牙轮钻头轮头速比理论研究及其仿真模型

牙轮钻头在破岩的过程中,影响牙轮转速的因素非常复杂。牙轮钻头的轮头速比研究对岩石破碎机理研究和钻头设计都有重要的指导意义。牙轮钻头轮头速比模型是钻头-岩石互作用仿真中最重要的基础模型之一。总结了国内外以基于正交试验结果回归、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建模理论,对比分析了这些理论的优点及存在的问题。在分析影响轮头速比的几何结构、钻井参数的基础上,提出了基于转动定律的轮头速比仿真模型。该模型综合考虑了影响轮头速比的主要因素,避免了计算牙齿受力、能客观真实地反映轮头速比的数值大小及变化规律,为进一步优化牙轮钻头钻进仿真模型奠定了基础。     

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。     

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。      

牙轮钻头轮体速比的计算机仿真

在分析牙轮钻头牙轮运动特点的基础上，提出了牙轮以最小动方式运转的假设。借助于钻头几何学与运动学关系，利用计算机仿真的方法对牙轮转速与钻头转速的比值（轮体速比）进行试算。仿真求得的轮体速比与实测值的对比结果证实最小功假设是可以成立的。用这一仿真试验方法能较好估计牙轮钻头的轮体速比值。     

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。     

基于MATLAB的三牙轮钻头仿真模型研究

在钻头几何学研究的基础上,通过坐标变换依次建立起了三牙轮钻头的牙齿、牙轮和钻头的计算机仿真几何结构模型;并在MATLAB编程语言环境下实现其数据的可视化,获得了他们的三维实体图形,包括其形状、大小和位置。结果表明MATLAB编程简单易写,结果正确可靠。该研究为在MATLAB环境下进行牙齿的运动仿真和钻头与岩石互作用仿真研究奠定了基础。     

三牙轮钻头井底运动仿真分析

在三牙轮钻头实体模型的基础上建立了三牙轮钻头的运动模型,利用Pro/E软件的Mechanism功能对三牙轮钻头进行了仿真运动分析,模拟出三牙轮钻头牙齿的运动轨迹,直观分析布齿方式和齿数对井底破碎面积的影响,以及轮体速比对井底轨迹的影响。     

牙轮钻头不同轮头速比破岩量仿真分析

牙轮钻头的牙轮有绕自身轴线的自转运动,牙轮轴有绕钻头中心线的旋转运动,因此在破岩时存在不同的轮头速比。采用LS DYNA通用显式动力分析仿真软件研究不同的轮头速比与钻头破岩量的关系,对指导钻头的设计和使用,提高钻头机械钻速,降低钻井成本具有一定的意义。     

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。