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。     

单牙轮钻头几何学与井底轨迹

用空间解析法建立了单牙轮钻头几何学和运动学的基本方程。通过计算机绘制的井底轨迹图能够预知牙齿在井底的破岩轨迹及定量覆盖情况。调整各齿的几何位置参数，并能够从钻头破岩角度去对比各种布齿方案，选择最佳结构。     

盘式钻头破岩机理仿真分析

盘式钻头是一种新型齿形三牙轮钻头，其齿面制成与牙轮母线垂直的圆环形连续齿圈，改变了牙齿与岩石的作用特点及其破岩机理。利用牙轮钻头几何模型及计算机仿真技术，建立了盘式钻头与井底岩石互作用仿真模型、盘式钻头齿形几何模型及盘式齿形离散模型等，编制了盘式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盘式钻头与给定岩石互作用后的井底模式。通过单齿圈复合破岩实验，得到了盘式钻头实际钻井时的井底模式，它与采用计算机仿真软件的仿真结果很相近，验证了仿真模型的正确性，为盘式钻头设计提供了新方法。     

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。     

三牙轮钻头井底运动仿真分析

在三牙轮钻头实体模型的基础上建立了三牙轮钻头的运动模型,利用Pro/E软件的Mechanism功能对三牙轮钻头进行了仿真运动分析,模拟出三牙轮钻头牙齿的运动轨迹,直观分析布齿方式和齿数对井底破碎面积的影响,以及轮体速比对井底轨迹的影响。     

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。     

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。     

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。     

复合钻井工况下牙轮钻头井底轨迹仿真分析及钻头改进

本文主要论述运用井底轨迹仿真软件生成复合钻井工况下牙轮钻头井底轨迹,从而说明在复合钻井工况下,牙轮钻头齿槽磨损导致断轮尖的原因,并提出了适合于复合钻井作业的牙轮钻头解决方案。井底轨迹仿真结果和钻头实际使用情况表明,该方案能全面均匀覆盖井底,避免产生未破碎岩石凸台,从而克服牙轮钻头齿槽磨损、断轮尖的问题。     

单牙轮钻头在齿面工作分析

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。     

单牙轮钻头齿面结构设计探讨

在地层、钻井参数和钻头新度相同的情况下，钻头机械钻速的快慢主要取决于钻头齿面结构是否合理。欲设计合理的齿面结构必须研究齿面的几何形状、运动状态、受力状态和岩石破碎过程。从研究单牙轮钻头几何学、运动学入手，着重探讨单牙轮钻头齿面结构设计方法。     

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。     

冲旋钻井机械钻速仿真研究

结合三牙轮钻头有关的理论,建立了冲旋钻井钻头的真实数学模型、真实井底模型和钻头牙齿与井底岩石互作用模型,用计算机仿真方法预测出了冲旋钻井机械钻速.应用结果表明,该模型可靠,计算结果与实际机械钻速基本一致,这些仿真模型可用于冲旋钻头优化设计和钻井参数的优选.     

牙轮钻头的侧切规律研究

从钻头动力学基本方程出发，分析钻头在井底中的横向运动规律，探讨井壁刮痕生成过程和井壁模式的形成后，建立了牙轮钻头倒向切削井壁的仿真模型和仿真软件，填补了牙轮钻头工作力学行为研究中的部分空白。     

潜孔钻头结构参数与井底流场关系研究

在勘探钻井过程中，QF-Ⅱ型潜孔钻头井底流场分布不合理，存在排屑能力差，对井壁冲蚀破坏严重等缺点，制约了该潜孔钻头在现场的应用。为此，以QF-Ⅱ型潜孔钻头为原型，充分考虑了钻头排屑槽和切削齿对井底流场的影响，建立了与实际相接近的潜孔钻头井底流场物理模型。在计算流体力学软件Fluent中将CAD模型转换为相应的CFD井底流场模型，运用k-ε两方程模型，对钻头喷嘴不同位置、不同直径、不同倾角时的井底流场进行了数值模拟研究。这些结构参数直接影响井底流场分布及流体的排屑能力，在研究中把这些参数作为钻头结构优化设计的重点，找到了钻头喷嘴不同结构参数条件下对井底流场的影响机理，为合理进行潜孔钻头的结构设计及水力设计提供了依据和校验方法。     

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。