钻头破岩过程的计算机仿真模型

根据用三牙轮钻头一个主齿圈和一个特殊齿圈进行破岩实验的结果，对井底大量单次或多次破碎坑的数据作了处理，进而建立了破碎坑尺寸大小与齿面结构参数，钻井参数，岩石性质之间的数学，实现牙轮钻头与岩石互作用过程的计算机仿真提供了有实用阶值的参考资料，同时简要介绍了一种测量破碎坑尺寸的新方法－光测法。     

单齿圈牙轮钻头复合运动破岩实验

根据８肘／村ＸＨＰ２Ｓ—１型三牙轮钻头的结构尺寸，设计制造了单齿圈牙轮钻头。在复合运动玻岩实验装置上用单齿圈牙轮钻头进行了单次破碎岩石、重复玻碎岩石、等距布齿和不等距布齿破碎岩石等实验。实验结果表明，等距布齿时牙齿总落在上次破碎坑中或附近，重复破碎和压实坑中已破碎的岩屑，阻碍了牙齿吃入岩石深度的增加；不等距布齿时牙齿落在上一次两破碎坑的中间，形成另一个新的玻碎坑，加速了破碎带的形成，从而可提高破岩效率。建议设计钻头时，应采用不等距布齿来确定钻头的齿面结构。     

三牙轮钻头牙齿破岩的破碎坑几何建模与分析

岩石在钻头牙齿作用下形成的各种破碎坑和井底的测量与分析是钻头试验技术中的重要环节,也是研究钻头破岩机理和评价破岩效率的重要手段.以三牙轮钻头上单齿圈为对象进行试验,研究钻头破碎岩石后得到的破碎坑.针对不同岩石、不同齿形的硬质合金牙齿,进行了大量的牙齿刮切破岩试验,并利用逆向工程软件对试验数据进行整理计算.以勺形齿和楔形齿为例提出了牙齿刮切破碎坑几何模型的建模过程,并简要介绍了获取破碎坑几何模型特征参数的方法.     

三牙轮钻头牙齿造坑的几何模拟模型

以牙轮钻头上的单齿圈为对象进行台架实验，用以研究钻头牙齿破碎岩石后所得的破碎坑，在此基础上，提出了模拟破碎坑的几何模型，通过与实际破碎坑的对比计算表明，所提出的几何模型能较好地反映各种大小的破碎坑体积。     

确定平底钢齿造坑尺寸新思路

在实验的基础上，首次完整地提出了平底钢齿圆柱形钢齿静压入岩石的造坑理论模型，并提出了坑形尺寸的计算公式。验证表明，计算的坑形尺寸与实际吻合，为牙轮钻头钻进过程仿真提供了理论依据。     

确定平底钢齿造坑尺寸新思路

在实验的基础上，首次完整地提出了平底钢齿圆柱形钢齿静压入岩石的造坑理论模型，并提出了坑形尺寸的计算公式，验证表明，计算的坑形尺寸与实际吻合，为牙轮钻头钻进过程领导具提供了理论依据。     

牙轮钻头齿圈布置设计分析

齿圈布置是牙轮钻头设计的一个重要内容,对牙轮钻头的工作性能和破岩效率有很大影响.本文在牙轮钻头运动学基础上研究了齿圈布置与井底破碎之间的关系,建立了系统地进行齿圈布置设计分析的新方法.根据牙齿在井底的运动分析,对钻头各圈牙齿在井底的滑移进行了定量的分析计算和各圈牙齿在井底径向平面内的运动轨迹所形成的包络线,作出了井底径向破碎图,它改进了传统的井底击碎图,可直观地反映移轴距和牙齿径向滑移对井底径向破碎的影响;建立了井底破碎环带划分和各齿圈单齿破岩量计算的新方法,指出齿圈布置设计,应尽可能均衡钻头各齿圈的单齿破岩量.这对牙轮钻头布齿设计具有重要指导意义.     

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。     

围压下牙轮钻头单齿对不同岩石的破岩试验

为牙轮钻头的设计提供可靠的试验数据，利用模拟深井井筒试验架模拟深井钻井环境，选取具有代表性的3种岩心进行试验，测量得到了牙轮钻头单齿在不同的围压条件和岩石下载荷、位移、围压-单位能量破碎体积以及围压-破碎坑体积等试验数据。对试验结果进行分析，得到了围压作用下对于所试验的岩石和齿形，压入载荷和压入位移成线性关系；岩石破碎坑的体积随压入载荷的增加而减小；在以相同齿形压入相同岩石的条件下，岩石的破碎面积和体积随围压的增加而减小。在相同的岩石和相同围压的条件下，抛物线形齿破碎岩石所需载荷最小，楔形齿次之，球齿所需载荷最大。同时还得到了岩石性能对破碎效率的影响规律以及破碎比功随破碎体积的变化规律。     

类盘式牙轮钻头破岩机理实验研究

基于盘式钻头破岩机理和镶齿牙轮钻头牙齿材料及固齿特点,提出了针对硬地层的类盘式牙轮钻头技术构想。开展了斧形齿、楔形齿及锥形齿的单齿压入实验、齿圈破岩实验以及类盘式牙轮钻头室内钻进实验。实验结果表明,类盘式钻头的破碎坑井底周向覆盖率高于牙轮钻头,提高了破岩效率,同时避免了盘式钻头因与岩石接触区域大而造成的分压现象,提高了与岩石之间的接触应力,其侵入岩石的能力大幅度增强。因此,类盘式钻头是一种有望在硬岩钻进中比盘式钻头更有效的破岩工具。     

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。     

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。     

冶金烧结强化盘式钻头齿圈的试验研究

在分析盘式钻头齿圈失效机理的基础上,提出了齿圈表面堆焊耐磨合金强化和镶嵌硬质合金齿圈强化两种方法。通过试验研究和对比分析,确定了采用冶金混合烧结固齿法镶嵌硬质合金齿圈强化盘式钻头。进一步的试验研究表明:采用冶金混合烧结固齿法镶嵌硬质合金齿圈来强化盘式钻头齿圈,其结合情况非常好;硬质合金齿圈的硬度、耐磨料磨损的能力和耐冲击磨料磨损的能力在烧结后都有进一步的提高,说明采用冶金混合烧结固齿法镶嵌硬质合金齿圈来强化盘式钻头齿圈是可行的。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于LS-DYNA的冲旋钻头牙齿破岩机理仿真研究

介绍了显式动力学有限元软件LS DYNA的功能特点，阐述了冲旋钻井中钻头牙齿与岩石相互作用数值研究的模型建立、网格划分、材料定义、接触定义及边界条件等相关问题。利用LS DYNA对3种不同齿形牙齿在冲击载荷下破碎岩石进行了计算机仿真，描述了牙齿破岩过程，并求出了相应的应力、位移时程关系曲线，得到了3种不同齿形牙齿的破岩机理。经过分析发现，在弹头齿和锥形齿冲击下裂纹首先出现在岩石内部，齿和岩石接触面下端最早出现裂隙，而在球形齿冲击下裂纹首先出现在齿和岩石接触面边缘；3种牙齿齿尖应力波峰值由大到小依次为：弹头齿、锥形齿、球形齿；布齿时锥形齿宜分布在钻头头部端面中心、球形齿分布在边缘，弹头齿或者锥形齿可分布在中心与边缘之间，这样有利于提高钻井破岩效率。