牙轮钻头的侧切机理及井壁模式

通过分析牙轮钻头外排齿在井底的运动和对井壁岩石的刮切，认识牙轮钻头的侧向切削机理，提出井壁模式的概念和分析井壁模式的方法。井壁模式分析说明，牙轮钻头的侧向切削过程不仅与齿面结构有关，而且与岩石性质、钻井参数有关。     

牙轮钻头的侧切规律研究

从钻头动力学基本方程出发，分析钻头在井底中的横向运动规律，探讨井壁刮痕生成过程和井壁模式的形成后，建立了牙轮钻头倒向切削井壁的仿真模型和仿真软件，填补了牙轮钻头工作力学行为研究中的部分空白。     

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。     

球形单牙轮钻头钻进过程的计算机仿真

从单牙轮钻头几何结构出发, 利用仿真技术, 建立了钻头运动模型、牙齿几何模型、井底模型和岩石与牙齿作用力模型等。在这些模型的基础上, 编制单牙轮钻头钻进过程仿真程序, 在计算机上模拟钻头破岩过程, 揭示了钻头与岩石互作用的大量细节, 并获得牙齿载荷和机械钻速等许多重要信息。仿真结果与台架试验结果很接近, 从而验证了仿真程序的正确性。采用该仿真程序可对不同钻井条件下不同结构单牙轮钻头的性能作出比较和判定, 也可预计尚未制成钻头的钻进能力。     

各向异性地层钻井井斜问题研究

在实验室内以全尺寸实物钻头破岩,系统地研究各向异性地层对井斜影响程度的成本较高。随着计算机硬件和数值模拟计算软件，尤其是有限元软件的发展，使得有限元仿真模拟各向异性地层钻井井斜是经济可行的。在弹塑性力学、岩石破碎力学的理论基础上，建立了三牙轮钻头齿面与井底岩石接触问题的动态模拟的有限元模型，模型中地层岩石力学特性建立为各向异性材料模式。提出了以岩石临界塑性应变为判据，来判断岩石材料是否被切削或剥落，并在动态仿真模拟过程中，将这些剥落的单元去掉，形成钻井井眼和新的井底表面。用文中建立的模型，动态模拟、分析了钻头钻进时，在各向异性地层和地层倾角的干扰下，钻头与井壁间产生不对称的侧向力，使钻头产生侧向偏移，累积形成井斜，给出了定量的模拟结果。调整参数可以模拟和分析不同钻井参数、各向异性地层以及地层倾角对井斜的影响关系，从而为各向异性地层以及高陡构造地层防斜打快提供理论参考，同时为防斜工具的设计、改进以及井眼轨迹控制提供理论基础。     

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.     

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。     

复合钻井条件下三牙轮钻头的运动仿真

运用计算机仿真技术来描述三牙轮钻头在复合钻井条件下的运动规律和工作状况，从而减少与复合钻井相关的三牙轮钻头的研发设计工作量，节约成本。在复合钻井条件下三牙轮钻头运动学分析基础上建立其数学模型及仿真模型，并采用FORTRAN语言设计和编写仿真程序。选取不同的复合钻井的钻进参数来进行仿真实验，并对数据进行了分析。结果表明，该仿真程序能较好地模仿钻头的运动情况，也为进一步深入研究复合钻井条件下三牙轮钻头的工作状况奠定了基础。     

井壁的形成及其形状的描述

对牙轮钻头刮切井壁岩石机理作出了详细分析，把井壁数字化并将井壁变化离散化。用时间递推方法建立了以时间变化的井壁模型，在计算机上仿真再现井壁，进一步处理可计算出牙轮钻头在不同钻井条件下所钻井眼中心偏移量和井眼扩大量。     

潜孔钻头端面切削齿载荷仿真研究

为使潜孔钻头布齿更加合理及为钻头结构改进提供理论依据,达到提高潜孔钻头破岩效率、延长其使用寿命的目的,需要了解潜孔钻头端面切削齿的载荷分布。为此,建立了平面、凸面和凹面3种端面形式的潜孔钻头三维模型,以显式动力分析软件ANSYS/LS-DYNA中常用的H-J-C模型为材料模型,并利用H-J-C模型中的等效屈服强度、压力、积累损伤等函数对潜孔钻头的破岩过程进行仿真,分析不同齿圈上切削齿的载荷状态,并将切削齿载荷分解到轴向、径向及切向3个方向,运用控制变量的方法对3种不同端面形式潜孔钻头的切削齿进行力学分析。研究结果表明:凹面潜孔钻头的轴向载荷峰值最大且径向载荷峰值最小;潜孔钻头切削齿载荷的主要差别在边齿及其相邻齿圈的切削齿上,与其余齿圈上的切削齿关系不大;潜孔钻头边齿的载荷最大,易损坏。模拟结果可为切削齿的选择、切削齿的分布及潜孔钻头的结构设计提供依据。      

Experimental research on characteristics of hole reaming and side cutting of one-cone bits

The hole reaming and side cutting characteristics of offset one-cone bit and conventional one- cone bit were investigated on simulated drilling experimental equipment. The borehole diameter was a little larger than the bit diameter due to side force. However, the reaming effect was not very apparent, whether drilling with an offset or conventional one-cone bit. The side cutting displacement increased gradually with increasing depth of drilling and side force. The side cutting displacement of offset onecone bits was larger than that of conventional ones under the same conditions of weight-on-bit （WOB）, rotary speed, side force and borehole depth.     

单牙轮钻头的发展前景研究

分析单牙轮钻头的优越性，解决目前钻业面临的问题，方法研究了单牙轮钻头的侧切削特性，单牙轮钻头和弹塑性地层的相互作用及单牙轮钻头的热应力分布，分析了钻头结构，地层岩石特性及钻井工艺参数等因素对单牙轮钻头性能的影响。     

适合多夹层地层PDC钻头设计及应用

PDC钻头在钻井破岩中所占的比例越来越大,但在软硬交错的多夹层地层钻进时效果却不理想,常常发生先期损失。针对胜利油田多夹层地层特点进行了PDC钻头的优化设计,开创了钻头切削结构设计新方法,改进了钻头的水力结构设计,采用了多种稳定性结构设计方法。根据该设计制造的一种新型复合式PDC钻头在多夹层地层中取得了较好的应用效果。与牙轮钻头相比,使用新型复合PDC钻头机械钻速高,进尺多,井身质量好,对加快油田勘探开发速度、降低钻井成本有积极的意义。     

新型PDC钻头的防斜打快效果及评价

大庆油田海拉尔地区的地层倾角大、岩屑录井荧光级别低,亟待解决满足岩屑录井要求的防斜打直问题。为了能够在获得足够大的岩屑颗粒和提高机械钻速的基础上达到防斜打直的目的,制定了采用大切削齿B425型PDC钻头配以小钟摆钻具组合的现场试验方案。试验表明:B425钻头与牙轮钻头所破碎的岩屑颗粒基本相当,能够满足地质岩屑录井的要求;与牙轮钻头相比,B425钻头显著地提高了机械钻速,降低了钻头费用,减少了起下钻次数;单只B425的进尺可达1000m以上,相当于2~3只牙轮钻头的进尺;采用PDC钻头配以小钟摆钻具组合,可以较好地解决防斜打直问题。此外,针对试验中遇到的问题,通过改进井身结构和调整钻井参数,形成了一套适合于海拉尔地区的防斜打快技术。     

单牙轮钻头齿面结构设计探讨

在地层、钻井参数和钻头新度相同的情况下，钻头机械钻速的快慢主要取决于钻头齿面结构是否合理。欲设计合理的齿面结构必须研究齿面的几何形状、运动状态、受力状态和岩石破碎过程。从研究单牙轮钻头几何学、运动学入手，着重探讨单牙轮钻头齿面结构设计方法。     

PDC钻头的轨迹方程及切削参数计算方法

准确计算PDC钻头切削齿的切削面积、切削体积和切削弧弧长等切削参数,对PDC钻头的优化设计和性能分析等都具有十分重要的意义。运用空间几何和数值计算理论,对PDC钻头的轨迹方程和切削参数的计算方法进行了研究。建立了描述PDC钻头在井底的几何位置及运动轨迹的坐标系统,给出了PDC钻头的运动轨迹方程和切削齿在井底的切痕曲线方程。综合考虑了钻头冠部形状、切削齿的布置、切削齿的工作角、切削齿的形状及尺寸、切削齿的相互作用及切削齿的先后次序等因素的影响,提出了切削齿的切削面积、切削体积、切削弧弧长等切削参数的数值计算     

非均质地层锥形辅助切削齿PDC钻头设计与试验

为了提高PDC钻头在非均质地层中的机械钻速和延长钻头使用寿命,研制了带有锥形辅助切削齿的PDC钻头。该钻头以PDC齿为主切削元件,锥形齿和PDC齿为副切削元件,开始工作时以PDC切削齿剪切破岩为主,当PDC切削齿吃入地层到一定程度后,锥形齿开始犁削岩石形成裂纹,有助于PDC齿以较小切削力破碎岩石;相邻2个刀翼的后排齿分别布置锥形齿与PDC齿,用于钻头钻进后期的提速提效,既具有常规PDC钻头破岩效率稳定的特点,又具有锥形齿在非均质地层破岩效率高的特点。现场试验表明,与常规PDC钻头相比,锥形辅助切削齿PDC钻头在非均质地层中使用寿命长、机械钻速高。锥形辅助切削齿PDC钻头的成功研制,为钻进非均质地层提供了一种新的高效破岩工具。      

复合钻井用新型金刚石钻头研制及现场试验

针对复合钻井钻头转速高、井下动力钻具的输出扭矩受限制的特点,研制了一种尖圆混合布齿、低扭矩的新型金刚石钻头.现场试验证明,新型金刚石钻头扭矩小,寿命长,在相近条件下,比邻井常规金刚石钻头的机械钻速提高30.1%～36.2%,能更好地适应复合钻井的需要.