明钻进转速一定,则扭转冲击条件下破岩效率远高于单一条件下钻头破岩效率,加大钻压,则扭转冲击钻进破岩效率将会比单一静压钻进效率更高。通过对冲击频率对机械钻速的影响曲线分析可知,存在一个最优的冲击频率范围已达到最优机械钻速,提高破岩效率。
郑国敬[9]（2020）在《真空无水环境PDC单齿切削机理研究及结构优化》文中研究表明月表高真空无水和复杂的温度环境,会导致钻探采样过程中钻头和月岩之间产生大量的热量,且热量无法及时扩散,进而加剧了刀具的磨损,导致钻头切削性能、使用寿命下降。目前PDC钻头多数采用标准圆柱形锋利齿,由于切削齿尖端存在应力集中和切削力波动行为,切削齿易于产生磨钝与断齿现象。切削齿的磨损主要集中在切削刃区域,使得切削齿失去了切削效率,最终导致用于岩石切削的能量急剧增加。据文献调研表明,PDC切削齿齿刃形状已经成为岩石切削的重要研究对象,它对减少切削齿的磨损、提高切削齿寿命至关重要。本文主要考虑圆弧形状切削齿对切削破岩的影响,研究了岩石切削过程中切削力、温度的变化规律、刀具磨损形貌以及岩石破碎机理。主要研究结论如下:（1）真空条件下的摩擦系数与切削齿上温度远高于环境空气条件,在大气条件下切削齿接触区域主要发生光滑磨损的过程,这种磨损模式通常是在均质地层中钻井时发生的,该地层具有较强的研磨性,经过抛光后的表面非常平整,而没有导致它在宏观意义上的断裂。而真空条件下,切屑塑性变形产生的热量和切削齿与切屑、岩石摩擦产生的热量大部分传递给切削齿,导致切削齿温度上升,在缺乏钻井液的条件下,真空中产生的热量无法及时扩散,加剧了切削齿的磨损。（2）通过仿真岩石切削过程,得到了不同弧形齿切削过程中温度与切削力以及岩石破碎的变化规律:锋利齿:切削齿峰值温度最高,作用力主要集中在前刀面接触区域,主要表现为切削作用,产生大块状岩屑;圆弧半径为0.2mm-0.5mm切削齿:齿上峰值温度较小,明显降低了齿上应力集中现象同时具有良好的切削性能,产生小块状岩屑;圆弧半径为0.8mm-1.5mm切削齿:切削齿进入剧烈磨损阶段,切削性能明显下降,破岩方式发生改变,产生粉末状岩屑。（3）切削刃半径可防止快速和不可预测的磨损,锋利齿切削过程应力分布较为集中,波动较大,易于产生崩齿;而合理半径的弧形齿可以提高切削齿机械强度,使得局部集中的切削应力分散,波动现象明显降低。特别是,从模拟中获得的结果已经证实存在最佳切削刃半径（0.2mm-0.5mm）,从而减少了切削齿的断齿和磨损现象,并提高切削齿的使用寿命。
李彦[10]（2020）在《煤层减冲孔组合钻头钻进机理及钻孔卸压应用》文中认为冲击地压是深部煤矿较为常见的动力现象,防治冲击地压的一项重要措施是在冲击危险区域实施注水钻孔或卸压钻孔。而深埋工作面煤层钻孔过程中,由于围岩应力的作用,孔内往往会发生卡钻、抱钻、断杆等钻进动力现象,严重影响相关减冲工艺的实施。因此,如何提高钻进效率已成为深部煤层钻孔亟待解决的关键问题。组合钻头因在深部煤层钻进中具有良好的适应性,常用于局部冲击倾向工作面煤层中大直径钻孔卸压、注水卸压、爆破卸压等工艺的深孔钻进,但是关于组合钻头结构特征对钻进煤体性能影响的研究明显滞后于工程应用。前人在开展钻头钻进机理研究的过程中,主要以钻头刀具压入弹性半空间体作为受力模型,并以此为基础考虑钻头静力作用下的煤体应力分布等,再结合不同的强度准则研究煤体破碎机理。这种理论模型对于各刀具受力相同的地质钻头类型是合理的,但组合钻头具有不同尺寸参数刀具,且各刀具并非单纯以压入的切削方式破碎煤体,而是在围岩应力条件下由不同方向刀具与煤体相互作用的钻进机制,在研究用于工作面煤层钻孔的组合钻头钻进机理时,需要以组合钻头结构特性为基础,并根据不同地质条件下的适应性来分析其钻进机理。因此,通过分析组合钻头在钻进过程中的受力状态,应用接触力学理论,推导出组合钻头与孔壁煤体之间的接触应力,建立了组合钻头受力模型。在分析不同几何参数钻头与煤体接触的基础上建立了物理模型,分析了影响钻进效率的因素及其变化规律;根据相应的岩石强度准则,研究了围岩应力条件下钻进煤体时孔壁周围裂隙的发育情况,建立了组合钻头钻进性能评价体系;并以煤体物理力学参数为基础,采用几何参数优化后的组合钻头钻进煤体的缩微度实验,分析了组合钻头在不同地质条件下的钻进性能演化规律;最后在现场测试组合钻头的钻进效果,并与研究结果进行对比分析钻进适应性。具体内容如下:（1）在分析组合钻头结构特性的基础上,以组合钻头“钻进+逐级扩孔”的运动学特征为研究对象,运用接触力学理论构建组合钻头钻进的力学模型,通过理论计算得出钻头不同区域结构的扭矩、进给力解析表达式,并从破碎煤体的本质揭示影响组合钻头钻进的主要因素,为组合钻头钻进性能的评价体系提供理论依据。（2）采用ABAQUS软件建立组合钻头钻进过程离散元（DEM）仿真模型,利用仿真模型对组合钻头几何参数和钻进参数影响的钻进性能进行研究,分析组合钻头工作角、刀具排距、刀具排列方式和转速、进给速度等对组合钻头受力状态的影响,得出组合钻头结构参数对钻进性能影响规律。（3）搭建双轴加载组合钻头钻进实验平台,实验研究优化后的组合钻头在不同围压大小和不同煤体强度条件下的钻进性能,从组合钻头进给力、扭矩、钻进比能、平均钻屑量等方面,阐述煤体强度、围压大小和钻进参数对组合钻头钻进性能的影响。（4）以工作面钻孔过程中受煤层围岩应力影响为切入点,基于HJC材料本构关系建立钻孔数值仿真模型,分析不同围压大小、围压分布状态下组合钻头载荷、钻进扭矩和钻屑量的影响规律,研究围压作用下组合钻头钻进机理。（5）针对深部煤层卸压孔钻进过程中的动力现象,选择典型的冲击倾向工作面—新巨龙矿2302S工作面作为实施钻孔试验的地点,采用优化的组合钻头搭配合理的钻杆与钻机,并模拟验证改进方案的可行性后,分别进行注水卸压孔与大直径卸压孔施工钻进,并对比设备改进前后的钻进扭矩、钻屑量、钻孔深度等,验证组合钻头钻进性能。图[86]表[32]参[161]
二、PDC钻头与岩石相互作用规律试验研究（论文开题报告）
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
三、PDC钻头与岩石相互作用规律试验研究（论文提纲范文）
（1）基于钻孔过程机-岩相互作用机制的岩体力学参数识别研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 研究背景和意义 |
| 1.2 国内外研究综述 |
| 1.2.1 地质钻头类型分析 |
| 1.2.2 随钻监测装置统计及分析 |
| 1.2.3 钻进过程中机岩相互作用机理研究 |
| 1.2.4 钻孔岩石破碎模型统计及分析 |
| 1.2.5 钻孔岩石破碎在工程应用分析 |
| 1.2.6 研究中存在的主要问题 |
| 1.3 研究内容和技术路线图 |
| 1.4 主要创新点 |
| 2 基于压痕试验的岩石贯入破碎机理研究 |
| 2.1 岩石压痕试验材料及方法 |
| 2.1.1 岩石物理性质 |
| 2.1.2 试验设备和方法 |
| 2.2 岩石贯入过程中破碎阶段 |
| 2.2.1 压缩破碎阶段 |
| 2.2.2 裂纹扩展阶段 |
| 2.2.3 岩石贯入破碎阶段 |
| 2.3 岩石贯入参数对岩石贯入破碎的影响 |
| 2.4 三维岩石贯入破碎模型 |
| 2.5 本章小结 |
| 3 基于旋转切割试验的岩石旋切破碎机理研究 |
| 3.1 岩石切割破碎试验材料及方法 |
| 3.1.1 岩石物理性质 |
| 3.1.2 试验设备和方法 |
| 3.2 岩石切割破碎过程中加载压力与扭矩相关性研究 |
| 3.3 岩石切割破碎过程中机岩相互作用 |
| 3.4 岩石切割参数对岩石切割破碎效率的影响 |
| 3.5 本章小结 |
| 4 基于原位钻孔试验的岩体力学参数识别研究 |
| 4.1 钻进过程实时监测系统 |
| 4.1.1 钻进过程实时监测系统功能 |
| 4.1.2 钻进过程实时监测系统数据处理流程 |
| 4.1.3 钻进过程实时监测系统显示界面 |
| 4.2 基于原位钻孔试验的机-岩参数相关性研究 |
| 4.2.1 现场原位钻孔试验 |
| 4.2.2 原位钻孔机岩参数相关性分析 |
| 4.3 基于机岩参数映射关系的地层岩体力学参数评价指数 |
| 4.4 本章小结 |
| 5 地层岩体参数识别方法的工程应用与验证 |
| 5.1 德厚水库工程概况 |
| 5.1.1 工程地质 |
| 5.1.2 工程问题 |
| 5.2 基于地层岩体参数识别方法的岩溶分布探测 |
| 5.2.1 德厚水库岩溶分布探测方法 |
| 5.2.2 德厚水库岩溶分布探测方法步骤 |
| 5.2.3 基于地层岩体参数识别方法的岩溶分布探测分析 |
| 5.3 基于深度置信网络的地层岩体参数识别方法有效性验证 |
| 5.3.1 深度置信网络模型构建 |
| 5.3.2 地层岩体参数识别方法有效性验证 |
| 5.4 本章小结 |
| 6 结论与展望 |
| 6.1 结论 |
| 6.2 展望 |
| 致谢 |
| 参考文献 |
| 附录 |
| 一、攻读博士期间成果 |
| 二、攻读博士期间参与的科研项目 |
（2）旋转导向钻井工具钻头钻进力学研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究背景 |
| 1.2 研究目的及意义 |
| 1.3 旋转导向钻井技术研究现状 |
| 1.3.1 国外研究现状 |
| 1.3.2 国内研究现状 |
| 1.4 钻头破岩研究现状 |
| 1.4.1 钻头国外研究现状 |
| 1.4.2 国内研究现状 |
| 1.5 技术路线和研究内容 |
| 1.5.1 技术路线 |
| 1.5.2 主要研究内容 |
| 第二章 旋转导向钻头钻进原理研究 |
| 2.1 旋转导向钻进工艺原理 |
| 2.2 钻头与岩石相作用过程 |
| 2.2.1 PDC钻头切削原理 |
| 2.2.2 PDC钻头的方位漂移机理 |
| 2.2.3 PDC钻头钻井模型 |
| 2.3 旋转导向钻井钻头失效机理 |
| 2.4 本章小结 |
| 第三章 旋转导向钻头运动学规律研究 |
| 3.1 几何学基础理论 |
| 3.1.1 切削齿空间参数 |
| 3.1.2 坐标系统 |
| 3.1.3 坐标变换 |
| 3.1.4 PDC钻头运动学理论 |
| 3.1.5 切削齿运动轨迹 |
| 3.2 切削齿单因素影响规律 |
| 3.2.1 井况的影响规律 |
| 3.2.2 稳定器位置影响规律 |
| 3.3 动力学模型构建技术方法 |
| 3.3.1 动力学模型构建方法 |
| 3.3.2 机械系统动态分析方法 |
| 3.4 本章小结 |
| 第四章 钻头破岩稳定性研究 |
| 4.1 旋转导向钻井工具动力学模型的建立 |
| 4.2 钻头钻进过程动力学模型建立及求解 |
| 4.2.1 微分方程求解方法 |
| 4.2.2 动力学方程的求解 |
| 4.3 稳定性数值模拟 |
| 4.4 本章小结 |
| 第五章 钻头—岩石系统动力学分析 |
| 5.1 有限元分析软件 |
| 5.2 有限元模型的构建 |
| 5.2.1 三维实体建模 |
| 5.2.2 有限元建模 |
| 5.2.3 基于有限元模型前处理 |
| 5.2.4 岩石所受的约束条件 |
| 5.3 破岩效率仿真分析 |
| 5.4 固有振型分析 |
| 5.5 本章小结 |
| 第六章 总结与展望 |
| 6.1 全文工作总结 |
| 6.2 不足与展望 |
| 致谢 |
| 参考文献 |
| 攻读学位期间参加科研情况及获得的学术成果 |
（3）高温地层PDC切削齿碎岩过程中热损伤及温度场热应力场的研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第1 章 绪论 |
| 1.1 选题背景及意义 |
| 1.2 国内外研究现状 |
| 1.2.1 钻头切削热及切削温度国内外研究现状 |
| 1.2.2 钻头热应力国内外研究现状 |
| 1.2.3 PDC钻头碎岩切削数值模拟国内外研究现状 |
| 1.3 研究内容及技术路线 |
| 1.3.1 研究内容 |
| 1.3.2 技术路线 |
| 第2 章 高温条件PDC切削齿热损伤机理及碎岩理论研究 |
| 2.1 高温条件下PDC切削齿宏观及微观热损伤研究 |
| 2.1.1 试验设备 |
| 2.1.2 试验样品 |
| 2.1.3 试验目的及方案 |
| 2.2 外貌特征变化、XRD及 SEM试验结果分析 |
| 2.2.1 宏观外貌特征变化 |
| 2.2.2 XRD结果分析 |
| 2.2.3 SEM结果分析 |
| 2.3 高温条件下花岗岩性质研究 |
| 2.3.1 物理热力学参数 |
| 2.3.2 力学参数测试试验设备 |
| 2.3.3 试验方案 |
| 2.3.4 试验结果与分析 |
| 2.4 PDC切削齿碎岩理论分析 |
| 2.4.1 PDC切削齿碎岩分析 |
| 2.4.2 岩石的破坏准则 |
| 2.4.3 PDC钻头破碎岩石的损伤判据 |
| 2.5 本章小结 |
| 第3 章 PDC钻头碎岩过程中切削温度理论分析 |
| 3.1 PDC切削齿碎岩过程中产热理论分析 |
| 3.2 PDC切削齿碎岩温度场理论分析 |
| 3.2.1 不考虑钻井液循环PDC切削齿温度分析 |
| 3.2.2 钻井液循环条件下PDC切削齿温度理论分析 |
| 3.3 本章小结 |
| 第4章 基于ABAQUS的全尺寸PDC钻头及切削齿碎岩温度场数值研究 |
| 4.1 有限元简介及粘结单元法 |
| 4.1.1 ABAQUS软件介绍 |
| 4.1.2 粘结单元法 |
| 4.2 岩石单轴压缩试验与仿真模拟验证 |
| 4.2.1 岩石单轴压缩仿真建模 |
| 4.2.2 试验与仿真模拟结果分析 |
| 4.3 PDC切削齿热力耦合温度场数值分析 |
| 4.3.1 PDC切削齿碎岩温度场有限元理论 |
| 4.3.2 基本假设 |
| 4.3.3 温度场分析有限元模型 |
| 4.3.4 边界条件和材料赋值 |
| 4.4 PDC钻头温度场仿真结果分析与讨论 |
| 4.4.1 岩石破碎过程 |
| 4.4.2 PDC切削齿碎岩温度场结果分析 |
| 4.4.3 PDC切削齿碎岩温升过程分析 |
| 4.5 本章小结 |
| 第5 章 PDC切削齿热应力场三维数值模拟研究 |
| 5.1 PDC切削齿热应力场有限元仿真 |
| 5.1.1 PDC切削齿热应力分析的基本原理 |
| 5.1.2 基本假设 |
| 5.1.3 模型建立 |
| 5.2 切削齿热应力场仿真结果 |
| 5.2.1 切削齿碎岩过程仿真 |
| 5.2.2 切削齿热应力场 |
| 5.3 高温地层对切削齿热应力场的影响 |
| 5.4 岩石强度对切削齿热应力场的影响 |
| 5.5 本章小结 |
| 第6 章 PDC切削齿破碎岩石切削温度试验研究 |
| 6.1 非接触式红外特征切削温度测试试验 |
| 6.1.1 试验设备 |
| 6.1.2 试验方案 |
| 6.2 红外试验结果分析 |
| 6.2.1 转速和钻压对PDC钻头温度的影响 |
| 6.2.2 岩石类型对PDC钻头温度的影响 |
| 6.3 接触式热电偶切削温度试验 |
| 6.3.1 试验台的总体方案 |
| 6.3.2 测试试验台组成部分 |
| 6.4 PDC切削齿钻进岩石过程中切削温度的试验结果 |
| 6.4.1 PDC钻头碎岩温度特征 |
| 6.4.2 转速对PDC钻头温度的影响 |
| 6.4.3 岩石类型对PDC钻头温度的影响 |
| 6.5 高温地层切削齿碎岩温度试验研究 |
| 6.6 本章小结 |
| 第7 章 结论与展望 |
| 7.1 结论 |
| 7.2 创新点 |
| 7.3 展望 |
| 参考文献 |
| 攻读学位期间发表的学术论文及取得的科研成果 |
| 致谢 |
（4）松辽火山岩地层PDC钻头切削齿破岩机理研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 创新点摘要 |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究目的及意义 |
| 1.2 国内外研究现状 |
| 1.2.1 国内外火山岩地层岩性特征调研 |
| 1.2.2 PDC钻头在火山岩地层的应用 |
| 1.2.3 PDC切削齿切削研究现状分析 |
| 1.3 论文主要研究内容及技术路线 |
| 第二章 深部地应力场作用下岩石切削模型 |
| 2.1 基于地应力的PDC切削齿切削模型 |
| 2.1.1 PDC切削齿受力分析 |
| 2.1.2 深部地应力场作用下岩石应力分析 |
| 2.2 岩石力学相关参数 |
| 2.2.1 岩石力学相关参数选取 |
| 2.2.2 岩石力学参数相关性回归分析 |
| 2.2.3 岩石的弹塑性本构模型 |
| 2.3 PDC切削齿破岩模型 |
| 2.3.1 有限元仿真模型 |
| 2.3.2 几何及网格模型 |
| 2.3.3 PDC切削齿的破岩比功模型 |
| 2.4 模拟结果分析 |
| 2.4.1 破岩过程中的应力分析 |
| 2.4.2 不同类型岩石的破碎过程 |
| 2.4.4 不同参数对破碎比功的影响 |
| 2.4.5 岩屑的分形维数 |
| 2.5 本章小结 |
| 第三章 软硬交错地层岩石的切削模型 |
| 3.1 PDC切削齿与岩石相互作用模型 |
| 3.2 岩石性质对切削的影响 |
| 3.2.1 软硬交错岩石特性 |
| 3.2.2 岩石倾角对切削的影响 |
| 3.2.3 岩石层理厚度对切削的影响 |
| 3.3 振动冲击载荷破岩理论模型 |
| 3.4 振动冲击载荷对软硬交错岩石破岩的影响 |
| 3.4.1 振动冲击载荷对岩石损伤的影响 |
| 3.4.2 振动冲击载荷对切削力的影响 |
| 3.4.3 不同振动频率对破岩比功的影响 |
| 3.4.4 不同冲击幅度对破岩比功的影响 |
| 3.5 本章小结 |
| 第四章 高温下地层岩石的切削模型 |
| 4.1 破岩过程热理论 |
| 4.2 岩石切削模型建立 |
| 4.3 模拟结果分析 |
| 4.3.1 PDC切削齿温度分布分析 |
| 4.3.2 切削参数对切削齿温度的影响分析 |
| 4.3.3 不同井底温度对破岩比功的影响分析 |
| 4.4 本章小结 |
| 结论 |
| 参考文献 |
| 攻读硕士学位期间取得的研究成果 |
| 致谢 |
（5）井下闭环可控弯接头的PDC钻头破岩机理研究（论文提纲范文）
| 中文摘要 |
| 英文摘要 |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究的背景与意义 |
| 1.2 旋转导向钻井工具研究现状 |
| 1.2.1 国内研究现状 |
| 1.2.2 国外研究现状 |
| 1.3 PDC钻头破岩研究现状 |
| 1.3.1 岩石破碎机理研究现状 |
| 1.3.2 PDC与岩石作用研究现状 |
| 1.4 主要研究内容 |
| 第二章 指向角的确定与PDC钻头几何学分析 |
| 2.1 可控弯接头控制系统组成 |
| 2.2 钻头空间位置的确定 |
| 2.2.1 坐标的变换 |
| 2.2.2 钻头局部坐标系的确定 |
| 2.2.3 钻头整体坐标的确定 |
| 2.3 导向机构运动方程的建立 |
| 2.4 PDC钻头结构及其运动学分析 |
| 2.4.1 钻头基本几何结构参数 |
| 2.4.2 确定钻头切削齿的定位方向 |
| 2.4.3 确定切削齿上点定位参数 |
| 2.4.4 PDC钻头几何坐标系的确定 |
| 2.5 PDC钻头几何学基本方程 |
| 2.6 本章小结 |
| 第三章 导向钻具数字PDC钻头破岩效率仿真研究 |
| 3.1 数字PDC钻头切削齿模型的建立 |
| 3.1.1 切削数字齿面模型的建立 |
| 3.1.2 齿数字侧面模型的建立 |
| 3.1.3 数字规径齿模型的建立 |
| 3.2 数字岩石模型的建立 |
| 3.3 模拟PDC钻头破岩过程 |
| 3.4 偏心环转速对钻头破岩效率的影响 |
| 3.4.1 破岩效率的定量计算 |
| 3.4.2 破岩效率仿真结果分析 |
| 3.5 本章小结 |
| 第四章 PDC钻头几何模型的建立与岩石属性研究 |
| 4.1 PDC钻头模型建立 |
| 4.1.1 SolidWorks软件简介 |
| 4.1.2 PDC钻头的建模 |
| 4.2 井底岩石本构关系及其破碎条件 |
| 4.2.1 岩石强度理论 |
| 4.2.2 岩石硬度定义及表示 |
| 4.2.3 岩石的脆塑属性 |
| 4.2.4 岩石弹性属性 |
| 4.3 岩石变形本构关系 |
| 4.3.1 岩石弹性变形的本构模型 |
| 4.3.2 岩石塑性状态本构关系 |
| 4.3.3 线性D-P本构关系硬化准则 |
| 4.4 钻头破碎岩石条件 |
| 4.4.1 PDC钻头压入岩石的破碎条件 |
| 4.4.2 岩石受切削作用的破碎条件 |
| 4.5 本章小结 |
| 第五章 基于Abaqus的可控弯接头钻头破岩仿真研究 |
| 5.1 Abaqus及其基本操作 |
| 5.1.1 Abaqus软件简介 |
| 5.1.2 Abaqus的基本操作 |
| 5.2 PDC钻头破碎岩石模型的建立及仿真 |
| 5.2.1 基本假设 |
| 5.2.2 模型网格控制及划分 |
| 5.2.3 材料参数的定义 |
| 5.2.4 接触、边界条件荷载及分析步设置 |
| 5.2.5 不同指向角有限元模型建立 |
| 5.3 模型仿真及结果分析 |
| 5.4 仿真流程优化插件的开发 |
| 5.4.1 Abaqus与 Python之间的关系 |
| 5.4.2 Python脚本的特点 |
| 5.4.3 Abaqus对象模型 |
| 5.4.4 Python脚本编写的方式 |
| 5.4.5 Python GUI及内核程序的开发流程 |
| 5.4.6 Abaqus内核插件的开发 |
| 5.4.7 Abaqus软件GUI参数化界面的实现 |
| 5.5 二次开发仿真结果验证 |
| 5.6 本章小结 |
| 第六章 总结 |
| 6.1 结论 |
| 6.2 展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 攻读学位期间参加科研情况及获得的学术成果 |
（6）混合钻头破岩机理研究及计算机仿真（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究目的与意义 |
| 1.2 本文主要研究内容 |
| 1.3 研究路线 |
| 1.4 混合钻头国内外研究现状 |
| 1.4.1 混合钻头现场试验情况 |
| 1.4.2 破岩仿真研究 |
| 1.4.3 破碎岩石机理研究现状 |
| 1.5 本章小结 |
| 第二章 混合钻头结构及破岩机理 |
| 2.1 PDC钻头结构及失效形式 |
| 2.1.1 PDC钻头结构 |
| 2.1.2 PDC钻头失效形式 |
| 2.2 牙轮钻头结构及失效形式 |
| 2.2.1 牙轮钻头结构 |
| 2.2.2 牙轮钻头失效形式 |
| 2.3 混合钻头结构 |
| 2.4 混合钻头工作原理 |
| 2.4.1 PDC钻头破岩机理 |
| 2.4.2 牙轮钻头破岩机理 |
| 2.4.3 混合钻头破岩机理 |
| 2.5 本章小结 |
| 第三章 混合钻头破岩特性理论研究 |
| 3.1 岩石损伤理论分析 |
| 3.2 岩石力学行为 |
| 3.2.1 岩石弹塑性问题 |
| 3.2.2 岩石本构模型 |
| 3.2.3 非线性接触模型 |
| 3.3 混合钻头破岩过程热理论分析 |
| 3.3.1 破岩过程热产生和传导 |
| 3.3.2 钻头温度理论分析 |
| 3.4 混合钻头切削齿受力分析 |
| 3.4.1 PDC切削齿接触力分析 |
| 3.4.2 牙轮牙齿接触力分析 |
| 3.5 混合钻头破岩受力分析 |
| 3.5.1 混合钻头PDC结构破岩受力分析 |
| 3.5.2 混合钻头牙轮结构破岩受力分析 |
| 3.5.3 PDC结构与牙轮结构共同作用破岩受力分析 |
| 3.6 本章小结 |
| 第四章 混合钻头破岩有限元模型建立 |
| 4.1 软件简介 |
| 4.2 混合钻头有限元模型建立 |
| 4.2.1 仿真假设 |
| 4.2.2 仿真模型建立 |
| 4.2.3 约束及边界条件 |
| 4.2.4 材料属性 |
| 4.2.5 网格划分 |
| 4.3 有限元模型验证 |
| 4.3.1 仿真模型验证 |
| 4.3.2 仿真结果与实验结果对比 |
| 4.4 本章小结 |
| 第五章 混合钻头破岩特性有限元分析 |
| 5.1 破岩量分析 |
| 5.2 应力分析 |
| 5.3 能耗分析 |
| 5.4 钻头导向能力分析 |
| 5.5 扭矩分析 |
| 5.6 软硬交替地层混合钻头与PDC钻头破岩对比 |
| 5.7 温度分析 |
| 5.7.1 混合钻头切削齿温度分析 |
| 5.7.2 混合钻头与PDC、牙轮钻头温度对比 |
| 5.7.3 不同钻压下温度分析 |
| 5.7.4 软硬地层温度分析 |
| 5.8 纵向相对高度对破岩影响 |
| 5.8.1 纵向相对高度对钻压分配的影响 |
| 5.8.2 纵向相对高度对温度影响 |
| 5.8.3 纵向相对高度对钻速影响 |
| 5.8.4 纵向相对高度对破岩井底的影响 |
| 5.9 本章小结 |
| 第六章 混合钻头破碎页岩研究 |
| 6.1 页岩发展与基本特征 |
| 6.2 页岩本构模型 |
| 6.3 页岩破碎分析 |
| 6.3.1 页岩破岩模型建立 |
| 6.3.2 层理角度和厚度对钻速的影响 |
| 6.4 小结 |
| 第七章 总结 |
| 7.1 主要研究成果 |
| 7.2 主要创新点 |
| 7.3 思考与展望 |
| 致谢 |
| 参考文献 |
| 攻读硕士学位期间参加科研情况及获得的学术成果 |
（7）基于ABAQUS的石油钻头破岩仿真实验系统开发（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究背景及意义 |
| 1.2 国内外研究现状 |
| 1.2.1 钻头破岩试验研究现状 |
| 1.2.2 钻头破岩仿真研究现状 |
| 1.2.3 目前钻头破岩研究存在的问题 |
| 1.3 本文研究内容 |
| 1.4 创新点与技术路线 |
| 1.5 本章小结 |
| 第二章 钻头破岩仿真建模基本理论与方法 |
| 2.1 PDC钻头几何学 |
| 2.1.1 PDC钻头几何参数 |
| 2.1.2 PDC钻头几何学基本方程 |
| 2.2 PDC钻头受力分析 |
| 2.3 PDC切削齿破岩机理 |
| 2.4 三牙轮钻头几何学 |
| 2.4.1 三牙轮钻头几何参数 |
| 2.4.2 三牙轮钻头几何学基本方程 |
| 2.5 三牙轮钻头受力分析 |
| 2.6 三牙轮钻头破岩机理 |
| 2.7 破岩仿真模型的建立方法 |
| 2.7.1 建模基本假设 |
| 2.7.2 网格划分 |
| 2.7.3 边界条件与接触定义 |
| 2.7.4 岩石本构模型 |
| 2.8 本章小结 |
| 第三章 PDC单齿和三牙轮齿圈破岩仿真实验系统开发 |
| 3.1 系统开发基础 |
| 3.1.1 软件概述 |
| 3.1.2 Python脚本的创建方法 |
| 3.2 PDC单齿破岩仿真实验系统 |
| 3.2.1 系统集成方式 |
| 3.2.2 系统数据库 |
| 3.2.3 系统界面设计 |
| 3.2.4 系统功能的实现 |
| 3.3 三牙轮齿圈破岩仿真实验系统 |
| 3.3.1 系统界面设计 |
| 3.3.2 系统功能的实现 |
| 3.4 本章小结 |
| 第四章 PDC单齿和三牙轮齿圈破岩仿真实验系统应用 |
| 4.1 PDC单齿破岩仿真实验系统的应用 |
| 4.1.1 系统建模 |
| 4.1.2 仿真模型验证 |
| 4.1.3 系统应用 |
| 4.2 三牙轮齿圈破岩仿真实验系统的应用 |
| 4.2.1 系统建模 |
| 4.2.2 仿真模型验证 |
| 4.2.3 系统应用 |
| 4.3 本章小结 |
| 第五章 PDC钻头与三牙轮钻头全齿破岩仿真 |
| 5.1 PDC全齿破岩仿真模型建立 |
| 5.1.1 实现方法 |
| 5.1.2 建模说明 |
| 5.2 PDC全齿仿真结果 |
| 5.2.1 应力云图 |
| 5.2.2 钻头进尺 |
| 5.2.3 受力分析 |
| 5.3 三牙轮钻头全齿破岩仿真模型建立 |
| 5.4 三牙轮全齿仿真结果 |
| 5.4.1 应力云图 |
| 5.4.2 钻头进尺 |
| 5.4.3 轮体速比分析 |
| 5.5 本章小结 |
| 第六章 结论与展望 |
| 6.1 结论 |
| 6.2 展望 |
| 致谢 |
| 参考文献 |
| 攻读学位期间参加科研情况及获得的学术成果 |
（8）基于离散元的PDC齿冲击破岩规律研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 论文研究目的和意义 |
| 1.2 国内外研究现状及发展趋势 |
| 1.2.1 离散元法在岩土力学的应用现状 |
| 1.2.2 PDC齿冲击破岩规律研究及现状 |
| 1.3 论文的主要研究内容及技术路线 |
| 第二章 离散元法的基本理论 |
| 2.1 基本原理及求解过程 |
| 2.1.1 基本原理 |
| 2.1.2 求解过程 |
| 2.2 颗粒简化模型 |
| 2.2.1 硬球模型 |
| 2.2.2 软球模型 |
| 2.3 颗粒接触模型 |
| 2.3.1 Hertz-Mindlin接触模型 |
| 2.3.2 Hertz-Mindlin粘结模型 |
| 2.4 本章小结 |
| 第三章 岩石单轴压缩模型及参数校核 |
| 3.1 岩石单轴压缩模型 |
| 3.1.1 三维建模及网络 |
| 3.1.2 识别网格信息 |
| 3.1.3 颗粒接触力学模型 |
| 3.1.4 建立所需要的颗粒群 |
| 3.2 参数标定及模拟过程 |
| 3.2.1 试验安排 |
| 3.2.2 模拟仿真过程 |
| 3.3 参数分析 |
| 3.3.1 临界切向应力 |
| 3.3.2 临界法向应力 |
| 3.3.3 切向接触刚度 |
| 3.3.4 法向接触刚度 |
| 3.4 试验校核 |
| 3.4.1 实验材料及实验方法 |
| 3.4.2 试验校核 |
| 3.5 模拟结果分析 |
| 3.6 本章小结 |
| 第四章 PDC齿扭转冲击破岩规律研究 |
| 4.1 PDC钻头的结构及性能特点 |
| 4.1.1 PDC钻头的结构 |
| 4.1.2 PDC钻头的性能特点 |
| 4.1.3 PDC钻头切削齿破岩机理 |
| 4.1.4 PDC切削齿的受力分析 |
| 4.1.5 切削齿切削岩石体积计算 |
| 4.2 PDC齿扭转冲击过程分析 |
| 4.2.1 扭转冲击切削能耗分析 |
| 4.2.2 扭转冲击作用下切削模型建立 |
| 4.2.3 PDC齿单齿切削模型建立及岩石参数标定 |
| 4.3 模拟结果及影响因素分析 |
| 4.3.1 岩性对破岩效率的影响 |
| 4.3.2 PDC齿切削深度的影响 |
| 4.3.3 PDC齿切削角度的影响 |
| 4.3.4 PDC切削齿直径的影响 |
| 4.3.5 冲击频率的影响 |
| 4.3.6 双齿的齿间距优化 |
| 4.4 PDC全钻头破岩数值模拟 |
| 4.4.1 PDC全钻头破岩离散元模型的建立 |
| 4.4.2 各切削齿扭矩及轴向力分布规律 |
| 4.4.3 全钻头各切削齿破碎比功分布规律 |
| 4.5 扭转冲击条件PDC钻头破岩室内实验 |
| 4.5.1 实验设备及实验过程 |
| 4.5.2 实验结果分析 |
| 4.6 本章小结 |
| 第五章 结论与展望 |
| 5.1 结论 |
| 5.2 展望 |
| 参考文献 |
| 硕士学位期间取得的研究成果 |
| 致谢 |
（9）真空无水环境PDC单齿切削机理研究及结构优化（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 课题研究背景 |
| 1.2 研究目的及意义 |
| 1.3 国内外研究现状 |
| 1.3.1 切削力学模型研究现状 |
| 1.3.2 切削热模型研究现状 |
| 1.3.3 PDC切削齿优化结构研究现状 |
| 1.3.4 目前存在的问题 |
| 1.4 研究内容及技术路线 |
| 1.4.1 研究内容 |
| 1.4.2 研究技术路线 |
| 第2章 真空碎岩机理模型 |
| 2.1 弧形齿切削力学模型的建立 |
| 2.2 切削热模型理论分析 |
| 2.2.1 弧形齿切削温度分布理论分析 |
| 2.2.2 切削齿磨损理论分析 |
| 第3章 真空条件下切削齿磨损研究 |
| 3.1 实验方案设计 |
| 3.1.1 测试材料 |
| 3.1.2 测试装置 |
| 3.2 实验结果分析 |
| 3.2.1 摩擦系数曲线分析 |
| 3.2.2 真空与大气切削过程中温度变化分析 |
| 3.2.3 PDC切削齿磨损形貌分析 |
| 第4章 岩石切削仿真模拟分析 |
| 4.1 岩石切削机理分析 |
| 4.1.1 岩石破碎损伤依据分析 |
| 4.1.2 岩石破碎过程特性分析 |
| 4.2 岩石切削仿真模拟 |
| 4.2.1 岩石材料参数设置 |
| 4.2.2 主要切削参数 |
| 4.3 仿真结果分析及结构优化 |
| 4.3.1 圆弧半径对切削齿应力分布分析 |
| 4.3.2 圆弧半径对切削作用力分布的影响分析 |
| 4.3.3 圆弧半径对切削力变化趋势的影响分析 |
| 4.3.4 圆弧半径对切削齿温度分布影响分析 |
| 4.3.5 圆弧半径对破岩过程的影响分析 |
| 4.3.6 弧形切削齿结构优化 |
| 第5章 结论与展望 |
| 5.1 结论 |
| 5.2 展望 |
| 致谢 |
| 参考文献 |
| 作者简介及科研成果 |
（10）煤层减冲孔组合钻头钻进机理及钻孔卸压应用（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 研究意义 |
| 1.2 组合钻头钻进机理研究现状 |
| 1.2.1 地质钻头种类 |
| 1.2.2 地质钻头钻进理论研究的现状 |
| 1.2.3 组合钻头钻进机理研究 |
| 1.2.4 组合钻头钻进性能研究 |
| 1.2.5 存在的主要问题 |
| 1.3 论文研究主要内容 |
| 1.4 研究方法和分析路线图 |
| 2 组合钻头结构特性研究 |
| 2.1 表面力作用下弹性半空间体的接触状态 |
| 2.1.1 轴向作用力影响的接触状态 |
| 2.1.2 径向轴向作用力影响的接触状态 |
| 2.1.3 转动作用力影响的接触状态 |
| 2.2 组合钻头切削工况分析 |
| 2.2.1 组合钻头扩孔工况 |
| 2.2.2 组合钻头钻进状态研究 |
| 2.3 组合钻头钻进性能影响因素 |
| 2.3.1 组合钻头受力状态研究 |
| 2.3.2 组合钻头钻进性能的主要影响因素 |
| 2.4 组合钻头结构特征对钻进性能影响研究 |
| 2.4.1 组合钻头钻进模拟DEM模型 |
| 2.4.2 组合钻头结构参数对钻进性能的影响 |
| 2.4.3 刀具几何参数对组合钻头钻进性能的影响 |
| 2.5 本章小结 |
| 3 组合钻头钻进实验研究 |
| 3.1 实验目的及对象 |
| 3.2 组合钻头钻进性能实验平台 |
| 3.3 缩微度型煤试样制备 |
| 3.4 不同煤体强度下组合钻头钻进实验 |
| 3.5 围压大小对不同组合钻头钻进性能影响 |
| 3.6 本章小结 |
| 4 不同工况下组合钻头钻进性能分析 |
| 4.1 围压作用下组合钻头钻进煤体模型 |
| 4.1.1 组合钻头钻进模拟的基本假设 |
| 4.1.2 围压条件下煤体仿真模型建立 |
| 4.2 围压大小对钻进效率的影响 |
| 4.3 钻进参数对组合钻头受力影响规律 |
| 4.4 施工工艺对钻进效率的影响 |
| 4.4.1 钻孔直径对钻进性能的影响规律 |
| 4.4.2 煤层倾斜角的影响 |
| 4.5 本章小结 |
| 5 组合钻头钻孔减冲应用 |
| 5.1 工程应用背景 |
| 5.2 新巨龙矿2302S综放工作面冲击地压状况 |
| 5.3 深部工作面煤层钻孔配套设备改进 |
| 5.4 注水卸压孔钻具的改进与应用分析 |
| 5.4.1 注水卸压成孔存在问题 |
| 5.4.2 钻具改进方案 |
| 5.4.3 改进方案的钻具排屑流体仿真分析 |
| 5.4.4 改进方案的应用效果 |
| 5.5 大直径卸压钻孔钻具改进与应用分析 |
| 5.5.1 大直径卸压成孔存在问题 |
| 5.5.2 大直径卸压孔钻具改进分析 |
| 5.5.3 大直径卸压孔改进后钻具的现场应用验证 |
| 5.6 本章小结 |
| 结论 |
| 6.1 主要结论 |
| 6.2 创新点 |
| 6.3 展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 作者简介及读研期间主要科研成果 |
四、PDC钻头与岩石相互作用规律试验研究（论文参考文献）
- [1]基于钻孔过程机-岩相互作用机制的岩体力学参数识别研究[D]. 冯上鑫. 西安理工大学, 2021(01)
- [2]旋转导向钻井工具钻头钻进力学研究[D]. 向琳. 西安石油大学, 2021
- [3]高温地层PDC切削齿碎岩过程中热损伤及温度场热应力场的研究[D]. 张增增. 吉林大学, 2021(01)
- [4]松辽火山岩地层PDC钻头切削齿破岩机理研究[D]. 陈子贺. 东北石油大学, 2020(03)
- [5]井下闭环可控弯接头的PDC钻头破岩机理研究[D]. 高嗣土. 西安石油大学, 2020
- [6]混合钻头破岩机理研究及计算机仿真[D]. 吕澜涛. 西安石油大学, 2020(10)
- [7]基于ABAQUS的石油钻头破岩仿真实验系统开发[D]. 张帅. 西安石油大学, 2020(10)
- [8]基于离散元的PDC齿冲击破岩规律研究[D]. 孟凡海. 东北石油大学, 2020(03)
- [9]真空无水环境PDC单齿切削机理研究及结构优化[D]. 郑国敬. 中国地质大学(北京), 2020(08)
- [10]煤层减冲孔组合钻头钻进机理及钻孔卸压应用[D]. 李彦. 安徽理工大学, 2020(02)