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。     

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.     

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。     

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。     

复合齿形牙轮钻头及其破岩机理研究

针对现有牙轮（钢齿、镶齿）钻头已难以对一些复杂地层进行有效钻进这一现状，根据对牙轮钻头破岩机理的新认识，研制了一种新型复合齿形牙轮钻头。该新型钻头是一种具有新型齿面结构的牙轮钻头，其牙轮上的牙齿由齿形齿和盘式齿复合而构成，并且各牙轮上齿形齿和盘式齿的布置方式可根据硬地层等复杂地层的特性和钻井要求进行调整。两种齿对岩石的破碎作用将会互相影响，使得破碎岩石更加容易。为此，概述了国内外在复合齿形牙轮钻头方面所做的研究工作，并详细分析了这种新型钻头的结构特点和破岩机理，指出要研制出具有良好性能的复合齿形牙轮钻头，主要应从破岩机理、布齿方法与齿面结构、齿面强化工艺、钻头整体性能台架试验及复合齿形牙轮钻头结构设计等方面进行深入研究。     

牙轮钻头工作扭矩的计算机仿真

对牙轮钻头在破岩过程中的受力和运动状态进行分析，建立了牙轮钻头动力学基本方程，研究井底岩与牙轮钻头的相互作用后，建立了钻头结构参数，钻井参数，岩石性质参数与触底齿受力间的近似关系。研制了牙轮工作扭矩的计算机仿真模型和仿真软件，仿真结果与实验数据比较表明了理论研究和仿真模型及软件的正确性和可靠性。     

复合运动条件下牙轮钻头牙齿破岩仿真

牙轮钻头的破岩过程是通过其牙齿直接完成的,清楚牙齿的破岩过程对研究整个牙轮钻头的破岩机理有重要意义.本文基于大型非线性有限元分析软件LS-DYNA,对牙轮钻头牙齿破岩过程进行计算机仿真.通过对同一齿圈不同齿形牙齿破岩效果的比较,为合理选择每个齿圈上牙齿的齿形,提高牙轮钻头的破岩效率提供依据.通过对比不同齿形牙齿在相同条件下的应力,还可以对不同齿形在相同条件下的使用寿命作出评价.     

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。     

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。     

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。     

钻头破岩过程的计算机仿真模型──井底破碎坑的数学模型

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模型，为实现牙轮钻头与岩石工作用过程的计算机仿真提供了有实用价值的参考资料。同时简要介绍了一种测量破碎坑尺寸的新方法－－光测法。     

球形单牙轮钻头井底凿岩轨迹

针对球形单牙轮钻头的结构和运动特点，建立复合圆柱坐标系统，并完整地给出这种钻头的几何学和运动学基本方程。在此基础上以模形齿为对象研究了单牙轮钻头井底凿岩轨迹的形成，并建立了井底轨迹图仿真软件。应用仿真软件得出钻头不同的几何参数、运动参数及不同齿面结构凿岩的井底轨迹图。通过与一只实际钻头凿岩模式相比，所得理论井底轨迹图与实际钻头凿岩井底模式非常吻合。     

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.     

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。     

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。     

牙轮钻头的现代设计方法

介绍一种牙轮钻头的现代设计方法。设计过程全部使用计算机辅助设计和优化设计。采用这种方法不仅能进行钻头的几何结构设计,还可进行钻头的性能设计。在设计过程中能预知钻头牙齿在井底的破岩情况,获得钻头破岩过程的本质特征。因此能大大提高设计工作的科学性,减少盲目试探,缩短新钻头的研制周期。