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。     

单牙轮钻头传动比测试与分析

单牙轮钻头的牙轮转速与钻头转速之比（传动比）是研究和设计钻头的重要参数。笔者在钻头试验台架上测试了单牙轮钻头的传动比。为了解不同轴倾角β对传动比的影响，分别设计了具有１５°、３０°和４５°轴倾角的牙爪，并作了测试与分析，获得了单牙轮钻头传动比的一些规律。由实验获知，轴倾角β和岩石性质等对传动比均有影响，还证实了单牙轮钻头传动比ｉ始终小于１，此特点为研制与井下动力钻具相匹配的钻头提供了新的途径。     

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。     

基于转动定律的钻头轮头速比仿真模型

在牙轮钻头的破岩过程中,影响牙轮转速的因素非常复杂,因此,研究牙轮钻头的轮头速比对岩石破碎机理研究和钻头设计都有重要的指导作用。总结了国内外以力矩平衡、最小功原理等为代表的几种牙轮钻头轮头速比模型的建模理论及其优缺点。通过分析台架试验数据,发现影响轮头速比的主要因素是外齿圈和次外齿圈的齿数、每颗触底齿与岩石的相互作用力、钻压及岩石的硬度。在此基础上,假设牙轮是对称结构、牙轮轴心线为牙轮中心惯性主轴,考虑影响轮头速比的钻头结构参数、钻压和岩石硬度等主要因素,建立了一种基于转动定律的牙轮钻头轮头速比仿真模型。采用数学回归方法对台架试验数据进行处理,求得了所建仿真模型的相关系数。对比分析发现,所建仿真模型的计算结果与台架实物试验结果相对误差较小,说明所建仿真模型可以用来计算实际钻头或仿真钻头的轮头速比,为牙轮钻头破岩机理分析和建立钻进仿真模型奠定了基础。      

齿圈组合对牙轮钻头传动比的影响

用不同结构的两排齿圈组成实验牙轮，采用正交实验法，研究传动比ｉ（牙轮转速比钻头转速）的变化规律。研究表明，传动比与某一齿圈及井底模式相关，一旦初始井底形成，牙轮在一段时间内将以某一齿圈为“主齿圈”，并以较稳定的传动比运动。随着主锥上的内齿圈向副锥上的外齿圈靠近，内齿圈成为“主齿圈”的机率增大。当牙轮外形一定时，传动比值主要取决于齿圈的位置、外圈齿数及移轴距。随着内齿圈向外齿圈靠近，传动比值下降；外     

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。     

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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。     

直井牙轮钻头碎岩功率研究

针对国内外现用计算钻头碎岩功率的经验公式不能完全反映功率与各参数之间的定量关系的现状，在考虑牙轮钻头和岩石各向异性的基础上，首先建立了牙轮钻头与岩石碎屑间的摩擦力所消耗功率和牙轮钻头破碎岩石所消耗功率的模型，综合两模型建立了更适用直井牙轮钻头碎宕功率的模型。由此模型可知：合理增加钻压、选择合理的转速和牙轮结构能提高牙轮钻头的碎岩功率，从而达到提高机械钻速的目的。这对实际的钻探工程来说具有十分重要的指导意义。     

三牙轮钻头轮体速比仿真模型研究

三牙轮钻头轮体速比对进行仿真研究，指导钻头结构设计、钻头选型等都起着关键性的作用。从理论上分析了三牙轮钻头的几何结构与牙齿受力的关系，确定牙轮存在一个主动齿圈，并结合最小功原理建立了求解轮体速比的模型，结合钻压以及岩石性质对轮体速比的影响，对该模型进行了修正。将钻头钻进砂岩时的台架试验牙轮/钻头速比实验值和利用模型计算所得牙轮/钻头速比计算值进行了对比，结果表明，该仿真模型能够有效地预测三牙轮钻头的轮体速比。     

单齿圈牙轮钻头轮体速比的计算机仿真

为进行整个牙轮钻头轮体速比的仿真研究，先研究了单齿圈牙轮钻头轮体速比仿真。借助钻头几何学、运动学和已建立的岩石与牙齿互作用力学模型，在一定假设的基础上建立了牙齿运动和受力、牙轮扭矩、牙轮角速度和角加速度等的仿真模型。用计算机程序模拟单齿圈牙轮钻头在给定岩石中的钻进过程，得到了单齿圈牙轮转速与钻头体转速的比值（轮体速比）的变化规律。接着用软件试验探索岩石、钻压、移轴距对单齿圈牙轮钻头轮体速比的影响。仿真软件试验结果与台架实物试验结果的比较证明，这种仿真方法是可行的。     

牙轮钻头牙齿破碎坑几何特征分析

用勺形齿和楔形齿在不同的钻压、钻头移轴距、钻头转速条件下破碎砂岩、石灰岩,得到多组不同的破碎坑试验数据。通过对破碎坑的观察与分析,利用几何造型技术,建立了能够综合反映齿形特征和岩石性质的理论破碎坑三维几何模型。并确立了岩石特性、钻压、钻头移轴距、转速、齿形和破碎坑特征参数的对应关系。当给定钻井参数,不同结构的钻头在进行破岩时,可以根据几何模型计算出岩石的破碎量。     

PDC钻头与岩石相互作用规律试验研究

试验采用81/2in和121/4in两种PDC钻头,对嘉陵江石灰岩和香溪砂岩两种典型岩样进行钻进,在不同钻头转速和钻压下,测得了扭矩和机械钻速.分析试验结果得出,对于表面刮削破碎和体积破碎两种岩石破碎状态,钻压对扭矩的影响不一样.当钻压没有达到体积破碎钻压时,钻压对扭矩的影响较小;当钻压超过体积破碎钻压时,钻压对扭矩的影响非常明显.钻头转速对钻头扭矩几乎无影响.     

复合齿形牙轮钻头及其破岩机理研究

针对现有牙轮（钢齿、镶齿）钻头已难以对一些复杂地层进行有效钻进这一现状，根据对牙轮钻头破岩机理的新认识，研制了一种新型复合齿形牙轮钻头。该新型钻头是一种具有新型齿面结构的牙轮钻头，其牙轮上的牙齿由齿形齿和盘式齿复合而构成，并且各牙轮上齿形齿和盘式齿的布置方式可根据硬地层等复杂地层的特性和钻井要求进行调整。两种齿对岩石的破碎作用将会互相影响，使得破碎岩石更加容易。为此，概述了国内外在复合齿形牙轮钻头方面所做的研究工作，并详细分析了这种新型钻头的结构特点和破岩机理，指出要研制出具有良好性能的复合齿形牙轮钻头，主要应从破岩机理、布齿方法与齿面结构、齿面强化工艺、钻头整体性能台架试验及复合齿形牙轮钻头结构设计等方面进行深入研究。     

牙轮钻头齿圈传动比的试验研究

将钻头牙轮分离成单独齿圈，在一种典型岩石上进行破岩试验，测试其传动比，再用正交试验法研究结构因素对传动比的影响。分析结果表明，齿圈的传动比主要由齿圈位置与齿数决定；无齿齿圈的传动比是齿圈传动比的最大值，该值主要取决于齿圈位置；随齿数减少，齿圈传动比下降；诸因素对传动比的影响程度从大到小依次为：齿圈位置、齿数、齿圈位置与齿数的交互作用、移轴距。     

牙轮钻头的侧切机理及井壁模式

通过分析牙轮钻头外排齿在井底的运动和对井壁岩石的刮切，认识牙轮钻头的侧向切削机理，提出井壁模式的概念和分析井壁模式的方法。井壁模式分析说明，牙轮钻头的侧向切削过程不仅与齿面结构有关，而且与岩石性质、钻井参数有关。     

三牙轮钻头运动学仿真模型及其运动特点研究

根据钻头几何学和运动学建立起了随钻运动的三牙轮钻头的计算机运动学仿真模型,该仿真模型既表示出了钻头上各牙齿的形状、大小和在钻头上的分布情况,又可真实反映钻头钻进过程中各牙齿的瞬时位置和相互关系。该研究不但为钻头与岩石互作用仿真建模做好了准备,也是分析研究牙轮钻头工作行为的基础。最后根据所建立的运动学仿真模型建立起了牙轮上发生纯滚动点的曲面方程,并分析了牙轮上各齿圈牙齿的运动特点和钻头的几何结构对牙轮／钻头速比（简称轮头速比）的影响,能更加清楚地认识钻头上各齿圈牙齿的刮削破岩方式;同时把牙轮的运动分解为各个齿圈的运动,也为建立钻头几何结构与轮头速比之间的关系提供了新途径。     

牙轮—PDC混合钻头的破岩特性及温度场变化

较之于常规的PDC钻头或牙轮钻头,牙轮—PDC混合钻头有着更好的破岩效果,其破岩过程产生的热量对其使用寿命和钻井效率都有着重要的影响,但目前对其破岩过程中温度场和破岩特性的研究还不够深入。为了给混合钻头的优化和推广提供理论支撑,基于有限元法、弹塑性力学等建立钻头破岩仿真模型,据此研究了破岩过程中的混合钻头温度场变化规律和破岩特性。研究结果表明:(1)牙轮主导型混合钻头破碎岩石时牙轮切削结构先冲击岩石,形成破碎坑,PDC切削齿再进行剪切,而PDC主导型混合钻头由PDC切削齿对岩石进行刮切形成沟槽,牙轮切削齿再对岩石进行破碎;(2)混合钻头在破岩初始阶段温度上升较快,一段时间后趋于平稳且钻压越大温度越高;(3)较之于PDC钻头和牙轮钻头,混合钻头破岩过程中温度更低,混合钻头破岩量大于单个PDC钻头和单个牙轮钻头破岩总量之和;(4)混合钻头在硬地层中的破岩温度高于在软地层中的破岩温度,而钻速则相反;(5)钻头破岩温度和破岩特性与其自身结构有关。结论认为,该研究成果有助于混合钻头的优化设计和推广应用。     

盘形钻头复合破岩实验研究

在研究８１／２英寸ＸＨＰ５三牙镶齿钻头结构尺寸的基础上，设计了３种齿形参数不同的盘形钻头。在复合破岩实验机上实验了８１／２英寸ＸＨＰ５三牙轮镶齿钻头和盘形钻头各齿圈间距、牙轮刃间角、齿顶宽及牙轮轴线平移量等特性参数破岩效果的影响。实验数据统计表明，对于四川二迭系这样的极硬地层，８１／２英寸ＸＨＰ５三牙轮镶砂破岩效果并不好，钻头在有无偏移情况下钻压和扭矩都比条形齿圈的较大，而破岩体积却较小；盘形钻头