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。     

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。     

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。     

三牙轮钻头几何学仿真与MATLAB的实现

在钻头几何学的基础上,通过MATLAB编程,建立了三牙轮钻头计算机仿真几何结构模型,获得了仿真模型的三维实体图形,模型真实地反映了钻头上各个牙齿的形状、大小和位置。结果表明,通过MATLAB编程来实现三牙轮钻头的几何仿真模型的建立,程序简单,结果可靠。这些研究成果为在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提供了正确可靠的模型基础。     

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。     

牙轮钻头钻进岩石过程的数学模型和模拟方法——承力区假说与旋转压入法

根据“承力区假说”,建立了牙轮钻头钻进岩石过程的数学模型和模拟方法。利用这种模型和方法,可在计算机上实现对实际钻进过程的仿真和对牙齿载荷时间历程等的模拟。换言之,也就是借助于计算机仿真的手段,可把钻头机械钻速、牙齿载荷谱等与钻头结构设计参数、齿形和岩性联系起来。这对于牙轮钻头的研究无疑具有重大意义。     

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。     

基于钻井数据反演的牙轮钻头与岩石互作用仿真

通过建立牙齿的简化破碎坑模型和牙齿微面上的受力模型来模拟牙轮钻头与岩石的互作用,由破碎坑半锥角θ和力-压入系数k共同反映钻头结构、钻井参数以及岩石性质等因素的综合影响。根据现场钻井数据,采用误差梯度下降算法结合计算机仿真技术来反演这2个模型的参数值,并使用反演得到的参数值,进行钻进过程的计算机仿真致效,所得钻头的仿真钻进曲线和机械钻速与实际钻井十分吻合。研究结果表明,基于钻井数据反演的牙轮钻头与岩石互作用仿真方法,可以通过相对简单的模型求得更加准确的结果。     

冲旋钻井机械钻速仿真研究

结合三牙轮钻头有关的理论,建立了冲旋钻井钻头的真实数学模型、真实井底模型和钻头牙齿与井底岩石互作用模型,用计算机仿真方法预测出了冲旋钻井机械钻速.应用结果表明,该模型可靠,计算结果与实际机械钻速基本一致,这些仿真模型可用于冲旋钻头优化设计和钻井参数的优选.     

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.     

盘式单牙轮钻头破岩机理试验研究

在简述盘式单牙轮钻头的结构特点和破岩机理的基础上 ,详细介绍了这种钻头在资中重二砂岩上进行台架试验的破岩过程、试验数据和动态曲线。试验结果分析表明 ,盘式单牙轮钻头钻进破岩时牙齿在接触井底过后有一个较长的滑移过程 ,运动轨迹成网状相互交叉 ,与井底接触的牙齿过渡平稳 ,从而减小钻头的振动 ,有利于提高钻头轴承和齿面的寿命。这种钻头的缺点是盘式齿在长距离滑移切削过程中磨损较快 ,在某些地层钻进时钻头性能不如普通牙轮钻头和PDC钻头。     

三牙轮钻头数字化钻进仿真评价系统开发及应用

钻头数字化钻进仿真是一种将钻头-岩石互作用仿真理论与钻头性能评价及结构优化相结合的实用化技术,开发钻头钻进仿真软件的主要目的是为钻头设计及性能分析提供技术手段。在已完成的三牙轮钻头仿真模型研究基础上,重点解决了数据输入、模型数值算法实现、仿真结果可视化等问题,利用MATLAB完成了软件开发。开发的软件能够模拟钻头几何结构,分析理想状态下钻齿的运动特性,模拟钻头在直井、水平井和定向井不同工况下的钻进过程,并对钻头破岩过程中的相关物理参数进行分析评价。利用该软件对某型号三牙轮钻头进行了台架试验及布齿结构参数优化设计,仿真结果具有直观及定量化的特点,表明利用该软件对钻头进行优化设计方便、快捷且可靠性高。      

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。     

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。     

基于VB.NET和MATLAB 的三牙轮钻头仿真软件开发

随着钻井地层的日益复杂,对钻头结构的改进提出了新的要求。利用计算机仿真方法,在已建立的牙轮钻头几何学、 运动学模型和钻头与岩石互作用模型的基础上,通过MATLAB 编程,求解所建立的各模型。为了解决软件的运行效率及不易 操作的问题,采用了VB.NET 来编写界面。通过MATLAB 编译器将模型文件转化为.NET 组件（DLL 文件）,与VB.NET 交互, 实现仿真软件的开发。利用该软件进行牙轮钻头破岩过程仿真可得到牙齿图形、任意时刻的井底模式及机械钻速等,对钻头的 优化设计有重要的指导意义。