单牙钻头布齿面工作分析

根据单牙轮钻头的运动规律，首次提出了单牙轮钻头布齿面上存在牙齿与井底的永远接触区，轮换接触区和永不接触区，并从理论上对此三者作了准确的划分，在此基础上分别研究了各区牙齿在井底的工作区域，并讨论了单牙轮钻头的保径问题，提出了一级和二级保径方案。     

单牙轮钻头井底展开轨迹图

鉴于用井底平面轨迹图不能直观反映球形单牙轮钻头牙齿的运动轨迹，从井底展开角度提出了应用井底展开轨迹图描绘球形单牙轮钻头牙齿在井底运动轨迹的新方法，使单牙轮钻头牙齿的运动轨迹完全展开在一平面上，从而能直现、清楚地看出球形单牙轮钻头牙齿对井底岩石的切削分布和切削均匀倩况。     

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。     

单牙轮钻头——钻井技术的新选择

单牙轮钻头以切削方式破岩，形成具有网状切削轨迹的井底模式。在这种独特的切削方式中，牙齿和岩石有足够的接触时间，比冲击方式传递的能量更充分，破岩效率更高；同时单牙轮钻头接触井底的牙齿数多，牙齿受力均匀，有利于切削结构的工作，延长轴承系统的寿命；单牙轮钻头只有一个牙轮，结构简单，轴承空间大，便于进行结构改进，也使钻头尺寸容易小型化；单牙轮钻头牙轮的转速比钻头的转速低，使之能满足井下动力钻具对钻头提出的高转速的要求。介绍了单牙轮钻头工作原理，分析比较了单牙轮钻头，三牙轮钻头和PDC钻头的工作特点，认为单牙轮钻头是深头，小井眼和井下动力钻井技术中一种可选的新型钻头。     

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。     

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。     

基于Pro/E软件的单牙轮钻头运动学研究

在单牙轮钻头实体模型的基础上建立了单牙轮钻头的运动学模型 ,利用Pro/E软件的Motion模块对单牙轮钻头进行了运动分析 ,模拟出单牙轮钻头牙齿的运动轨迹 ,分析牙齿位置和牙掌的轴倾角变化对牙齿刮切速度的影响。即牙齿位置越靠近井底 ,牙齿的刮切速度变化振幅就越小 ,转动就越平稳 ;轴倾角的改变对于牙齿刮切速度的影响很大。轴倾角越小 ,牙齿刮切速度变化的周期就越短。     

球形单牙轮钻头钻进过程的计算机仿真

从单牙轮钻头几何结构出发, 利用仿真技术, 建立了钻头运动模型、牙齿几何模型、井底模型和岩石与牙齿作用力模型等。在这些模型的基础上, 编制单牙轮钻头钻进过程仿真程序, 在计算机上模拟钻头破岩过程, 揭示了钻头与岩石互作用的大量细节, 并获得牙齿载荷和机械钻速等许多重要信息。仿真结果与台架试验结果很接近, 从而验证了仿真程序的正确性。采用该仿真程序可对不同钻井条件下不同结构单牙轮钻头的性能作出比较和判定, 也可预计尚未制成钻头的钻进能力。     

牙轮钻头牙齿承载实测和理论分析

作者设计了三牙轮钻头的单牙轮单齿圈在台架上钻进钢井底的牙齿受力井底测试装置,测出在钻进状态下牙齿承受瞬时动负荷,并把牙齿上承受的力分解为垂向力、切向力和径向力。经实验证明,理论值与实验值较为吻合。     

盘式单牙轮钻头破岩机理试验研究

在简述盘式单牙轮钻头的结构特点和破岩机理的基础上 ,详细介绍了这种钻头在资中重二砂岩上进行台架试验的破岩过程、试验数据和动态曲线。试验结果分析表明 ,盘式单牙轮钻头钻进破岩时牙齿在接触井底过后有一个较长的滑移过程 ,运动轨迹成网状相互交叉 ,与井底接触的牙齿过渡平稳 ,从而减小钻头的振动 ,有利于提高钻头轴承和齿面的寿命。这种钻头的缺点是盘式齿在长距离滑移切削过程中磨损较快 ,在某些地层钻进时钻头性能不如普通牙轮钻头和PDC钻头。     

牙轮钻头损坏分析及应对措施

大庆油田徐家围子地区深部地层岩石可钻性差、研磨性强、硬度高，在纵向上砂泥岩互层且存在砾石层，钻井难度大，严重地影响钻头和钻具使用寿命；统计分析表明，该地区牙轮钻头损坏的主要表现为齿磨、掉齿、断齿、牙轮卡死和外径磨损等。据此提出了一系列应对措施：大力改进了硬质合金齿材料，开发新齿形的硬质合金齿；采用复合齿与稀土齿混装以增加抗研磨和冲击能力；改进相应配套钻井措施等。     

牙轮钻头牙齿破岩过程仿真

从运动学角度研究了牙轮钻头牙齿在井底的运动轨迹，并对牙齿的破岩过程进行了仿真分析。结果表明，牙齿的径向滑移主要与移轴距和吃入深度有关；牙齿的周向滑移主要与轮体转速比和吃入深度有关。移轴距、轮体转速比和吃入深度对破碎坑形状、大小和破碎环带宽度都有明显的影响。随着移轴距增大，破碎环带变宽，钻头对井底覆盖能力增强；随着轮体转速比增加，破碎坑明显变小。锥顶齿主要以刮削和挤压方式破碎井底中心区域；外排齿规径部位以切削方式破碎井壁过渡区。     

牙轮钻头的侧切机理及井壁模式

通过分析牙轮钻头外排齿在井底的运动和对井壁岩石的刮切，认识牙轮钻头的侧向切削机理，提出井壁模式的概念和分析井壁模式的方法。井壁模式分析说明，牙轮钻头的侧向切削过程不仅与齿面结构有关，而且与岩石性质、钻井参数有关。     

定向钻井PDC钻头切削参数计算方法

定向钻井PDC钻头的优化设计和导向性能分析需要准确计算PDC切削齿的切削面积、切削体积和切削弧弧长等切削参数。针对弯外壳螺杆马达或推靠式旋转导向系统,运用空间解析几何理论和数值计算方法,分析了PDC钻头在井底的运动状态,建立了切削齿的运动轨迹方程和切痕曲线方程。综合考虑了钻头偏转角、钻头的复杂运动、钻头结构参数及切削齿切削的先后次序等因素的影响,建立了切削齿的切削面积、切削体积和切削弧弧长等切削参数的数值计算方法,为PDC钻头的计算机优化设计和定向钻井PDC钻头的导向性能分析提供了一种分析手段。实例计算表明,模型和方法具有实用性,可进一步推广应用。     

基于统一强度理论的牙齿侵入井底岩石的机理分析

为了弄清深部地层复杂钻进条件下的牙轮钻头破岩机理,研究了牙轮钻头牙齿侵入井底岩石问题。在考虑井底压力的条件下,基于统一强度理论对牙齿侵入岩石的力学过程进行了分析,建立了含有统一强度参数的井底岩石侵入方程,并给出了不受轴向载荷、侵入深度和刃尖角影响的侵入系数。该方程考虑中间应力对井底岩石侵入系数的影响,在中间主剪应力的效应系数为0时,方程计算结果与Mohr-Coulomb强度理论所得结果完全相同。根据侵入方程,分析了内摩擦角、液柱压力、孔隙压力和刃尖角对侵入系数的影响。结果表明,侵入系数随中间主剪应力的效应系数的增大而增大,随内摩擦角和刃尖角的增大呈指数增大,随液柱压力的增大呈线性增大,随孔隙压力的增大呈线性减小。研究结果为牙轮钻头的现场应用提供了理论指导。      

牙轮钻头工作扭矩的计算机仿真

对牙轮钻头在破岩过程中的受力和运动状态进行分析，建立了牙轮钻头动力学基本方程，研究井底岩与牙轮钻头的相互作用后，建立了钻头结构参数，钻井参数，岩石性质参数与触底齿受力间的近似关系。研制了牙轮工作扭矩的计算机仿真模型和仿真软件，仿真结果与实验数据比较表明了理论研究和仿真模型及软件的正确性和可靠性。