复杂曲面零件激光随形熔覆轨迹规划研究

为实现复杂曲面的随形熔覆，针对PDC钻头牙翼部位表面形貌进行了机器人熔覆路径的工艺规划，同时对插补点的位置规划算法进行了研究。通过一组平行截面与曲面相交得到交线，采用非均匀有理B样条(NURBS)描述交线。然后提取交线的特征参数，以离焦量的最大值作为误差阈值进行插补点规划，为实现激光束轴线与插补点所在的曲面法矢尽可能重合，对插补点进行姿态规划，从而得到完整的熔覆路径。最后采用Robotstudio仿真软件建立激光熔覆工作站，并对熔覆路径进行仿真，结果表明熔覆仿真过程中，未出现奇异点，机器人各关节、熔覆头与待熔覆工件之间未发生碰撞，并且能够按照事先规划好的路径进行熔覆，试验表明达到了较好的熔覆效果。     

全局力平衡PDC钻头布齿优化设计

针对聚晶金刚石复合片(PDC)钻头在钻井破岩过程中因受力不平衡，导致钻井倾斜、井径扩大、钻头产生横向振动和涡动，造成钻头早期失效的问题，基于已有PDC钻头切削力学知识，构建了PDC钻头弯曲力矩及全局力平衡布齿优化设计模型，并提出模型求解方法。布齿设计实例结果表明，采用全局力平衡布齿设计方法得到的布齿结构可使PDC钻头在不同进尺条件下均能保持全局力平衡状态，尤其低进尺（小于1 mm）时的力平衡状态得到极大改善，提高了PDC钻头的钻井稳定性，对于改善钻头受力、提升钻头使用寿命、提高钻井质量与效率具有重要意义。     

仿生多瓣式锥型月壤钻采机构研究

针对月球表面钻孔勘探的需求,基于竹象虫钻食竹笋和蚯蚓在土壤中蠕动前进的机理,设计了一种集钻探、采样和储样功能于一体的可开闭、蠕动进给的仿生多瓣式钻采机构。钻采机构采用分段式设计,由分瓣式锥形钻头、主机架和副机架3个部分组成。针对分瓣式锥形钻头的不同部位进行力学和钻进排屑性能分析,建立了钻头与月壤相互作用力学模型,并以此为基础对钻头结构参数进行优化设计。研究结果表明,锥形基体所受的径向挤压力与半锥角成反比。     

大港油田页岩油水平井钻井关键技术

大港油田沧东凹陷页岩油水平井钻井过程中面临着破岩效率低、井眼轨迹控制难度大、摩阻扭矩大、完井管柱下入困难等技术难题，影响了页岩油的勘探开发效益。为了解决这些问题，进行了激进式水力参数设计、异形齿PDC钻头研制、深层水平段高效钻井技术、旋转导向井眼轨迹控制技术、强抑制强封堵高性能水基钻井液技术和旋转引鞋+旋转下套管工艺等技术攻关研究，形成了大港油田页岩油水平井钻井关键技术。该技术在13口页岩油水平井进行了现场应用，平均机械钻速13.16 m/h，钻井完井周期50.62 d，井下故障时效低于0.1%，均创造了大港油田的钻井纪录。研究与应用表明，大港油田页岩油水平井钻井关键技术为沧东凹陷页岩油高效勘探开发提供了技术支撑，也为国内页岩油水平井安全高效钻进提供了借鉴。      

凸脊型非平面齿PDC钻头的研制与现场试验

常规PDC钻头在钻进塔里木油田库车山前巨厚砾石层时存在破岩效率低、机械钻速慢和钻井周期长等问题，分析认为，砾石对常规PDC钻头的平面齿产生较大冲击力导致切削齿崩齿或严重磨损是钻速低的主要原因。为此，设计了一种凸脊型非平面齿，并研制了配套PDC钻头，将钻头破岩方式由常规PDC钻头的面切削转变为线压裂和面挤压，大大提高了钻头破岩效率。室内试验表明，凸脊型非平面齿具有良好的抗冲击性能与抗研磨性能，抗冲击性能是平面齿的10倍以上。2只凸脊型非平面齿PDC钻头在库车山前地区博孜区块某井砾石层井段进行了现场试验，创造了机械钻速最高、单只钻头进尺最长的区块纪录，与邻井常规PDC钻头相比，进尺提高1.5倍以上，平均机械钻速提高64%以上，提速效果明显。研究与试验表明，凸脊型非平面齿PDC钻头能够较好地满足库车山前巨厚砾石层高效钻进的要求，可为库车山前深层天然气的高效勘探开发提供了技术支持。      

随钻评价钻头效率技术应用

在利用R·Teale机械比能模型与钻头进给量参数进行钻头效率评价中,虽然对机械比能模型中的钻压和扭矩进行了校正,但在数据处理方面还是存在着一定的问题,致使利用传统的交会图板进行钻井工程指导的难度很大。为此,通过对校正后机械比能数据采取数据插值和数据筛选、删除以及平滑滤波步骤进行处理,绘制出机械比能与钻头进给量交会曲线,通过交会曲线的形态和面积,与钻井工况相结合,对破岩效率及钻头工况进行判断,可进行钻头泥包、钻具振动、钻头钝化、钻头选型等工程分析。在钻井现场进行钻头效率的随钻评价应用实例证实,该方法具有较好的实时性和实效性,能够减少钻井工程事故、缩短钻井周期,降低钻探成本。     

钻井液污染润滑脂对牙轮钻头轴承摩擦学性能的影响

高温或冲击载荷会引起钻井液泄漏进入复合锂基润滑脂,从而影响牙轮钻头滑动轴承润滑及摩擦磨损性能。采用MCR102旋转流变仪对含有不同质量分数钻井液的复合锂基润滑脂进行流变性测试,并采用MDW-1型摩擦磨损试验机开展牙轮钻头滑动轴承模拟工况下轴承单元摩擦学实验,研究钻井液质量分数对轴承摩擦磨损性能的影响。结果表明:钻井液的污染将降低润滑脂的黏度,改变润滑脂的流变性能;钻井液的污染总体上增大了滑动轴承单元摩擦因数及摩擦因数波动幅度,同时加大轴承的磨损,且在高转速下,润滑脂中较低含量的钻井液就会使滑动轴承单元的摩擦磨损达到最大值;钻井液中的超细碳酸钙和重晶石颗粒引起的磨粒磨损和犁沟效应,可能导致滑动轴承快速失效。     

硬地层单牙轮-PDC钻扩联合钻头破岩特性

提出了新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头，先依靠单牙轮破岩钻孔，释放地应力，产生岩石损伤，再助推PDC钻头刮切破岩。运用有限元法，建立钻扩联合钻头、双级PDC和常规PDC钻头破岩的非线性动力学模型。通过对岩石本构关系进行D-P准则描述以及确定岩石破碎的判据，分析钻扩联合钻头钻进硬地层的破岩机理，开展了3种钻头动态破岩过程的对比研究。结果表明：钻扩联合钻头在钻进过程中井底井壁的岩石应力得到明显释放，大大提高了岩层可钻性；在硬地层中钻扩联合钻头钻进速度提高的主要原因是拉应力破岩；钻扩联合钻头在硬地层钻进过程中的扭转振动大大降低，破岩效率更高，钻头寿命更长；由于单牙轮领眼破碎岩石的作用，钻扩联合钻头对井底岩石的冲击破碎能力更强，在硬地层中钻进更快。研究结果为新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头的研发提供了参考。     

南堡油田深部地层微心PDC钻头个性化设计与应用

南堡油田东三、沙河街深部地层压实程度高，岩性复杂，泥岩胶结致密、研磨性强，可钻性差，导致常规PDC钻头机械钻速低。在深入分析该地层岩石力学性质基础上，开展了微心PDC钻头的研制。该钻头中心区域不布置切削齿，即采用无心轴式特殊结构，平内锥、宽冠顶、加长外锥设计，将更多的能量分配给承担更多工作的切削结构，提升切削齿的有效比钻压，提高破岩效率。现场应用十余井次，平均机械钻速8.7 m/h，同比提高40%以上，单只钻头平均进尺470 m，同比提高一倍以上。研究成果为南堡油田深部地层及其他类似地层钻井提速提供了新的思路和方法。     

基于MIMU的FastICA算法钻头故障振动信号分析

为了解决钻头在钻进过程中由于采集到的信息存在信噪比低和钻头与钻柱振动信号互相混叠而难以对钻头故障振动状态进行有效识别的问题。提出一种基于MIMU的FastICA算法来对钻头与钻柱振动数据进行处理分析,从而放大了钻头振动信号特征(正常、松动),提高了钻头振动信号的识别度。首先对经MIMU采集而来的原始数据进行误差分析和预处理,接着使用FastICA算法进行仿真实验,最后采用预处理后的松动状态下钻头与钻柱的振动信号进行实例实验验证。经验证,此方法有效放大了钻头的振动信号特征,有一定的实际意义。