本书是针对油气田钻井提速技术需求撰写的，系统介绍了PDC钻头破岩机理及优化设计、提速工具研发及现场应用等内容。本书共包括10章，分别从研究背景、各油田岩石物理及力学性质分析、PDC钻头破岩机理与分析、钻速方程及现场应用、PDC钻头定向双齿设计实践、射吸式冲击器研发、扭力冲击器研发、粒子冲击钻井工具研发、随钻扩眼器研发、套铣钻头优化设计等方面展开论述。本书既有翔实的理论分析，又有大量的试验支撑，是一本凝聚着作者多年研究成果的理论联系实际的专业书籍。
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2014年，"裂缝性储层水力压裂改造机理及技术应用研究"获中国石油和化学工业协会科学技术奖三等奖，排名第一
目录
前言
第1章绪论1
1.1我国油气田难钻地层概况1
1.2我国超深井钻井概况2
1.3高效破岩技术概况4
1.3.1钻头4
1.3.2钻井参数强化钻井9
1.3.3螺杆钻具11
1.3.4涡轮钻具13
1.3.5液动冲击器16
1.3.6扭力冲击器18
1.3.7水力振荡器20
1.3.8射吸式冲击器21
本章附表24
第2章各油田岩石物理及力学性质分析26
2.1岩石的物理性质26
2.2岩石的强度及变形特性28
2.2.1岩石的强度特性28
2.2.2岩石的变形特性29
2.2.3实例分析30
2.3地应力33
2.4岩石的硬度36
2.5岩石的可钻性38
2.6岩石的研磨性39
2.7岩石可钻性分维表示的可行性分析41
2.7.1钻井上返岩屑块度分布与分形维数41
2.7.2钻井上返岩屑块度分布分形计算42
2.7.3钻井上返岩屑分形维数与地层岩石可钻性的关系44
2.8地层抗钻特性的测井解释及区域预测45
2.8.1测井资料解释模型45
2.8.2测井数据处理方法47
2.8.3实例计算及分析49
本章附表56
第3章PDC钻头破岩机理与分析62
3.1PDC钻头结构特征与破岩特征62
3.2基于地应力的PDC单齿切削破岩机理及分析64
3.2.1PDC单齿切削模型64
3.2.2单齿切削模型特性影响因素分析72
3.2.3单齿切削试验及现场案例分析74
3.3基于有限元法的PDC钻头切削齿破岩规律研究79
3.3.1PDC切削齿破岩的力学模型80
3.3.2PDC切削齿有限元仿真模型82
3.3.3数值模拟结果分析84
3.4PDC钻头的黏滑效应的数值模拟分析89
3.4.1PDC钻头的黏滑效应89
3.4.2有限元模型建立90
3.4.3模拟数据处理91
3.4.4常规钻进下黏滑效应影响因素分析96
3.4.5轴向振动冲击钻进下黏滑效应影响因素分析99
第4章钻速方程及现场应用102
4.1牙轮钻头钻速方程及应用102
4.1.1牙齿侵入井底岩石的力学分析102
4.1.2井底条件下牙轮钻头的钻速方程103
4.1.3模型的室内试验及结果分析104
4.1.4现场应用实例105
4.2PDC钻头钻速方程及应用108
4.2.1常用的钻速方程108
4.2.2新模型及参数求解109
4.2.3现场实例分析111
4.3PDC钻头机械比功模型及应用114
4.3.1常规钻井PDC钻头机械比功模型114
目录
4.3.2冲击钻井PDC钻头机械比功模型116
4.3.3钻井关键参数求取方法119
4.3.4冲击振动对机械比功的影响分析123
4.3.5基于机械比功的PDC钻头类型优选方法124
本章附表130
第5章PDC钻头定向双齿设计实践134
5.1PDC钻头设计基础134
5.1.1设计方法134
5.1.2冠部结构设计137
5.2PDC钻头定向双齿布齿设计140
5.2.1基本设计141
5.2.2PDC钻头侧向力计算145
5.2.3定向双齿PDC钻头设计148
5.3定向双齿PDC钻头破岩机理模拟分析157
5.3.1PDC切削齿失效分析157
5.3.2PDC单齿破岩模拟分析159
5.3.3PDC双齿破岩模拟分析167
5.3.4切削齿组破岩模拟分析173
5.4定向双齿PDC钻头自平衡布齿参数优化175
5.4.1定向双齿PDC钻头自平衡布齿优化方法175
5.4.2定向双齿PDC钻头布齿参数粒子群优化181
5.4.3传统布齿与定向双齿PDC钻头破岩效果对比186
本章附表190
第6章射吸式冲击器研发191
6.1工具设计基础191
6.1.1工具概况191
6.1.2工具基本参数关系193
6.1.3工具研发内容及技术要求194
6.2零件结构及工作流程195
6.2.1零件结构设计196
6.2.2工作流程198
6.3工具流场优化设计199
6.3.1流场模型199
6.3.2回程阶段200
6.3.3冲程阶段203
6.3.4惯性冲击阶段205
6.4工具结构优化208
6.4.1喷嘴尺寸优化208
6.4.2活塞下壁面和冲锤外壁面流线型结构改进211
6.4.3阀套与活塞相对距离优化212
6.5射吸式冲击器室内试验214
6.5.1直径为100mm原理样机214
6.5.2直径为178mm原理样机216
6.5.3直径为127mm工具样机试验217
第7章扭力冲击器研发221
7.1工具的基本情况221
7.1.1工具简介221
7.1.2工具研究基本情况222
7.2扭力冲击器结构设计及功能分析223
7.3工具结构的有限元优化分析227
7.3.1工具主要零件安全性分析227
7.3.2工具内部流道结构分析232
7.4扭力冲击器样机设计加工及试验分析237
7.4.1扭力冲击器原理样机237
7.4.2扭力冲击器样机1239
7.4.3扭力冲击器样机2243
7.4.4扭力冲击器样机3247
7.4.5扭力冲击器样机4249
7.5工具的扭矩试验253
7.6现场试验及结果分析253
7.6.1JY7-1井254
7.6.2QG5井258
7.6.3WA101井263
7.6.4DS102井267
7.7工具现场操作工艺270
第8章粒子冲击钻井工具研发274
8.1工具简介及技术要求274
8.1.1工具简介274
8.1.2工具技术要求276
8.2工具结构设计及优化277
8.2.1工具结构及相关计算277
8.2.2工具的流体压耗分析280
8.2.3粒子射流冲击强度的影响因素分析283
8.3工具数值模拟及结构优化285
8.3.1工具原理的数值模拟285
8.3.2工具自循环射流原理可行性分析286
8.3.3工具的结构优化288
8.4粒子冲击钻井工具的室内试验及结果分析290
8.4.1原理样机可行性试验290
8.4.2全尺寸样机试验291
第9章随钻扩眼器研发297
9.1工具简介及技术要求297
9.1.1工具简介297
9.1.2工具技术要求300
9.2工具样机设计及相关计算302
9.2.1工具样机工作原理302
9.2.2刀翼设计303
9.2.3剪销强度计算304
9.2.4弹簧推力计算305
9.3工具样机内部结构流场模拟分析306
9.3.1未激活状态307
9.3.2投球激活状态309
9.3.3投球去激活状态311
9.3.4内部结构冲蚀分析313
9.4工具安全性能模拟与结构优化314
9.4.1未激活状态314
9.4.2投球激活状态318
9.4.3疲劳周期模拟321
9.5工具样机室内试验及优化设计322
9.5.1原理样机设计、加工及测试试验323
9.5.2原理样机测试试验326
9.5.3全尺寸样机室内试验327
9.6工具样机现场试验及优化设计330
9.6.1工具样机概况330
9.6.2工具样机试验过程331
本章附表334
第10章套铣钻头优化设计337
10.1工具简介及技术要求337
10.1.1工具简介337
10.1.2工具技术要求338
10.2套铣钻头结构设计339
10.2.1冠部形状设计339
10.2.2水泥环切削部分倾角及长度设计340
10.2.3切削齿设计340
10.2.4切削齿的工作角设计341
10.2.5布齿密度设计342
10.2.6逼压式射流孔设计343
10.2.7设计结果346
10.3套铣钻头结构优化348
10.3.1有限元法简介348
10.3.2套铣钻头受力有限元分析349
10.4套铣钻头现场试验351
10.4.1现场工况351
10.4.2试验案例353
本章附表356
参考文献358
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