空气钻井潜孔钻头本体与钻齿的过盈分析

潜孔钻头是空气钻井中一种重要的破岩工具,钻齿镶嵌过程中的过盈量直接影响钻齿与钻头本体的接触强度.文章以(φ)311.1mm潜孔钻头用(φ)19mm钻齿为研究对象,建立了钻头本体与钻齿过盈配合的力学模型,并进行计算机模拟仿真.通过对过盈量分别为0.01、0.02、0.04、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1mm时钻齿与钻头本体的接触分析可知,过盈量小于等于0.07mm时,钻头本体均为弹性变形;当过盈量为0.08mm时,钻头本体接触区域局部开始发生塑性变形;当过盈量达到0.1mm时,钻头本体沿齿眼的应力值接近材料的强度极限.根据分析结果并考虑塑形强化的影响,推荐(φ)311.1mm潜孔钻头(φ)19mm钻齿的安装过盈量为0.07～0.08 mm.论文的研究工作为空气钻头钻齿的科学装配提供了理论依据.     

三牙轮钻头牙轮齿孔表面装配应力测试分析

采用应力电测法对三牙轮钻头牙轮齿孔表面装配应力进行了实际测试 ,测试结果表明 :单齿压入时 ,齿孔变形将受到牙轮纵横向刚度差异的影响 ,在一定过盈量情况下 ,齿孔变形呈椭圆趋势 ;随着过盈量的增加 ,齿孔孔表的周向应力和径向应力将全部变成拉应力 ,这是导致齿孔产生裂纹的重要因素 ;邻孔压齿对测试孔装配应力有明显的影响 ,影响程度与齿孔距有关 ;齿孔计算模型以及牙轮设计和加工过程中 ,必须考虑牙轮纵横向刚度以及邻孔压齿的影响。     

球面整形器硬质合金齿过盈配合有限元分析

为改善球面整形器质量,提高固齿强度,建立了球面整形器本体齿孔与硬质合金球面齿过盈配合的有限元力学模型。针对几种不同过盈量配合状态,采用有限元软件ANSYS进行了过盈配合的仿真计算。结果表明,球面整形器本体与硬质合金球面齿在过盈量分别为0.02、0.04、0.06、0.08、0.10 mm时,齿孔上最大Von M ises应力值成正比增加,并由此确定了合理的设计过盈量,为球面整形器的设计提供了理论依据。     

空气锤钎头齿孔过盈配合数值模拟研究

传统方法在研究空气锤钎头齿孔过盈量问题时大都是针对单个齿孔进行的,而且对模型进行了过度简化,没有考虑钎头本体的复杂几何外形和相邻孔间应力的相互影响,无法得出整个钎头体上的应力分布。为此,分别用弹塑性力学方法和有限元方法对齿孔在不同过盈量下的应力分布情况进行了计算。结果表明,弹塑性分析与有限元分析结果一致,钎头中心齿齿孔过盈量取0.05～0.06mm、边齿齿孔过盈量取0.06～0.07mm时较合理,弹塑性力学方法的计算值比较保守,但仍有重要的参考价值。利用ANSYS软件对钎头齿孔过盈配合进行有限元计算,是改进齿孔设计的有效方法,此方法也可用来分析PDC钻头和牙轮钻头齿孔过盈配合问题。     

潜孔钻头本体三维弹塑性有限元分析

以QF-Ⅱ型潜孔钻头为原型,应用有限元分析软件ANSYS阐述了潜孔钻头本体结构的有限元模型建立、网格划分、材料的本构关系、边界条件的处理等相关问题,对不同牙齿过盈量时钻头本体应力的分布情况进行了模拟研究,并得出了相应的Von mises应力分布图,为合理进行潜孔钻头本体结构设计提供了依据和校验方法.     

提高固紧牙轮钻头齿的途径

造成牙轮钻头硬质合金齿先期脱落的原因是工作期间固紧力的逐渐减弱,防止掉齿的关键就在于提高齿在齿孔材料的弹性状态下的固紧力。作者从分析齿在齿孔处于弹、塑性状态下的应力应变状态着手,提出一种提高齿孔在弹性状态下固齿力的方法—预应力措施。实现这种方法的工艺措施是挤压。     

三牙轮钻头镶齿结合面微动磨损及承载能力研究

作者认为:镶齿三牙轮钻头的齿柱实际上是一与盲孔过盈配合的悬臂梁。文内对受载情况下的柱齿及齿孔进行了应力分析和刚度分析;推导出齿、孔不脱开的条件,即最大径向承载能力的计算公式。作者又在刚度分析的基础上对微动腐蚀磨损而引起掉齿的失效机理进行了探讨,并由此提出了一些改善固齿工艺的新途径。     

套管钻井专用钻头试验研究

在分析套管钻井技术存在钻头单井成井率难点的基础上,简要介绍了Ф339．7、Ф273．1mm表层套管钻井钻头（镶齿固定式和延展胀开式钻鞋）、Ф244．Ф244.5mm技术套管钻井钻头（铰接胀开式钻鞋镶齿固定式和延展胀开式钻鞋）和Ф177．8mm油层套管钻井钻头（钢体PDC钻头）的结构、原理、技术特点和技术参数。详细叙述了Ф339．7、Ф273．1mm表层套管钻井钻头和Ф177．8mm油层套管钻井钻头的单元试验和现场试验情况。结果表明,大庆油田研制的套管钻井专用钻头可以满足现场应用要求。     

牙轮钻头镶齿结合面应力分析的边界元法

应用二维弹性问题边界元法的基本理论，对过盈配合结合面间的应力状态进行了分析，用分块子矩阵的形式推导出相应的系统方程。以牙轮钻头镶齿过盈配合结合面间的应力状态分析为实例，编制了相应的过盈配合通用计算程序。计算结果表明，应用边界元法得到的牙轮钻头镶齿和孔之间的应力和位移的数值解与弹性力学的解析解相当接近。     

基于温差法的齿轮与轴过盈配合分析

基于温差法过盈装配过程,建立了齿轮与轴的过盈装配有限元模型,分析了过盈配合后的等效应力、接触压力、剪切应力和位移量,并讨论了过盈量、摩擦因数和齿轮内孔倒圆角对过盈配合的影响。研究结果表明,齿轮和轴的应力和应变存在边缘奇异性,齿轮的最大等效应力和最大位移发生在距端部约1 mm处,轴的最大剪切应力发生在接触表面内2 mm处;过盈量与组件的应力和应变呈近似线性关系;摩擦因数不影响过盈配合后的应力、应变;当齿轮内孔倒圆角半径为1 mm时,可以明显地改善边缘奇异性。     

固齿工艺试验

文章在分析了影响固齿强度的几项因素的前提下,对镶齿进行了X光测应力、镶齿和加载电测以及台架等试验。重点总结了镶齿和加载过程中孔口周围的应变规律,对比了不同材料、不同过盈量对固齿强度的影响。     

潜孔钻头端面切削齿载荷仿真研究

为使潜孔钻头布齿更加合理及为钻头结构改进提供理论依据,达到提高潜孔钻头破岩效率、延长其使用寿命的目的,需要了解潜孔钻头端面切削齿的载荷分布。为此,建立了平面、凸面和凹面3种端面形式的潜孔钻头三维模型,以显式动力分析软件ANSYS/LS-DYNA中常用的H-J-C模型为材料模型,并利用H-J-C模型中的等效屈服强度、压力、积累损伤等函数对潜孔钻头的破岩过程进行仿真,分析不同齿圈上切削齿的载荷状态,并将切削齿载荷分解到轴向、径向及切向3个方向,运用控制变量的方法对3种不同端面形式潜孔钻头的切削齿进行力学分析。研究结果表明:凹面潜孔钻头的轴向载荷峰值最大且径向载荷峰值最小;潜孔钻头切削齿载荷的主要差别在边齿及其相邻齿圈的切削齿上,与其余齿圈上的切削齿关系不大;潜孔钻头边齿的载荷最大,易损坏。模拟结果可为切削齿的选择、切削齿的分布及潜孔钻头的结构设计提供依据。      

石油井下套管开孔钻头设计及试验研究

以水射流钻深穿透径向孔技术中的井下套管开孔钻头为研究对象,针对N80套管开孔钻削技术进行了系统研究。通过分析N80材料切削特性、实际钻削工况、目前国内常用钻头刃型和刀片材料,设计了一种多刃错齿开孔钻头,并对该开孔钻头做了切削性能试验,得到了适用于石油井下套管钻削开孔的合理切削用量和合理几何参数。最后进行了多刃错齿开孔钻头模拟实际工况(钻头与柔性万向节软轴连接、垂直入钻)的钻削验证试验。试验结果表明,多刃错齿开孔钻头定心可靠,钻削平稳,分屑完全、可靠,排屑顺畅,能够满足石油井下套管开孔的要求。     

牙轮钻头轴承套装配应力有限元分析及试验

应用弹性力学理论对新型牙轮钻头的轴承套过盈配合进行受力分析,指出该方法具有局限性。采用ANSYS有限元分析软件和接触问题的有限元法,对新型牙轮钻头轴承套的装配进行仿真研究,确定了装配过盈量的最佳值。通过试验验证了理论分析的正确性和结构改进的可行性。     

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。     

PDC-孕镶块混合齿钻头同轨布齿出露高差试验优选

PDC-孕镶块混合齿钻头具有破岩效率高和使用寿命长的双重优点。设计了一种前排PDC齿与后排孕镶块同轨布置的混合齿钻头进行破岩实验,探究PDC齿和孕镶块不同出露高差对破岩效率的影响,并与常规双排齿PDC钻头进行了对比。试验结果表明,当前后排齿出露高差小于1 mm时,双排齿PDC钻头破岩效率高于混合齿钻头破岩效率;当出露高差大于1 mm时,混合齿钻头破岩效率高于双排齿PDC钻头。用经过出露高差优选的全尺寸混合齿钻头和常规PDC钻头进行现场试验,结果表明混合齿钻头的平均机械钻速比常规PDC钻头的平均机械钻速提升了41.9%,单只进尺提高了36.9%。混合钻头取得了较好的现场试验效果,并为PDC-孕镶块混合齿钻头的设计提供了充分的依据。     

液动潜孔锤在煤矿井下穿层孔钻进中的应用

在乌兰矿利用常规回转钻进工艺施工穿层孔过程中,钻遇硬岩及软硬夹层时,遇到了钻进效率低下问题以及钻孔跑偏现象。将液动潜孔锤应用于煤矿井下穿层孔钻进施工中,使用潜孔锤与球齿钻头的钻具组合,效率较常规回转钻进工艺提高不明显,之后尝试使用了潜孔锤与胎体式冲击型复合片钻头钻具组合,效率较常规回转钻进工艺提高240%,钻孔偏斜也大幅降低。对液动潜孔锤钻进工艺参数进行了分析和计算,并给出了合理的参数匹配建议。     

牙轮壳体应力分析

采用温度模拟镶齿过盈配合所产生的初应变，在微机上使用ALGOR有限元法软件计算了镶齿在牙轮壳体上产生的初应力分布，同时也对钻头在不同触地齿数目条件下工作时牙轮壳体上的应力和牙齿的受力进行了分析。     

山前构造砾石层大尺寸钻头优化设计及现场试验

塔里木盆地天山南探区为山前构造,钻井地质环境复杂,3 000 m以浅地层含有大段砾石层,可钻性差。为此,在深入分析砾石层物性特征的基础上,有针对性地设计了适合于砾石层的660.4和444.5 mm牙轮钻头和适合于微砾石层的444.5 mmPDC钻头。设计牙轮钻头时,通过优化钻头齿高、齿长及齿顶宽,调整布齿密度,及采用螺旋式双稳定掌背、滚滑复合轴承、中心喷嘴和中长喷嘴等方式,以增强钻头的攻击性,提高钻进效率和工作的稳定性;设计PDC钻头为7个喷嘴,采用耐磨性和抗冲击性较好的19.0 mm复合片和中低布齿密度、肩部双排齿结构、加强保径,以期在较低钻压下提高钻头的破岩效率。设计的3种钻头在天山南探区库2井一开、二开井段进行了现场试验,结果表明:与邻井实钻数据相比,660.4 mm牙轮钻头钻速和单只钻头进尺分别提高84.62%和445.04%,444.5 mm牙轮钻头和PDC钻头的钻速分别提高46.15%和128.85%。在大北、克深两地区3口井的推广试验结果也表明,660.4 mm牙轮钻头可大幅提高机械钻速、节约钻时。综合分析各试验井数据认为,设计的3种钻头适合于在山前构造探区砾石层钻井,且提速提效明显。      

双头单螺杆泵定转子啮合转动仿真研究

为了提高双头单螺杆泵的工作效率和使用寿命,研究了结构参数对其工作效率及使用寿命的影响。基于橡胶Mooney-Rivlin双参数模型理论,考虑橡胶衬套材料具有非线性变形特性、内压及转子惯性对橡胶衬套的作用,建立了双头单螺杆泵一个导程的定转子三维啮合模型,分析了过盈量、偏心距对螺杆泵定子衬套应力和摩擦阻力矩的影响。数值模拟结果显示,偏心距选择7.5 mm时,过盈量由0.2 mm增加到0.6 mm,螺杆泵摩擦阻力矩从88.52 N·m增大到466.51 N·m,衬套应力峰值由1.4 MPa增加到1.8 MPa;而过盈量取0.4 mm时,偏心距由7.3 mm增大到7.5 mm,摩擦阻力矩从240.00 N·m仅增加到264.77 N·m,衬套应力峰值由1.28 MPa增加到1.62 MPa。这表明,合理搭配过盈量和偏心距可以提高螺杆泵的工作效率和使用寿命,为螺杆泵设计及结构参数优化提供了理论依据。