PDC钻头的五点测绘理论研究

通过分析PDC钻头的布齿情况,建立了钻头圆柱坐标系O1RθH和切削齿位置坐标系O2XYZ,定义了三个切削齿的空间角度(,β,γ).在此基础上,运用PDC钻头几何学和空间解析几何学中的四点共面、行列式、坐标变换的知识,提出并推导出了PDC钻头的五点测绘理论及系列公式.五点测绘理论用于利用复合片上的任意五个测绘点(其中任意三点都不共线)坐标求出复合片的空间位置参数和空间方向参数;达到检验和测绘PDC钻头、检验模拟软件的目的.     

PDC钻头复合片磨损规律研究

在理论分析的基础上,建立了一种简便实用的复合片磨损实验方法,即采用了复合片在车床上磨损方式模拟ＰＤＣ钻头切削齿切削岩石的方法进行了大量的实验研究。研究分析了复合片齿的体积磨损速度与切削正压力、切削线速度、磨损弦长及岩性间的关系,并由实验结果得出了复合片磨损速度模式。     

PDC钻头切削齿受力模拟实验装置研究

针对原有PDC钻头单齿受力实验装置的不足,研究设计了PDC钻头切削齿受力模拟实验装置。设计的实验装置可以模拟PDC钻头三齿组合状态下的切削齿受力;通过调节装置可以模拟PDC钻头不同冠部形状、布齿密度、复合片大小等几何参数;设计的三轴测力传感器可以测量相互垂直且相互不受影响的3个力(轴向力、侧向力、切削力)。实验装置灵敏度高,整体性能可靠,获得的实验数据准确有效,对PDC钻头参数优化设计具有十分重要的意义。     

PDC钻头布齿设计中的三维齿间距计算方法

在PDC钻头的设计过程中,齿之间的间距是布齿设计的一个重要控制参数,直接影响钻头的设计质量。文章对同刀翼相邻切削齿的相对位置情况进行了分类,同时利用空间解析几何方法建立了不同位置情况下的PDC钻头三维齿间距的垂足法。根据该方法编制的计算机程序能可靠、快速地算出PDC钻头三维齿间距。该方法可在钻头布齿设计时准确、高效地分析和控制切削齿之间的位置关系,既适用于常规的圆柱形复合片钻头,也可用于椭圆齿钻头的分析计算,对提高钻头的设计质量和设计效率具有重要意义。     

复合钻井模式下PDC钻头钻进仿真研究

PDC钻头在井底的受力将影响到PDC钻头钻进效率及切削齿的磨损,尤其是在复合钻井模式下,切削齿与岩石互作用更加复杂。鉴于此,提出一种新的基于三维建模理论的复合钻井模式下PDC钻头钻进仿真方法,目的在于通过仿真结果对复合钻井用PDC钻头的切削参数进行评价。该仿真方法首先是建立复合钻井模式下PDC钻头预钻井底模型,PDC钻头按照设定钻进模式运动,将切削齿作为刀具对岩石进行虚拟切削,仿真过程中建立各切削齿的切削带模型,通过切削带计算各切削齿的接触弧长、接触面积和切削体积。理想工况与复合钻井模式下仿真结果对比表明,新的复合钻井模式下PDC钻头钻进仿真方法能够满足复合钻井模式下对切削参数的定量化评价需求,具有较好的仿真精度以及可视化效果。     

PDC钻头的轨迹方程及切削参数计算方法

准确计算PDC钻头切削齿的切削面积、切削体积和切削弧弧长等切削参数,对PDC钻头的优化设计和性能分析等都具有十分重要的意义。运用空间几何和数值计算理论,对PDC钻头的轨迹方程和切削参数的计算方法进行了研究。建立了描述PDC钻头在井底的几何位置及运动轨迹的坐标系统,给出了PDC钻头的运动轨迹方程和切削齿在井底的切痕曲线方程。综合考虑了钻头冠部形状、切削齿的布置、切削齿的工作角、切削齿的形状及尺寸、切削齿的相互作用及切削齿的先后次序等因素的影响,提出了切削齿的切削面积、切削体积、切削弧弧长等切削参数的数值计算     

复合冲击破岩数值模拟研究及现场应用

为了探究复合冲击载荷作用下聚晶金刚石复合片钻头（PDC）的破岩机理，利用ABAQUS有限元软件建立了PDC单切削齿-岩石相互作用的数值模型，模拟研究了常规切削、单轴向冲击、复合冲击下岩石破碎过程，分析了复合冲击破岩机理。结果表明：在复合冲击作用下，轴向载荷分量能够增加切削齿切削深度，同时切向载荷分量的剪切作用使岩石产生大体积破裂。相比于常规钻进，应用复合冲击钻井后机械钻速提高了26.2%。研究成果可为复合冲击钻井技术的现场应用提供理论参考。     

基于三坐标测量机的PDC钻头逆向工程研究

为实现PDC钻头的逆向工程,结合三坐标测量机测量数据与PDC钻头结构特征,建立了PDC钻头布齿法相角、侧倾角等数值计算模型,重点解决了测量数据的输入、可视化以及模型算法实现等问题,并利用Matlab完成了布齿参数分析软件开发。在完成某型号PDC钻头切削齿空间位置测量后对其布齿参数分析及加工误差计算的结果表明,该系统在PDC钻头布齿参数分析等方面使用便捷且可靠性高,具有一定推广价值。     

一种特形PDC切削齿破岩特点的研究

采用全桥应变式测力传感器，利用车床改装的装置，研究模拟井底钻头实际工作状态的３个特形ＰＤＣ切削齿同步连续切削岩石时的受力状态；在同样布齿方式下，用ＲＤＣ切削齿切削砂轮以得其磨损量，用来模拟ＰＤＣ切削齿的实际磨损状态。试验了不同磨损程度下特形齿受力变化特性及其磨损特征。     

爪式齿金刚石钻头研制成功

1997年5月5日，钻头厂金刚石工具分厂成功地生产出一只爪式齿金刚石钻头。钻头所用的切削齿是由该厂自行研制，具有世界先进水平的爪式聚晶金刚石复合片，与普通复合片相比，该复合片具有更强的耐磨性、抗冲击性和热稳定性，可明显提高金刚石钻头的使用寿命和切削效率，这种钻头能广泛用于软-中等硬度地层，特别具备穿越硬夹层砾石层的能力，爪式齿金刚石钻头的研制成功，对扩大金刚石钻头的使用范围具有重要意义。5月7日，该钻头被运往克拉玛依油田试用。     

PDC钻头的布齿及性能预测

以PDC钻头的切削齿工作参数计算程序为基础,对PDC钻头的等体积破岩的布齿方法进行了研究,同时讨论了PDC钻头侧向载荷的计算方法、切削齿位置参数对破岩体积的影响。此外,还对PDC钻头的钻进特性曲线,以及采用不同设计方案时的钻头性能进行了预测。     

基于CCD视觉成像的管－板焊接装置设计及检测方法

为了解决热交换器生产中管子和管板焊接效率低、焊接质量不稳定的问题,设计了基于CCD视觉成像的管－板焊接装置,并提供了用于该装置管孔中心坐标的检测方法。该装置由控制系统、移动机构、视觉成像系统和焊接装置组成,采用液压驱动,通过测量管板面上不共线的三个点到传感器的距离确定待测管板面的方程,进而测得管孔中心坐标。采用该装置可获得待检测管板面上管孔的中心坐标,进而实现对管子和管板的自动焊接,能够提高焊接质量与焊接效率。     

斧形PDC齿破岩规律数值模拟研究

斧形PDC齿具有独特的齿形,在破岩实验中表现出更好的破岩性能。但斧形PDC齿破岩规律和工作参数及齿形的优选方法不明确。因此,利用ABAQUS软件建立了斧形PDC齿切削岩石的三维有限元模型,通过有限元数值模拟方法分析后倾角、斧刃角对斧形PDC齿破岩效果的影响。结果表明:后倾角为15 °时,斧形PDC齿破岩效率最高;在后倾角相同的情况下,斧刃角越小,切向裂纹越易于向岩石内部发展,最优斧刃角为110 °。根据模拟结果,优化了斧形PDC齿钻头外形参数,并在现场试验中获得较好的效果。该研究结果可为斧形PDC齿钻头优化设计提供重要依据。     

螺杆马达转子铣刀设计

根据螺杆钻具转子加工时与铣刀的相对位置,建立空间螺旋齿面坐标系和铣刀坐标系。经分析推导,得到铣刀刃形曲线方程,代入转子设计参数便可确定转子铣刀的形状和大小。还对设计中遇到的打扣问题和铣刀安装角进行了探讨。     

PDC钻头切削齿的运动分析和破损机理

分析了PDC钻头在几种典型的回旋运动情况下其切削齿的运动速度和运动状态，发现回旋运动时切削齿有瞬时反向转动的现象，并讨论了回旋运动对切削齿工作状态的影响，认为PDC钻头回旋引起的冲击载荷和切削齿反转是导致钻头切削齿破损的直接原因。试验证明，切削齿反转具有极大的破坏性。研究表明，采用适当的钻头转速可以减少切削齿的损坏，而运用抗回旋技术减小钻头回旋幅度和回旋频率才是根本的出路。     

基于分区法的扩眼器刀翼布齿优化研究

扩眼器在破岩时,刀翼处受力不均会产生不平衡侧向力,引起井下钻具振动,影响井眼质量和钻具使用寿命,对扩眼作业造成不利影响。为了准确分析井底形状和刀翼切削受力的变化,提出分区法来分析扩眼器刀翼的切削过程。基于分区法,扩眼器旋转切削一圈的过程可以分为几个不同的切削阶段,每个切削阶段对应一组切削参数。借鉴PDC钻头的受力模型,建立了以扩眼器全阶段侧向力最小为目标,以各个切削齿后倾角为优化变量的多目标优化模型。利用非支配排序遗传算法2 (NSGA-Ⅱ)对优化模型进行求解,得到最优Pareto解集,利用模糊综合评价法对Pareto解集中的个体解进行评价,并从中选取最优个体解。以三刀翼扩眼器为例进行了布齿优化设计,优化结果表明,基于分区法的布齿优化方法可以有效减小每个切削阶段的侧向力,且保证了各个阶段的侧向力与钻压比值都在5%以内,从而实现扩眼器全切削阶段的侧向力平衡。研究结果对扩眼器的设计具有一定的指导意义。     

基于广义Hough变换的圆心坐标快速提取方法

广义Ｈｏｕｇｈ变换是提取圆心坐标的有效方法,但因计算量大、占有内存多等缺点很难应用于实际。在分析广义Ｈｏｕｇｈ变换方法的基础上,将其统计聚类思想和中心点生成圆弧的算法结合起来,提出了一种快速有效提取圆心坐标的方法。该方法对参数空间的每个点,只对指定半径圆环上的象素点进行判断,避免了图像空间上其他无效边界点的参与,使计算量大大减少;计算公式简单并具有序贯性,只要赋予初始值,使可快速提取圆环上的点,从     

确定排列片横纵比的方法——85%法则再分析

在满足地质任务前提下,为使三维地震勘探观测系统排列片设计更加高效、便捷,本文提出一种确定排列片尺寸和横纵比的方法。以排列片中心为原点建立直角坐标系,以空间坐标（x,y）为自变量,以设计论证的最大炮检距为半径画圆,落在圆内检波点为有效信息,落在圆外检波点为无效信息;以有效信息和无效信息及其相对变化信息为因变量,计算出有效信息和无效信息等因素随空间坐标位置变化的函数关系;空间坐标决定了三维排列片长宽和比例,即排列片尺寸和横纵比;生成排列片横纵参数选择的量板和表格。该方法便捷、灵活,可供在三维地震采集设计中参考。     

屋脊齿破岩生成岩屑特性研究

为了更加深入研究屋脊齿破岩机理,完善屋脊齿在生成岩屑方面的相关理论,采用试验与数值模拟相结合的方法,从屋脊齿破岩机理的角度,研究岩屑生成过程、切削参数(切削深度、后倾角)对岩屑质量分数的影响和岩屑粒径分布的规律。研究结果表明:屋脊齿破岩生成岩屑可分为屋脊齿楞脊结构接触岩石、楞脊结构吃入岩石内部造成预破碎、屋脊齿2个斜面及齿刃轮廓剪切岩石3个阶段,并且随着屋脊齿对岩石的周期性破坏,岩石内部裂纹扩展到岩石表面形成岩屑; 切削深度与岩屑粒径、大块岩屑质量分数占比呈正相关; 后倾角存在最优解,且最优解与由机械比功和屋脊齿侵入能力共同决定; 粒径分布符合Rosin-Rammler分布函数,且切削参数的变化不影响岩屑粒径分布规律,其相关系数均大于0.95。研究成果是对屋脊齿破岩机理的完善,为今后脊形金刚石钻头的优化设计提供理论参考。     

PDC钻头性能的二维模拟

介绍了PDC钻头性能模拟的试验基础及原理。所编制的模拟软件可为PDC钻头的设计方案提供模拟结果和性能评价依据，其主要功能为：1．计算切削齿的各种参数，如切削力、切削体积、切削功率；2．计算切削齿的磨损体积、磨损高度；3．计算钻头不平衡力的大小和方向；4．模拟钻头的钻进特性曲线；5．模拟切痕断面形状及井底剖面形状；6．预测钻头的工作指标。应用该软件对一只使用过的PDC钻头性能进行模拟，分析了主要模拟结果，并将该钻头各切削齿研磨面积的实测结果与模拟结果作了对比，两者的分布规律基本吻合。