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。     

盘式钻头破岩机理仿真分析

盘式钻头是一种新型齿形三牙轮钻头，其齿面制成与牙轮母线垂直的圆环形连续齿圈，改变了牙齿与岩石的作用特点及其破岩机理。利用牙轮钻头几何模型及计算机仿真技术，建立了盘式钻头与井底岩石互作用仿真模型、盘式钻头齿形几何模型及盘式齿形离散模型等，编制了盘式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盘式钻头与给定岩石互作用后的井底模式。通过单齿圈复合破岩实验，得到了盘式钻头实际钻井时的井底模式，它与采用计算机仿真软件的仿真结果很相近，验证了仿真模型的正确性，为盘式钻头设计提供了新方法。     

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。     

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。     

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。     

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。     

异形单牙轮钻头破岩仿真及齿形选择

为了给异形单牙轮钻头每个齿圈选择出破岩效率较高的齿形,进而达到提高整个钻头破岩效率的目的,对异形单牙轮钻头破岩机理进行了研究,建立了异形单牙轮钻头与岩石相互作用的仿真模型,通过有限元分析软件LS-DYNA对钻头的破岩过程进行了仿真,而且通过物理试验对仿真结果进行了验证,并将试验结果与仿真结果进行了对比。建模时牙齿和岩石单元划分均采用三维8节点实体单元3DSOLID164,对岩石的周围和底边采用无放射边界条件并进行全方位约束。分析结果表明,用LS-DYNA仿真软件可以对单牙轮钻头的破岩过程进行较真实的计算机仿真,且能得出理想的结果;异形单牙轮钻头小端齿刮切量较大,大端齿冲击量较大,在为这些齿圈选择和设计牙齿时应综合考虑。     

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。      

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。     

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。     

三牙轮钻头井底横向力的计算机仿真

在定义钻头的井底横向作用力后，建立了钻头结构参数、钻井参数和岩石性质与钻头井底横向力的定量关系、相应的仿真模型和仿真程序。用计算机仿真实验得到井底轮廓和任意时刻井底岩石对钻头的横向作用力。实验结果表明，钻头旋转一周的井底横向作用力矢量统计平均值始终很小，说明钻柱作用在钻头上的横向力为零时，井底横向力表现为扩眼力。     

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。     

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。     

PDC钻头力学模型的试验研究

利用PDC切削齿在不同性质的岩样上进行切削试验，研究了切削参数(切削面积和接触弧长)、后倾角、岩石可钻性等主要因素对PDC切削齿受力的影响规律，建立了PDC切削齿综合力学模型。并在受力分析的基础上，建立了PDC钻头受力计算模型。实例计算表明，计算结果与实钻参数有较好的一致性。这为PDC钻头优化设计和性能模拟提供了理论依据。     

牙轮外区牙齿与井壁相互作用的仿真研究

牙轮钻头的外区牙齿(包括背锥齿、修边齿和外圈齿)在石油钻井破碎岩石过程中起着重要作用,能提高机械钻速和提高井壁质量.在现代牙轮钻头几何学基础上研究建立了牙轮钻头的空间模型,井壁过渡区的空间模型,外区牙齿的离散模型,外区牙齿与井壁相互作用的仿真模型.根据上述模型,我们开发出了相应的仿真软件.通过该仿真软件可以分析和评价外区牙齿切削井壁的能力,在微机上可以清楚地观察到外区牙齿与岩石相互作用的过程.同时能得到牙齿的切削功、摩擦功、切削岩石的体积等数据信息.该软件使用方便,对钻头设计者正确有效地布齿和提高钻头的整体性能有重要的指导意义.     

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。