《鉆井巖石破碎學》針對深部硬地層鉆頭破巖效率低和鉆井成本高的問題，以典型硬脆性花崗巖為研究對象，通過理論分析、計算機數(shù)值模擬與室內(nèi)實驗相結(jié)合的方法系統(tǒng)研究了非均質(zhì)花崗巖在鉆齒作用下的宏細觀破碎機理；建立了巖石塑-脆性破碎轉(zhuǎn)變臨界切削深度計算模型，提出利用脆性耗能比來評價鉆齒作用下巖石破碎效率的新方法，將傳統(tǒng)塑性切削破巖理論拓展到塑-脆性破碎轉(zhuǎn)變臨界理論；此外，分析了異形PDC齒切削破巖機理，建立了綜合考慮破巖效率、鉆齒形狀及磨損條件下的異形PDC齒綜合選齒模型，為鉆頭個性化選齒及布齒設計提供了理論依據(jù)。
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目錄
序一
序二
前言
第1章 緒論 1
1.1 石油鉆井中常用鉆頭 2
1.2 鉆頭與井底巖石的相互作用 9
1.3 鉆頭破巖效率評價方法 12
1.3.1 破巖比功評價方法 12
1.3.2 巖石塑-脆性破碎及塑性耗能比評價方法 13
第2章 硬巖物理力學特性及可鉆性 18
2.1 巖石強度及變形特性 18
2.2 花崗巖強度反演 22
2.2.1 參數(shù)反演流程 25
2.2.2 參數(shù)反演結(jié)果 26
2.2.3 參數(shù)反演有效性驗證 29
2.3 實驗用花崗巖巖樣 29
2.3.1 花崗巖微觀結(jié)構(gòu)觀測實驗 31
2.3.2 花崗巖微觀礦物成分測試實驗 32
2.3.3 花崗巖單軸/三軸抗壓強度實驗 33
2.3.4 巖石可鉆性實驗 34
2.4 本章小結(jié) 42
第3章 鉆齒侵入破碎硬巖機理研究—以非均質(zhì)花崗巖為例 43
3.1 空腔膨脹理論 43
3.1.1 應力場分布 43
3.1.2 塑性區(qū)及楔形鉆齒臨界侵入深度 45
3.2 實驗設備簡介 48
3.2.1 微機控制電液伺服萬能實驗機 49
3.2.2 聲發(fā)射分析儀 50
3.2.3 材料應變?nèi)S測量系統(tǒng) 50
3.2.4 巖樣制備 52
3.2.5 侵入破巖實驗系統(tǒng) 52
3.3 巖石在鉆齒侵入作用下的破碎機理研究 54
3.3.1 鉆齒侵入作用下巖石的劣化研究 54
3.3.2 邊界條件對裂紋擴展的影響 65
3.4 巖石破碎過程中的能量耗散研究與破碎效率評價 68
3.5 花崗巖微宏觀破碎機理 71
3.5.1 基于GBM的花崗巖等效巖體建模 72
3.5.2 花崗巖模型微觀參數(shù)標定 73
3.5.3 鉆齒侵入破碎花崗巖微宏觀機理 76
3.6 本章小結(jié) 80
第4章 鉆齒切削破碎硬巖機理研究—以非均質(zhì)花崗巖為例 82
4.1 巖石塑-脆性破碎轉(zhuǎn)變模型建立 82
4.2 切削實驗平臺和巖樣制備 87
4.3 灰白色花崗巖實驗結(jié)果與分析 89
4.3.1 切削深度的影響 89
4.3.2 前傾角的影響 91
4.3.3 鉆齒形狀的影響 93
4.4 淺紅色花崗巖實驗結(jié)果與分析 97
4.5 花崗巖地層不同齒形布齒間距破巖特性研究實驗 101
4.5.1 花崗巖不同齒形布齒間距破巖特性實驗研究 102
4.5.2 實驗結(jié)果與結(jié)論 104
4.6 花崗巖切削微宏觀破碎機制 112
4.6.1 單齒切削模型的建立 112
4.6.2 結(jié)果分析與討論 112
4.7 本章小結(jié) 124
第5章 異形齒破巖機理及綜合選齒理論 126
5.1 非均質(zhì)花崗巖有限-離散元模型 126
5.2 巖石本構(gòu)模型 128
5.2.1 應力狀態(tài)的描述 128
5.2.2 巖石材料本構(gòu) 129
5.2.3 花崗巖材料參數(shù)標定結(jié)果 134
5.3 異形PDC齒切削破碎花崗巖數(shù)值仿真 138
5.3.1 異形PDC齒切削破碎花崗巖建模 138
5.3.2 異形PDC齒切削破碎花崗巖機理分析 141
5.3.3 異形PDC齒綜合選齒理論模型 158
5.3.4 異形PDC齒切削破巖性能分析 162
5.3.5 異形PDC齒組合切削破碎花崗巖數(shù)值仿真 205
5.3.6 磨損異形PDC齒切削破巖性能結(jié)果分析 211
5.4 異形PDC鉆頭鉆進花崗巖地層數(shù)值仿真 222
5.5 單齒侵入花崗巖數(shù)值仿真 225
5.6 本章小結(jié) 230
第6章 高效破巖鉆頭設計及優(yōu)化 232
6.1 冠部形狀設計理論 233
6.2 軸向布齒 238
6.2.1 確定主切削齒的軸向位置 239
6.2.2 確定主切削齒的軸向高度 239
6.3 刀翼形狀設計 240
6.3.1 刀翼數(shù)量 240
6.3.2 刀翼形狀以及刀翼位置角 241
6.4 周向布齒 242
6.5 高效破巖鉆頭設計 242
6.5.1 鉆頭冠部形狀設計 242
6.5.2 鉆頭徑向布齒 243
6.5.3 鉆頭刀翼形狀設計 246
6.5.4 刀翼位置角 247
6.5.5 噴嘴與流道 248
6.5.6 切削齒 249
6.5.7 鉆頭接頭 251
6.6 高效破巖鉆頭優(yōu)選 251
6.6.1 鉆頭鉆速分析 253
6.6.2 鉆頭加速度分析 254
6.6.3 鉆頭扭矩分析 254
6.7 鉆頭破巖流-固-熱三場耦合分析 256
6.7.1 溫度與鉆齒磨損 256
6.7.2 井底流場與PDC之間對流換熱 257
6.7.3 研究方法 259
6.7.4 結(jié)果與分析 262
6.8 本章小結(jié) 267
第7章 高效破巖鉆頭現(xiàn)場應用 268
7.1 鉆頭的定制加工 268
7.2 鉆頭現(xiàn)場應用 269
7.2.1 現(xiàn)場應用 269
7.2.2 現(xiàn)場使用結(jié)果 270
7.3 本章小結(jié) 271
參考文獻 272
作者介紹 280
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