异形牙轮单牙轮钻头的计算机仿真模型研究

讨论了一种新型单牙轮钻头——异形牙轮单牙轮钻头。在钻头几何学和运动学的基础上，通过坐标变换方法实现了钻头上各牙齿的空间位置变换，建立了随钻运动的单牙轮钻头的计算机仿真模型。仿真模型可模拟钻头钻进过程中牙轮上各牙齿的形状、大小、钻头上各牙齿的布置及钻头钻进过程中各牙齿间的相互位置关系，是钻头与岩石相互作用仿真研究的核心问题，也是分析研究单牙轮钻头工作行为的基础。     

偏心单牙轮钻头运动学研究

为了了解偏心单牙轮钻头的破岩机理和钻井特性,详细研究了偏心单牙轮钻头几何学和运动学,建立了钻头齿面几何学方程和牙齿速度、加速度方程,将绝对运动看作是牵连移动、牵连转动与相对移动的复合,并编制了计算软件,分析了钻头牙齿在井底的运动规律。结果认为,在偏心单牙轮钻头工作过程中,牙齿与井底是间断接触的,偏移距越大,牙齿与岩石接触时间越短,牙齿重复破岩越少,反之牙齿重复破岩越多;牙齿在运动过程中会改变运动方向,偏移距越大,牙齿的径向速度越小,切向速度越大,反之径向速度越大,切向速度越小。     

三牙轮钻头动力学

系统分析了三牙轮钻头破岩过程中的受力和运动状态。建立了牙轮钻头动力学的一般模型,给出了牙轮钻头动力学基本方程,进行合理的简化后得到实用的计算模型。     

牙轮钻头牙轮动力学特性的计算机仿真

分析了牙轮及牙齿的运动和受力情况,在一定假设的基础上建立了牙齿运动和受力、牙轮扭矩、角速度和角加速度的仿真模型。根据牙轮运动和受力互为因果关系这一事实,提出了牙轮动力学特性的计算机仿真实验方法,并对多种牙轮钻头和岩石进行了仿真实验。计算机仿真实验结果与台架实验结果吻合良好。由于不需要假设牙轮的具体运动,也不需要根据上一仿真步骤中钻头与岩石的互作用力来考虑下一仿真步骤中钻头牙轮的运动,该方法可使牙轮钻头工作行为的仿真更加符合实际情况。     

偏心单牙轮钻头井底破岩轨迹研究

偏心单牙轮钻头有一个球形牙轮，牙轮旋转中心线与钻头中心线相交于一点，该交点与牙轮球心之间有偏移距离。针对偏心单牙轮钻头的结构和运动特点，利用复合圆柱坐标系统的基本原理，建立了偏心单牙轮钻头几何学基本方程和牙齿对岩石的吃入条件。在此基础上以楔形齿为对象研究了偏心单牙轮钻头井底破岩轨迹的形成，并编制了井底轨迹图仿真软件以模拟牙齿的凿岩轨迹。通过台架试验，所得仿真井底轨迹图与实际井底轨迹非常吻合，表明关于偏心单牙轮钻头的基本理论的研究是正确的，编制的仿真软件是可信的。     

牙轮钻头传动化的计算模型

根据正交实验结果，考虑影响牙轮钻头传动比的主要因素，推导出了牙轮钻头传动比的计算模型。以实测传动比与计算传动比之差的绝对值为最小作为优选目标，采用两套Ｌ４９（７＾８）正交表构成内侧和外侧表，以待求系数作为假设的实验因素，安排模拟实验。用正交优选方法优选模型中的待求系数，确定了模型的定量关系。     

单牙轮钻头井底轨迹分析

牙轮钻头的井底轨迹是牙轮钻头破岩的重要特征，以前钻头的井底轨迹主要通过实验获得，费时费力。文章通过计算机仿真来绘制单牙轮钻头的井底轨迹，并分析了钻头结构参数对井底轨迹形成的影响，找出了影响井底轨迹形成的主要结构参数。单牙轮钻头仿真的井底轨迹与台架试验的井底轨迹进行对比，证明仿真结果的正确性，仿真方法的可行性，能够对以后的钻头设计具有指导性建议。     

牙轮钻头动力学模型的建立与仿真分析

在牙轮钻头几何学、运动学和钻头与岩石互作用静力学模型的基础上，对钻进过程进行适当简化后，建立了牙轮钻头动力学模型，主要包括钻头纵向动力学模型、钻头横向动力学模型和钻头扭转振动模型。在建立钻头动力学模型的基础上，完成了牙轮钻头动力学仿真分析软件的设计，利用该软件实现了对牙轮钻头动力学仿真分析计算，并与静力学模型的仿真计算结果进行分析对比，得出了影响钻头、钻柱动力学性能的因素除与钻头结构、牙齿结构、岩石性质和钻井参数有关外，还与钻具结构和钻具的组合形式有较大关系等结论。     

异形牙轮单牙轮钻头井底轨迹的计算机仿真

利用异形牙轮(非球形)单牙轮钻头几何模型及计算机仿真技术,建立了钻头与井底岩石互作用仿真模型,编制了钻头与岩石互作用仿真分析软件。由仿真计算得到了给定结构参数的钻头与给定岩石互作用后的井底轨迹。通过钻头破岩实验,得到了实际钻井时的井底轨迹,它与仿真结果很相近,验证了仿真结果的正确性,为钻头设计提供了有力的帮助。     

单牙轮钻头牙齿齿形研究

目前,单牙轮钻头的牙齿使用的是三牙轮钻头的牙齿。由于单牙轮钻头的结构、运动规律和破岩方式与三牙轮钻头有很大区别,使得单牙轮钻头特有的作用及潜力受到限制。建立了单牙轮钻头的坐标系,推导出几何公式,并引入有向距离的概念对单牙轮钻头的牙齿进行研究。根据等磨损原理,提出适用于单牙轮钻头的结构特点和运动规律的牙齿齿形,并提出新的布齿方案,即,在牙轮工作面的永远接触区域内使用轴对称的牙齿;在轮换接触区域内使用椭圆形牙齿。     

单牙轮钻头牙齿网状切削破岩试验研究

通过在平面岩样上进行牙齿网状切削组合试验,获得每种情况下的岩石破碎平均深度、破碎面积和破碎体积。根据获得的切削力和破碎体积,计算出单位长度破碎体积和单位体积破碎功,研究这2项指标与各种组合试验参数之间的关系,得到牙齿齿形、岩石性质、切削深度、切槽间距和切槽交叉角度对牙齿破岩的影响规律,找出每种牙齿的最佳切削参数组合,并对齿形的优劣进行评价。试验研究结果表明,网状切削破岩效果优于单向切削破岩方式和以压入为主的破岩方式。此外,无论是软砂岩地层还是硬砂岩地层,在单牙轮钻头上采用楔形齿要优于锥球齿。加大钻压,相当于加大切深,可以获得好的破岩效果。不同的切削组合,各有合理的间距。     

机加工工艺对钻头牙轮开裂的影响

造成钻头牙轮破裂的原因是多方面的。其中钻头机加工对牙轮开裂的影响较大。为此从齿孔锥度、过盈量的工艺和机加工角度分析了牙轮开裂的原因．提出了防止机加工钻头牙轮开裂的建议。     

单齿圈牙轮钻头复合运动破岩实验

根据８肘／村ＸＨＰ２Ｓ—１型三牙轮钻头的结构尺寸，设计制造了单齿圈牙轮钻头。在复合运动玻岩实验装置上用单齿圈牙轮钻头进行了单次破碎岩石、重复玻碎岩石、等距布齿和不等距布齿破碎岩石等实验。实验结果表明，等距布齿时牙齿总落在上次破碎坑中或附近，重复破碎和压实坑中已破碎的岩屑，阻碍了牙齿吃入岩石深度的增加；不等距布齿时牙齿落在上一次两破碎坑的中间，形成另一个新的玻碎坑，加速了破碎带的形成，从而可提高破岩效率。建议设计钻头时，应采用不等距布齿来确定钻头的齿面结构。     

牙轮钻头轮体速比的计算机仿真

在分析牙轮钻头牙轮运动特点的基础上，提出了牙轮以最小动方式运转的假设。借助于钻头几何学与运动学关系，利用计算机仿真的方法对牙轮转速与钻头转速的比值（轮体速比）进行试算。仿真求得的轮体速比与实测值的对比结果证实最小功假设是可以成立的。用这一仿真试验方法能较好估计牙轮钻头的轮体速比值。     

牙轮钻头实体模型的建立方法

分析了牙轮钻头的结构特点，介绍了应用PRO／E软件进行牙轮钻头零件造型和装配的方法，并用这些方法实现了钻头的数字化设计和装配。     

基于转动定律的钻头轮头速比仿真模型

在牙轮钻头的破岩过程中,影响牙轮转速的因素非常复杂,因此,研究牙轮钻头的轮头速比对岩石破碎机理研究和钻头设计都有重要的指导作用。总结了国内外以力矩平衡、最小功原理等为代表的几种牙轮钻头轮头速比模型的建模理论及其优缺点。通过分析台架试验数据,发现影响轮头速比的主要因素是外齿圈和次外齿圈的齿数、每颗触底齿与岩石的相互作用力、钻压及岩石的硬度。在此基础上,假设牙轮是对称结构、牙轮轴心线为牙轮中心惯性主轴,考虑影响轮头速比的钻头结构参数、钻压和岩石硬度等主要因素,建立了一种基于转动定律的牙轮钻头轮头速比仿真模型。采用数学回归方法对台架试验数据进行处理,求得了所建仿真模型的相关系数。对比分析发现,所建仿真模型的计算结果与台架实物试验结果相对误差较小,说明所建仿真模型可以用来计算实际钻头或仿真钻头的轮头速比,为牙轮钻头破岩机理分析和建立钻进仿真模型奠定了基础。      

牙轮钻头压力补偿系统的发展

钻头轴承的寿命不仅取决于轴承材质，更取决于工作环境。密封圈的作用是将泥浆隔离在轴承腔之外，使轴承能工作在一个良好环境中。轴承失效的主要原因是密封圈先期失效，密封圈失效除其自身质量外，主要与密封圈两侧的压差有关，过大的压差是造成密封圈失效的主要原因。介绍了减小压差的压力补偿系统结构的发展。     

牙轮钻头轮头速比理论研究及其仿真模型

牙轮钻头在破岩的过程中,影响牙轮转速的因素非常复杂。牙轮钻头的轮头速比研究对岩石破碎机理研究和钻头设计都有重要的指导意义。牙轮钻头轮头速比模型是钻头-岩石互作用仿真中最重要的基础模型之一。总结了国内外以基于正交试验结果回归、力矩平衡、最小功原理等为代表的几种牙轮钻头轮头速比模型建模理论,对比分析了这些理论的优点及存在的问题。在分析影响轮头速比的几何结构、钻井参数的基础上,提出了基于转动定律的轮头速比仿真模型。该模型综合考虑了影响轮头速比的主要因素,避免了计算牙齿受力、能客观真实地反映轮头速比的数值大小及变化规律,为进一步优化牙轮钻头钻进仿真模型奠定了基础。     

混合钻头破岩特性研究

现有的常规PDC钻头和牙轮钻头均无法满足深硬地层、难钻性地层以及软硬交错地层的破岩要求。混合钻头在国内外的成功应用证明其具有较好的破岩效果,但对其破岩特性的研究还不够深入,导致混合钻头设计优化和推广受限。鉴于此,基于有限元分析法和弹塑性力学理论,以Drucker-Prager准则为岩石的本构关系,建立了混合钻头破岩仿真模型,开展了混合钻头破岩特性研究。研究结果表明:混合钻头破岩量大于单个PDC钻头和单个牙轮钻头破岩总量之和,这与现场结论一致;牙轮主导型混合钻头适用于硬地层,PDC主导型混合钻头适用于软地层;混合钻头破岩特性与其自身结构有关。混合钻头破特性研究为促进混合钻头的优化设计和混合钻头的现场应用奠定了基础。