牙轮钻头保径结构设计的新方法

针对目前牙轮钻头保径设计存在的问题，系统地分析了牙轮钻头的保径结构，提出了牙轮背锥临界保径线的新概念。根据牙轮背锥临界保径线的特殊性质，利用ＡｕｔｏＣＡＤ绘图软件包建立了镶齿钻头保径结构设计的计算机图解法和相应的计算机程序，为钻头保径结构设计提供了一种简便、直观、准确的新方法。     

牙轮钻头牙齿与井底接触角的确定

根据牙轮钻头几何学和运动学原理，分析了钻头齿在井底的运动轨迹和井底轮廓线，提出了确定钻头牙齿与井底接触过程起止点的方法，并运用ＡｕｔｏＣＡＤ绘图软件包建立了确定牙齿与井底接触角的计算机图解法，给出了牙轮钻头设计中的一个应用实例．     

牙轮钻头牙齿与井底接触角的确定

根据牙轮钻头几何学和运动学原理，分析了钻头齿在井底的运动轨迹和井底轮廓线，提出了确定钻头牙齿与井底接触过程起止点的方法，并运用ＡｃｔｏＣＡＤ绘图软件包建立了确定牙齿与井底接触角的计算机图解法，给出了牙轮钻头设计中的一个应用实例。     

单牙轮钻头研究

本文简述了单牙轮钻头的工作原理和工作特性,采用空间解析几何学的方法,毫无简化地、完整地建立了单牙轮钻头几何学和运动学基本方程,通过台架试验对单牙轮钻头轴承载荷进行了测试分析,并根据单牙轮钻头运动基本方程编制了计算机仿真软件．采用本文的研究方法,能完成单牙轮钻头几何结构设计、性能设计,能在短时间内作出许多设计方案的对比。     

影响单牙轮钻头切削效率的原因分析

通过对单牙轮钻头切削机理的分析,从牙齿的露高、布置方式、形状三个方面,对单牙轮钻头牙齿在井底覆盖情况以及井底切削的均匀性进行分析研究。提出了在单牙轮钻头切削结构设计时:牙齿的露高设计应大于井底岩柱的高度;优化牙齿在球形牙轮经度和纬度方向的相差;在牙轮布齿面上,不同的布齿区域,选择适应该区域牙齿运动特点的齿形。     

复合钻头钻进过程的有限元模拟

设计了一种新型的“2+2”型牙轮PDC复合钻头（包括CL型和BL型两种结构）,并采用显式动力学有限元分析方法对两种结构的钻头钻进凝灰岩和花岗岩的物理过程进行了数值模拟。结果表明,CL型钻头适合于钻进较硬的地层,而BL型钻头适合于钻进较软的地层;两种钻头钻进硬岩时的牙轮切削齿轴向力均比钻进软岩时的牙轮切削齿轴向力大,在相同岩石中钻进时,CL型钻头比BL型钻头的牙轮切削齿轴向力大;PDC切削齿轴向载荷沿钻头径向的分布形态与刀翼的冠部形状相似,位于锥顶的切削齿轴向载荷最大;钻压在牙轮和刀翼上的分配与钻头的结构类型相关。     

PDC钻头对推靠式旋转导向工具的适配性

针对使用推靠式旋转导向工具配套PDC钻头钻井过程中出现造斜率不达标的问题,进行PDC钻头切削结构对推靠式旋转导向工具适配性研究。基于纵横弯曲连续梁理论,考虑井径扩大率对工具的影响,建立推靠式旋转导向工具BHA力学分析模型,再结合PDC钻头与地层相互作用模型,提出以井斜趋势角作为评价推靠式旋转导向工具与PDC钻头适配性的指标,定量分析钻头结构参数对推靠式旋转导向工具造斜能力的影响,并进行相关试验。结果表明：随着PDC钻头内锥深度变浅、冠部高度变短,旋转导向工具造斜能力越强;PDC钻头切削齿后倾角越大、摩擦角越大,工具造斜性能越强;PDC钻头保径对工具造斜能力影响较大,钻头主动保径和被动保径面积越小,工具造斜能力越强;钻头被动保径刀翼越窄,工具造斜能力越强;当钻头保径总长一定时,随着主动保径与被动保径面积比值变小,工具造斜能力呈先增加后减小,存在最佳主动保径与被动保径比例使推靠式旋转导向工具造斜能力达到最大;模型井斜趋势角的预测值与试验值基本一致,最大误差仅为6.71%,验证了本文所建立模型的准确性。     

单齿圈牙轮钻头运动学实验研究

本文根据实验结果,着重分析了单齿圈单牙轮钻头的运动规律。指出:牙轮绕牙轮轴的转动和钻头绕钻头轴线的转动都不是匀速的,而是变速的。此外,还简要分析了牙轮的受力情况及牙轮齿与钢井底的相互作用过程。文章结合实验结果,还分别讨论了单齿圈双牙轮钻头和单齿圈三牙轮钻头的基本运动规律。以往,国内外关于牙轮钻头运动学的文章大多假定钻头的转动和牙轮的转动是匀速转动。这与实际情况不相符。为了真正掌握牙轮钻头的运动规律,我们拟实测钻头的转速和牙轮的转速,并从最简单的,既无移轴又无超顶的单齿圈等布齿的牙轮钻头入手进行研究。     

矿用牙轮钻头原理图生成的数学模型

根据矿用牙轮钻头的布齿原则，利用坐标变换的方法，建立了其生成原理图的数学模型，并开发了相应的ＣＡＤ软件．该软件还可进行覆盖系数分析，提供优化布齿的依据     

三牙轮钻头的计算机仿真模型

本文将牙轮钻头上各牙齿置于易于描述的坐标系下．通过坐标变换方法,实现了各牙齿的空间位置交换．在钻头几何学和运动学的基础上,建立了随钻运动的牙轮钻头的计算机仿真模型。该仿真模型可真实反映牙轮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。该项研究不但是钻头与岩石互作用仿真研究的核心问题之一,也是分析研究牙轮钻头工作行为的基础。     

测井资料在钻头选型方面的应用

利用测井资料进行钻头选型是一项新技术，可以用来解决目前国内在钻头选型方面存在的困难和问题。通过室内实验和现场资料统计，建立了地层岩石声波时差与岩石可钻性的关系模型，利用该模型并结合新疆塔西南巴楚地区的地震、地质、测井及钻井资料进行了钻头的选型，确定了适合该地区的钻头类型，并在现场进行了应用，取得了良好效果     

牙轮钻头直径误差分析与计算

本文根据牙轮钻头几何学原理,应用计算机技术,对牙轮钻头直径的加工误差的影响因素、各有关设计参数的公差与直径误差的关系、以及钻头直径误差的分布情况进行了系统的分析与计算。同时对所编制的软件作了简单介绍。     

定向钻井PDC钻头三维钻速预测方法

综合考虑PDC钻头的切削作用、钻具组合的力学作用和地层岩石可钻性各向异性,根据钻头力平衡原理,建立一种新的PDC钻头三维钻速预测方法。在钻头瞬态力平衡计算中,不仅考虑钻具组合的力学作用,还考虑钻头冠部的侧向不平衡力和保径受力对PDC钻头切削作用的影响。结果表明:井眼轨迹的预测结果与实测结果有较高的吻合度,说明方法合理;根据具体的钻头结构参数和地层可钻性各向异性,通过数值计算可获得钻头的轴向和侧向钻速,不需要取得地层法向钻进效率;在钻头瞬态力平衡计算中,钻头侧向不平衡力过大将增大井眼轨迹控制的难度,对PDC钻头布齿参数的进行优化设计可以减小钻头的侧向不平衡力,进而减小钻头漂移角和工具面变化范围,增强井眼轨迹控制能力。     

钻头牙齿复合破岩实验的数据采集与处理

本文介绍了钻头牙齿破岩实验的计算机数据采集与处理方法。给出了一种新的利用软件实现脉冲与数字的转换技术,经多次实验和处理结果表明。该方法准确可靠.可供精度要求较高的速度测试使用和参考     

岩体结构可视化软件系统研究

岩体结构研究是工程地质特征和岩体结构力学性质研究的重要方面。作者引入计算机图形图像技术、人机交互技术及工程地质信息数据库管理实现复杂岩体结构可视化技术 ,研究讨论了复杂岩体结构可视化软件系统的开发思路。实现岩体结构在可视化下的信息数据库管理、图视化分析和地质模型研究 ,极大地扩展了对复杂岩体结构空间的认识及岩体结构性质研究。通过实例建立了岩体结构的三维可视化模型     

钻柱动态数学模型的建立及求解

钻井用钻柱在使用过程中受力比较复杂，钻柱不仅存在纵向振动、横向振动，还存在扭转振动，并且3个振动相互耦合，用一般受力分析方法很难确定，采用能量法求出单元的动能和势能，利用拉格朗日方程建立起钻柱系统动力学有限元模型，求出了系统质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵及系统载荷矩阵，利用微分方程的数值计算方法对钻柱过程进行计算机仿真。通过研究得出了一套研究钻柱系统动力学模型及求解方法，。对新形钻柱的设计和钻井力学的研究具有指导意义。     

自激振荡腔频率特性及腔室设计研究

为了进一步研究自激振荡腔在石油工业中的应用,对其固有频率特性作了较为深入的研究,探讨了固有频率与相关参数之间的关系,并用实验对理论公式进行了验证;同时给出了41/2″单牙轮钻头和5″金刚石钻头的一种新型的腔室设计—带自振腔的单牙轮钻头和金刚石钻头;此外,还为实现腔内流体流动规律的计算机模拟做了一些基础性的研究工作。     

钻柱纵向振动模型的建立及求解方法

在牙轮钻头与井底岩石互作用模型的基础之上,将钻头在井底作纵向往复运动的位移作为钻柱纵向振动的下端边界条件,在适当简化的条件下,利用弹性杆理论和单元法建立了钻柱在钻井过程中由于钻头与岩石互作用及钻柱的弹性变形而导致钻柱产生纵向振动的动力学模型在给定初始条件和边界条件的情况下,采用数值计算方法求解了钻柱纵振模型。为进一步弄清钻头、钻柱在钻井过程中的实际运动规律和动力学性能,改进钻头、钻柱的设计方法,预防钻头、钻柱早期失效奠定了基础。     

胎体与钢体PDC钻头结构参数的相互转换

在ＰＤＣ钻头几何学研究的基础上，以保持切削齿工作面的空间方位不变为前提，建立了胎体和钢体两类ＰＤＣ钻头结构参数互相转换的数学关系，并编制了相应的计算机程序。利用此程序可以准确地实现胎体ＰＤＣ钻头和钢体ＰＤＣ钻头结构参数之间的相互转换，使两类ＰＤＣ钻头的设计计算过程和设计软件能够完全兼容。这对于ＰＤＣ钻头设计具有重要的理论指导意义和实际应用价值。