牙轮钻头横向振动动力学仿真模型

为探寻在实际钻井过程中钻头的运动轨迹和与井壁碰撞时撞击力的变化规律,利用有限元方法,建立钻柱横向振动的有限元动力学模型,并在考虑钻头－岩石互作用力学模型的基础上,建立了钻头横向振动动力学仿真模型,通过实验及相关数据得到预测钻头与井壁碰撞时撞击力大小的计算公式。根据所建模型及仿真过程,编制了牙轮钻头横向振动的仿真程序。对８ＸＨＰ２Ｓ钻头的仿真结果表明,钻头与井壁的最大碰撞力可达１５７ｋＮ,这对于钻头的运动规律及工作性能均有影响,是造成钻头破坏的一个可能的原因。     

牙轮钻头纵向振动动力学仿真模型的建立

牙轮钻头的纵向振动对钻井过程的影响很大，也是造成钻柱振动的直接原因。在3点假设和简化条件下，利用钻柱动力学有限元模型的数值计算方法，建立了钻柱振动的有限元模型；在考虑钻头一岩石互作用力学模型的基础上，建立了钻头纵向振动动力学仿真模型，共叙述了具体的仿真过程。通过仿真计算可以预测钻头的动钻压及进尺。对81/2XHP2S钻头的仿真结果表明，钻头的动钻压可以达到钻压的2倍以上，较好地反映了钻头的动力学特性。     

钻柱—钻头—岩石系统动态行为仿真

利用单齿压入与刮切岩石实验建立了钻头与岩石互作用力学模型,实现了对钻头在钻井过程中工作行为的仿真计算;建立了基于研究钻柱—钻头—岩石系统动态行为的动力学模型,可以对钻井过程中钻压、扭矩、转速等参数的动态变化过程进行计算机仿真研究。从仿真结果可以看出,钻头在钻井过程中由于牙齿在井底的交替吃入以及井底本身的凹凸不平造成钻头在井底的纵向振动,其钻压的振幅一般为平均钻压的30%左右;同时,由于钻头在井底的刮切作用造成了钻头转速以及扭矩的变化,转速的变化相对来说较为平缓。该动力学模型能较好的描述钻柱—钻头—岩石系统的动态行为,对于新型钻头的设计以及钻井力学研究都有着较好的指导意义。     

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。     

牙轮钻头动力学特性仿真研究

研究了钻井过程中钻柱、钻头、岩石相互作用下的牙轮钻头动力学特性.根据汉弥尔顿原理和有限单元法,建立了全井钻柱纵向、横向扭转耦合振动动力学模型.在大量单元实验的基础上,建立了牙轮钻头与岩石相互作用力学模型.从系统动力学的角度出发,建立了基于钻柱、岩石相互作用下的牙轮钻头动力学模型.研究了牙轮钻头非线性系统模型的数值求解方法,编制了钻头动力学特性仿真分析软件,在不同钻井操作参数、钻具(钻柱、钻头)几何参数、地层性质条件下,对牙轮钻头动力学特性进行了仿真.明确了钻井过程中井下钻柱及钻头的运动规律、动力学特性、失效机理,为科学合理地预测和控制井眼轨迹提供了理论依据和技术手段.     

牙轮钻头牙轮动力学特性的计算机仿真

分析了牙轮及牙齿的运动和受力情况,在一定假设的基础上建立了牙齿运动和受力、牙轮扭矩、角速度和角加速度的仿真模型。根据牙轮运动和受力互为因果关系这一事实,提出了牙轮动力学特性的计算机仿真实验方法,并对多种牙轮钻头和岩石进行了仿真实验。计算机仿真实验结果与台架实验结果吻合良好。由于不需要假设牙轮的具体运动,也不需要根据上一仿真步骤中钻头与岩石的互作用力来考虑下一仿真步骤中钻头牙轮的运动,该方法可使牙轮钻头工作行为的仿真更加符合实际情况。     

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。     

钻柱纵向振动仿真分析

国仙外在研究钻柱振动时都把钻柱下端当作铰支,假设激振源为周期性的,偏离实际。从建立符合实际的下端边界条件入手,着重研究了钻柱的纵向振动。用有限单元法,求出整体质量、整体刚度,整体阻尼矩阵采用的是比例阻尼矩阵,利用牛顿法得到钻柱的振动方程,另外通过钻头与岩石的相互作用模型得到了起初的钻柱下端边界条件,并利用Ｈｏｕｂｏｌｔ数字解法模型求解了振动微分方程。根据上述模型编制了用于分析钻柱纵向振动的计算机仿     

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。     

牙轮钻头侧向切削的计算机仿真

系统地分析了牙轮钻头与井壁相互作用过程,建立了牙轮钻头运动仿真模型。对钻头的横向运动,井壁模式的形成和发展过程进行了详细的分析;探讨了牙轮钻头侧向切削机理;建立了描述牙轮钻头侧向切削过程的仿真模型和计算机仿真程序。 采用该程序可以对不同结构的钻头在不同钻井条件下,钻头的侧向切削能力、井眼偏移程度和井眼轨迹作出相应比较和判定。     

牙轮零件产品定义系统的研究

产品定义系统的集成保证了各种信息在零件设计制造过程中的高效利用，建立统一的零件信息模型正是ＣＡＤ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ系统集成的关键。目前普遍采用的产品定义系统大多是针对常规回转类零件的，对形状不规则的复杂零件还未能形成一套通用的描述方式。本文在详细研究牙轮外形的基础上，提出了对复杂专用零件进行特征提取的方法，对这类零件建立了相应的数据模型，实现了零件信息的交互与集成。     

三牙轮钻头牙爪应力分析

用有限元法对某型三牙轮钻头的２号牙轮－牙爪进行了静力计算，求得不同轴承间隙时牙爪轴颈及止推面上的接触应力分布规律。大轴颈上接触面法向应为沿轴线分布不均匀，靠近根部应力最大，沿轴颈轴线方向逐渐减小，但在卡簧槽边处又升高；小轴颈上应力比大轴颈小。在钻压加扭矩共同作用下，牙爪轴颈和止推面上的压应力分布不对称，接触区域发生偏移，止推面上接触区偏移较多。轴承间隙对轴颈应力的影响大于对止推面应力的影响。     

钻柱轴向振动仿真与井底状态监测方法探讨

在钻柱轴向振动的研究中 ,为了弥补先前的变量分离法和有限单元法存在的不足 ,提出了广义传递矩阵法。根据钻柱结构、受力和运动特性 ,建立了适合任意钻柱组合 ,且能真实反映钻柱系统的轴向振动的计算机仿真模型。引入描述钻柱轴向振动特性的广义状态向量 ,可简化复杂的工程计算问题。针对不同的测量方法 ,可仿真钻柱不同截面与不同功用的振动量。实现的两种仿真方案中 ,方案 (1)可用来优选钻头、优化设计钻具组合和优选钻井参数 ;方案 (2 )可用来随钻监测井底工况、井底岩石性质和钻头工作状态     

牙轮钻头滑动轴承磨损的计算机仿真

在美国Ｍａｒｓｈｅｋ和Ｃｈｅｎ提出的理论基础上，详细分析了牙轮钻头滑动轴承在不对中情况下与牙轮接触的情形，并采用新的确定两体接触区域的方法，在考虑而体之间摩擦的情况下推导了轴承间隙的一般表达式。通过计算机上运行所编制的仿真模型可以得到任意时刻轴承系统的工作状态、轴承副各部位的接触应力和线性磨损量。用该仿真模型可预测轴承系统寿命和改进轴承结构参数，从而可提高轴承系统的使用寿命。     

钻柱振动问题及其理论研究进展

概述了钻柱振动问题及其理论研究进展情况以及钻柱振动问题的基本现象、概念、特点和意义，指出了钻柱振动对钻井过程所带来的严重危害及其产生的主要根源和预防措施，并客观地分析了钻柱振动可为利用的另一面。文中从钻柱运动的状态、环境和受力状况着手，分别列举了研究钻柱纵向振动、横向振动、扭转振动较为典型的方法和数学模型，介绍了影响钻柱振动的几个关键因素。最后，扼要地阐述了国内外有关钻柱振动及动力学问题研究的历史及现状。     

基于钻井数据反演的牙轮钻头与岩石互作用仿真

通过建立牙齿的简化破碎坑模型和牙齿微面上的受力模型来模拟牙轮钻头与岩石的互作用,由破碎坑半锥角θ和力-压入系数k共同反映钻头结构、钻井参数以及岩石性质等因素的综合影响。根据现场钻井数据,采用误差梯度下降算法结合计算机仿真技术来反演这2个模型的参数值,并使用反演得到的参数值,进行钻进过程的计算机仿真致效,所得钻头的仿真钻进曲线和机械钻速与实际钻井十分吻合。研究结果表明,基于钻井数据反演的牙轮钻头与岩石互作用仿真方法,可以通过相对简单的模型求得更加准确的结果。     

单牙轮钻头滑动轴承组接触应力分布研究

为了提高单牙轮钻头滑动轴承的使用寿命 ,采用有限元软件对其轴承组的接触应力分布进行了研究。得出结论 :(1)接触应力的大小与轴承组的磨损情况直接相关 ,通过降低轴承组的最大接触应力及使接触应力的分布更合理可改善其磨损 ;(2 )钻头的最大接触应力出现在止推面 ,在保持牙轮和牙爪止推面垂直度接近的前提下 ,尽量同步减小其垂直度可降低最大接触应力 ;(3)止推面接触应力呈明显的上大下小的阶梯分布 ,适当增加小轴颈的直径 ,可使止推面接触应力分布更均匀 ;(4)调整牙轮止推面和小轴孔之间的倒角可降低倒角处应力 ;(5 )只有合理的轴倾角才能使外载荷的合力方向垂直向上 ,以避免钻头过大摆动而影响钻进。