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。     

单牙轮钻头布齿方案的综合评价

在给出单牙轮钻头对井底的切削均匀性和覆盖率定义的基础上，以切削均匀性和覆盖率为衡量单牙轮钻头切削效果的依据，探讨了不同布齿方案的优劣。为此建立了综合评价不同布齿方案的欧氏距离评价原则，并按这一原则对直径为２１６ｍｍ、共设置３０枚楔形齿的单牙轮钻头的四种不同布齿方案作了综合评价。按所作的分析和综合评价结果可得出如下结论：（１）单牙轮钻头对井底的切削均匀性和覆盖率是检验牙齿分布设计是否合理的两个重要指标；（２）可用欧氏距离评价原则对牙齿分布进行优化设计；（３）圈状螺旋布齿方案显著优于两种困状辐射布齿方案，也优于螺旋状布齿方案。     

牙轮钻头牙齿受力研究

系统分析了牙轮钻头破岩过程中的受力和运动状态,给出牙轮钻头在运动过程中牙齿是否触底的判据后,研究了触底牙齿与井底岩石之间的作用规律。     

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。     

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。     

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。     

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。     

牙轮钻头齿圈布置设计分析

齿圈布置是牙轮钻头设计的一个重要内容,对牙轮钻头的工作性能和破岩效率有很大影响.本文在牙轮钻头运动学基础上研究了齿圈布置与井底破碎之间的关系,建立了系统地进行齿圈布置设计分析的新方法.根据牙齿在井底的运动分析,对钻头各圈牙齿在井底的滑移进行了定量的分析计算和各圈牙齿在井底径向平面内的运动轨迹所形成的包络线,作出了井底径向破碎图,它改进了传统的井底击碎图,可直观地反映移轴距和牙齿径向滑移对井底径向破碎的影响;建立了井底破碎环带划分和各齿圈单齿破岩量计算的新方法,指出齿圈布置设计,应尽可能均衡钻头各齿圈的单齿破岩量.这对牙轮钻头布齿设计具有重要指导意义.     

牙轮钻头牙齿滑移量规律的仿真研究

通过计算机编程与仿真得出钻头主要结构参数的改变对井底牙轮钻头牙齿运动轨迹和滑移量的影响,并作定量对比分析。根据牙轮钻头几何学、运动学基本方程建立牙轮钻头几何学、运动学仿真模型,编写牙轮钻头牙齿运动轨迹程序。研究结果表明,当其它参数不变时,牙齿井底滑移量随轮底中心臂长C的增大而增大,随钻头外径D的增大而减小,移轴距S对牙齿滑移量的影响不明显;运用井底牙齿轨迹仿真方法能方便地得到井底牙齿滑移量的定量值,避免了通过速度计算得出牙齿滑移量的大量繁琐计算,也大大改善了牙齿滑移量对比分析的不直观性。     

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。     

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。     

关于牙轮钻头齿顶线方向问题的讨论

牙轮钻头齿顶线往往和牙轮锥面母线方向一致。国内外有些公司的做法是把齿顶线偏转,使之与刮切方向垂直以增大刮切岩石的面积和体积,但触底齿在井底的刮切方向变化多端,确定牙齿的刮切方向并非易事。鉴于此,探讨牙轮钻头齿顶线方向问题,得出3点结论(1)牙轮钻头牙齿齿顶线与它在井底的横向刮切方向的夹角对牙齿受力和破岩体积有直接影响,齿顶总是沿牙轮锥面母线方向是不妥的;(2)准确计算牙轮瞬时角速度,从而算得牙齿瞬时刮切距离,累计得到其总的刮切距离的方向,据此确定齿顶线方向,此思路正确;(3)用牙轮的平均角速度求得触底齿的平均刮切速度方向,从而确定齿顶线方向,在尚不能准确计算瞬时角速度的现状下,此做法比较稳妥。     

单牙轮钻头楔形牙齿偏转角优化方法

为了解牙齿偏转角对单牙轮钻头破岩效率的影响,获得最优的牙齿偏转角,结合单牙轮钻头的运动特性和牙齿的工作特点,采用数值分析方法进行了楔形牙齿刮切破岩模拟,并建立了单牙轮钻头楔形牙齿偏转角优化方法,同时开展了不同楔形牙齿偏转角单牙轮钻头的破岩试验。数值分析表明:刮切破岩过程中,单牙轮钻头楔形牙齿的工作面和刮切体积在不断变化;楔形牙齿偏转角优化方法能准确、快速地计算楔形牙齿刮切体积,找出最优的偏转角;优化计算发现楔形牙齿的最优偏转角都在90°附近。破岩试验结果验证了楔形牙齿偏转角优化方法的可行性和计算结果的准确性。研究结果表明,利用单牙轮楔形牙齿偏转角优化方法,可以求得单牙轮钻头楔形牙齿的最优偏转角,可以为单牙轮钻头布置楔形牙齿提供指导。