单牙轮钻头轴承载荷测试与分析

用带传感器的试验用单牙轮钻头，在改变轴倾角、钻压和转速的条件下进行钻头轴承载荷的台架试验，得到动载荷系数、轴向力、径向力、周向力、扭矩和牙轮传动比等数据。对实测和计算数据的分析表明，单牙轮钻头的动载荷系数基本不随钻压、转速和轴倾角变化，并且比三牙轮钻头低；轴向力和径向力随钻压的增加而增加，且受轴倾角的影响；周向力随扭矩的增加而增加；牙轮传动比小于１，基本不受钻压和转速的影响，但与轴倾角有关。有限元分析表明，轴承内部存在三个应力集中区域。     

小尺寸单牙轮钻头轴承设计研究

目前,在我国单牙轮钻头的结构设计还没有标准系列,因此本文应用有限元法,建立了小尺寸单牙轮钻头轴承的力学模型,并推导出了轴承与牙轮接触区域的分布载荷p(θ)的具体表达式,突破了常规的集中载荷法的钻头轴承设计。文中所建立的有限元力学模型,可对轴承内部的应力进行详细地分析,并能确定出轴承内的危险点及危险区域,为轴承强度设计提供理论依据。同时文中给出了轴倾角β=30°时,小尺寸单牙轮钻头结构尺寸系列及其相应的屈服钻压和设计钻压。     

三牙轮钻头传动比的测试实验及分析

用两种不同类型的三牙轮钻头在不同钻压和转速的条件下对两种不同性质的岩石钻进，测试各牙轮的传动比。发现各牙轮的传动比总是稳定在某一系列数值或在其间发生“阶跃”波动。经分析得出，牙轮钻头的传动比主要取决于各牙轮上某一齿圈并与井底模式有必然的联系，钻头转速对传动比基本上不发生影响，而钻压与岩石性质对传动比有一定的影响；铣齿钻头中各牙轮的相互影响较突出，镶齿钻头中各牙轮的相互影响不明显。     

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。     

单牙轮钻头钻进过程的计算机仿真

通过建立数学模型的方法对单牙轮钻头与岩石的互作用运动进行仿真,仿真结果不能完全准确地反映单牙轮钻头钻进的实际情况和破岩细节。鉴于此,笔者采用线性Drucker-Prager模型模拟岩石材料,并考虑岩石损伤以及钻头与岩石之间的随机接触,通过ABAQUS有限元分析软件建立了单牙轮钻头钻进过程的非线性动力学模型,对单牙轮钻头在破岩过程中的运动规律及力学性能进行了探讨,分析了不同岩石材料和不同钻压情况对单牙轮钻头钻进性能的影响,得到了钻头传动比及牙轮转速。仿真结果可为单牙轮钻头的设计提供依据。     

几何因素对牙轮钻头传动比的影响

在模拟钻井工况下，对由三排齿圈组成的实验牙轮，采用正交实验方法研究齿圈位置、各圈齿数和牙轮移轴距等诸因素对牙轮钻头传动比i值（牙轮转速／钻头转速）的影响。经分析得出：无齿（实际上相当于齿数为无穷大的极限情况）牙轮钻头的传动比是牙轮钻头传动比的最大值。随着牙轮各齿圈齿数的减少，i值下降，其中最外圈齿数影响最大，第二圈次之，第三圈齿数影响很小。当钻头基值和牙轮外形一定时，随着主锥上的齿圈向副锥上的齿圈靠近，i值下降；随着移轴距增大，i值增加。     

牙轮钻头传动比的计算模型

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（78）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。由该模型计算的牙轮钻头传动比值与实测值较接近。牙轮钻头传动比计算模型的建立，为牙轮钻头破岩机理分析及轴承设计提供了一定的理论依据。     

��ʽ��������ͷ̨�������о�

章简要介绍了盘式单牙轮钻头的结构特点及工作机理，阐述了盘式单牙轮钻头台架试验的方法、目的及意义，对两种φ165.1mm盘式单牙轮钻头的台架实验数据进行了分析处理，得到了在不同钻压和机械转速下盘式单牙轮钻头的台架试验结果，找到了钻压与机械转速之间的关系，为盘式单牙轮钻头的设计及在中硬及软地层中的应用提供了实验依据。     

单牙轮钻头动力学研究

单牙轮钻头是小井眼钻井的重要工具。对单牙轮钻头在井底工作过程中的受力进行了分析,在此基础上建立了单牙轮钻头所受阻力矩计算模型,该模型反映了钻压、钻头尺寸、岩石性质等因素对阻力矩的影响。建立了单牙轮钻头动力学基本方程,该方程真实描述了钻头的受力与运动情况,即钻压越大,钻头阻力矩则越大,钻头转速则越低;反之,钻压越小,钻头阻力矩也越小,钻头转速则越高。单牙轮钻头的阻力矩计算模型和动力学基本方程对小井眼钻井中的钻柱设计具有重要的参考价值。     

冲旋钻头边齿力学分析及倾角设计

文章通过对钻头边齿的力学分析,找出了危险点。明确了牙齿最可能的破坏不是受压或受拉破坏,而是剪切破坏。分析了危险点的应力与钻头边齿倾角的关系,确定了合理的边齿倾角设计范围是30°～45°。在冲击力较小的情况下可放宽到20°～50°;在冲击力较大的情况下可缩小到35°～40°,为科学设计冲旋钻头边齿倾角提供了理论依据。初步实验结果表明,按照上述准则设计的冲旋钻头寿命得到了有效地提高。     

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。     

单牙轮钻头的发展前景研究

分析单牙轮钻头的优越性，解决目前钻业面临的问题，方法研究了单牙轮钻头的侧切削特性，单牙轮钻头和弹塑性地层的相互作用及单牙轮钻头的热应力分布，分析了钻头结构，地层岩石特性及钻井工艺参数等因素对单牙轮钻头性能的影响。     

球形单牙轮钻头井底凿岩轨迹

针对球形单牙轮钻头的结构和运动特点，建立复合圆柱坐标系统，并完整地给出这种钻头的几何学和运动学基本方程。在此基础上以模形齿为对象研究了单牙轮钻头井底凿岩轨迹的形成，并建立了井底轨迹图仿真软件。应用仿真软件得出钻头不同的几何参数、运动参数及不同齿面结构凿岩的井底轨迹图。通过与一只实际钻头凿岩模式相比，所得理论井底轨迹图与实际钻头凿岩井底模式非常吻合。     

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。     

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。     

81／2XHP2S—1和81／2HP2型牙轮钻头传动比及机械钻速的试验研究

介绍了在室内钻头试验台架上用资中砂岩和嘉一灰岩对８１／２ＸＨＰ２Ｓ—１型和８／２ＨＰ２型三牙轮钻头所进行的大量试验。试验中，通过数据采集和数据处理系统测出了这两种钻头钻进时的钻压、扭矩、传动比和机械钻速。试验结果表明，钻头的机械钻速与传动比、齿面结构、岩石性质及钻井参数有密切的关联，为改进这两种钻头的设计提供了重要依据。     

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。     

高压水射流PDC钻头结构参数数值模拟研究

以中硬细砂岩为岩石材料,应用动态有限元法对高压水射流PDC钻头参数做了数值模拟研究。得出如下结论:(1)高压射流入射角对不同岩层存在最优值,对于中硬地层细砂岩最优入射角为40°;(2)PDC钻头钻进中钻齿所受扭矩随作用半径增大成指数规律增长,在硬地层钻进钻齿前倾角为-15°时破岩效果最佳;(3)采用直径1.8mm的高压小喷嘴射流能显著改善PDC钻头钻齿受力,避免钻齿冲击破坏,延长钻头寿命;(4)高压水射流与机械齿联合破岩时,喷嘴与钻齿相对位置对破岩效果有显著影响,喷嘴处于钻头外锥时,可均化钻齿受力,提高破岩效率。