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。     

牙轮钻头及钻柱系统扭转振动仿真模型

利用钻柱动力学有限元模型的数值计算方法 ,在考虑了钻头与岩石互作用力学模型的基础上 ,建立了钻头和钻柱扭转振动动力学仿真模型。通过仿真计算可预测钻头处阻力扭矩、钻柱顶部扭矩和钻头转速的变化情况。对 8 英寸XHP2S钻头做了仿真 ,结果表明 ,钻头处受岩石的阻力扭矩是随机变化的 ,并有负扭矩出现 ,扭矩的变化幅值随静钻压的增加而增加 ;钻柱顶部转盘施加的扭矩变化不如底部剧烈 ;钻头的转速在局部有较小的波动 ,其总体变化较为平缓。     

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。     

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.     

九自由度牙轮钻头动力学模型研究

根据牙轮钻头动态和受力互为因果关系的特点,分别建立了钻头体和牙轮的动力学模型,并建立了9个自由度的牙轮钻头动力学模型。新建的牙轮钻头与岩石相互作用模型中考虑了扭矩、弯矩、横向力的平衡以及这些因素对钻头破岩过程的影响,并在此基础上建立了轮速比计算模型、牙轮钻头位移模型和岩石破碎仿真模型。通过仿真计算,得到了两种工况下牙轮钻头的位移和轮速比,模拟了破岩过程,为研究钻头与岩石相互作用机理提供了理论依据。     

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。     

三牙轮钻头动力学

系统分析了三牙轮钻头破岩过程中的受力和运动状态。建立了牙轮钻头动力学的一般模型,给出了牙轮钻头动力学基本方程,进行合理的简化后得到实用的计算模型。     

三牙轮钻头与地层相互作用动力学数值模拟

三牙轮钻头与岩石相互作用时,牙轮不仅绕钻头轴心线公转,还要绕各自的中心轴线自转,较难用一种简单的几何曲线描述其运动轨迹,钻头破岩过程中的受力更加复杂。采用有限元法对三牙轮钻头与地层相互作用进行了仿真模拟,为分析钻头破岩过程及作用机理提供了一种有效的动力学分析方法。     

凹端圆柱滚子轴承在牙轮钻头上的应用分析

国内现有牙轮钻头滚动轴承多采用短圆柱滚子轴承结构,滚子边缘处存在应力集中现象,使得轴承接触表面极易发生疲劳破坏,为提高牙轮钻头滚动轴承抗接触疲劳寿命,提出在牙轮钻头滚动轴承中采用凹端圆柱滚子的方案。利用有限元方法,分析普通圆柱滚子和凹端圆柱滚子在径向载荷作用下,滚子外圆柱面上的接触应力分布情况,并对凹端圆柱滚子结构参数(凹端深度及凹口直径)进行优化分析。与普通圆柱滚子相比,凹端圆柱滚子最大接触应力降低22.33%,其优化结构参数为凹端深度4.4 mm,凹口直径5 mm。结果表明,凹端圆柱滚子能有效克服普通圆柱滚子的两端应力集中现象,接触应力沿轴向分布均匀,最大接触应力明显减小,提高了滚动轴承的抗接触疲劳能力并延长其疲劳寿命。     

牙轮钻头的参数化设计

牙轮钻头结构复杂 ,设计困难 ,使用普通的计算机辅助设计方法难以收到理想的效果。为此 ,研究了牙轮钻头参数化设计方法。设计中 ,根据牙轮钻头的结构特点 ,用Pro/E软件建立特征模型 ,然后利用Pro/E的Program模块编程 ,采用数据文件与Pro/E模型交换数据 ,达到从特征模型中根据用户输入的参数而自动地在Pro/E中生成牙轮钻头的三维实体和二维加工图的目的 ,从而使设计人员从大量繁琐的绘图及计算工作中解脱出来。参数化设计软件的应用结果证明 ,该设计方法简单易行 ,提高了设计效率 ,降低了设计成本 ,对设计质量提供了可靠的保证 ,同时对其它机械零件的设计也有借鉴价值     

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。     

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。     

JZ—CIMS工程CAD子系统的规划

三牙轮钻头ＣＡＤ子系统是ＪＺ－ＣＩＭＳ工程不可缺少的重要组成部分，对它进行研究既有利于整个ＪＺ－ＣＩＭＳ工程的集成，又有利于提高三牙轮钻头的设计水平。文中从三牙轮钻头的方案设计、几何设计和结构设计三个方面介绍了ＪＺ－ＣＩＭＳ工程ＣＡＤ子系统的研究内涵。随着对钻井工艺的不断认识和对有关三牙轮钻头作深层次的机理研究，三牙轮钻头ＣＡＤ子系统将进一步得到充实和完善。     

牙轮钻头滚动轴承弹流润滑的理论研究

根据钻头脂流变性能的试验结果，研究了牙轮钻头滚动轴承重载脂润滑弹流问题。利用Ｂｉｎｇｈａｍ流体Ｒｅｙｎｏｌｄｓ方程，并考虑轴承接触表面的粗糙度，建立了数学模型。采用多重网格方法进行数值求解，给出了典型工况下轴承滚子与滚道间的润滑膜厚度，确定了轴承的润滑状态，并分析了转速对润滑状态的影响。计算结果表明，钻头轴承处于边界润滑状态；低速不利于钻头轴承润滑，提高钻头转速能增加润滑膜厚度，改善轴承润滑状态。