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如何提高深部难钻地层的钻井速度,已成为我国油气钻井中迫切需要解决的重大技术难题。在诸多研究途径中,钻头技术的创新是最具潜力的努力方向之一。本文针对现有PDC钻头在深部地层磨损速度快且磨损不均衡、切削齿侵入能力低等弱点,提出一种具有交叉刮切原理的新式PDC钻头。交叉刮切PDC钻头是在常规固定齿PDC钻头上引入大偏移角旋转盘刀而形成的一种新型复合钻头。新型钻头的盘刀上设置有切削齿,盘刀切削齿交替进入切削工作,其螺旋形切削运动轨迹与固定齿的同心圆切削轨迹相叠合,形成网状交叉的井底形貌模式。理论分析和实验测试结果表明,交叉刮切是一种省功、省力的高效破岩方式;旋转盘刀不仅能显著提高钻头的破岩效率,而且能显著降低钻头切削齿的磨损速度。论文开展了以下主要内容:(1)新型PDC钻头基础理论研究。通过建立新型PDC钻头的复合坐标系统,建立新型PDC钻头的几何学、运动学基础理论,进行新型PDC钻头切削齿交叉刮切运动的理论研究;建立新型PDC钻头的盘刀速比模型,分析盘刀速比与交叉角度的关系。(2)开展单齿交叉刮切的数值模拟与实验研究。选择典型岩石,测试岩石力学性质参数,并以所选岩石的力学性质参数为依据,回归岩石本构关系;构建具有交叉刮切岩石表面形貌的岩石几何模型;开展交叉刮切过程的数值模拟,获取岩石应力场以及牙齿应力场分布规律;研究交叉刮切条件下,岩石的剪切滑移特征;在不同影响因子条件下,开展单齿交叉刮切和平行刮切实验,测试切削齿载荷;对比分析交叉刮切与平行刮切的切削力和体积破碎功,并研究交叉刮切条件下不同影响因子对切削力的作用机理以及对破碎比功的影响规律。(3)探讨交叉刮切条件下PDC齿力学参数的计算及力学模型的建立。研究基于复杂运动速度的切削角度计算方法,基于岩石力学、岩石破碎学、切削力学探讨在交叉刮切条件下PDC齿切削力学模型的建立方法,以及钻头载荷的计算方法。(4)研究新型PDC钻头的布齿设计理论及结构设计方法。基于新型钻头的结构特点,研究盘刀偏移角、轴倾角、盘刀直径等结构参数的设计方法,旋转与固定切削结构的复合布齿设计理论;研究盘刀齿安装角度的优化设计方法,以及轴承结构的设计方法。(5)研究、开发新型PDC钻头的数字钻岩仿真系统。利用仿真系统,开展新型钻头和常规PDC钻头的仿真计算,分析、总结新型钻头的运动特性和力学特征。(6)开展全尺寸钻头的室内实验测试。研制具有盘刀和固定刀翼,且能变化偏移角、轴倾角等结构参数的实验钻头;开展钻头速比测试,并对理论速比模型修正;研究偏移角、轴倾角、钻压等参数对钻头工作载荷、破岩效率的影响规律;对比分析新型PDC钻头和常规PDC钻头在钻头工作载荷、运动学规律、破岩效率等方面的特点和差异。