牙轮钻头牙齿破岩有限元分析

牙轮钻头是石油钻井中主要的破岩工具。牙轮钻头的破岩是通过其齿圈上的牙齿和岩石相互作用完成的。本文通过建立牙轮钻头单个牙齿与岩石互作用模型,用有限元方法完成了牙轮钻头破岩过程的分析,获得岩石的破碎坑;进一步通过等效应力云图确定了牙齿破岩过程牙齿及岩石的应力分布情况,为进一步分析牙轮钻头破岩效率提供依据。     

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。     

三牙轮钻头井底破碎试验及井底模式初步分析

本文对五种不同类型的牙轮钻头在实验架上所作的井底破碎试验进行了分析比较。并根据它们的井底模式,研究分析其破碎岩石的效果。硬地层钻头采用不等距布齿,软地层钻头采用较大的移轴距和超顶距,可提高钻头破碎岩石的能力。由井底模式的研究分析还证明了三牙轮钻头的牙轮运动为变速转动。钻头钻进时,纯滚动点在牙轮上的位置是变化的,其变化规律主要取决于钻头的结构特点。     

欠平衡下牙轮钻头牙齿侵入系数及钻速研究*

欠平衡条件下,钻井机械钻速大幅度提高,但钻头牙齿的侵岩机理至今尚不清楚。以岩石侵入理论为基础,在考虑欠平衡钻进条件下,针对牙轮钻头侵岩、破岩问题展开研究,推导了欠平衡钻进井底条件下牙轮钻头牙齿的侵入系数方程,并进一步建立了欠平衡钻进条件下的钻速模型。岩石侵入系数不受牙齿载荷和侵深的影响,是一个描述岩石抗侵入能力的基本参数。以徐深气田为例,理论和实验分析了内摩擦角和刃尖角对侵入系数和机械钻速的影响。结果表明,随井底有效法向应力的增大侵入系数增大;随内摩擦角和刃尖角的增大侵入系数呈指数增大;随有效法向应力的增大机械钻速明显减小;随内摩擦角和刃尖角的增大机械钻速呈线性减小。     

牙轮钻头牙齿测力试验中数据的小波去噪分析

在石油钻井过程中牙轮钻头破岩时牙齿的受力是相当复杂的,钻头的使用寿命与牙齿的受力大小直接相关,为了探索钻头牙齿在破岩过程中的受力规律,在实验室条件下对牙轮钻头牙齿进行了测力试验研究,但获得的试验数据中却存在大量噪声,严重影响了对试验数据的处理和分析,采用小波变换对试验数据进行了去噪处理,获得了很好的结果,有效解决了试验数据中存在大量噪声的难题。     

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．     

楔形齿空间数学力学模型及有限元网格自动划分

以牙轮钻头楔形齿的基本尺寸为参数,根据牙齿上的关键点位置,准确的建立了该类牙齿的空间数学模型及力学模型,为牙齿有限元网格的自动划分及牙齿受力分析提供了简便的方法。文中建立的牙齿受力随岩石硬度变化而变化的分布区域及载荷随牙齿工作中不同位置的分布区域,能较好地分析工作中,牙齿内部的应力变化情况,这一点比集中载荷法分析牙齿的受力更具有指导性意义。     

三牙轮钻头瓢形齿齿面结构的空间解析式及积分处理

本文以空间解析几何的数学理论,推导出了三牙轮钻头瓢形齿的横截面积、体积与瓢形齿吃入岩石深度之间的数学关系式.为研究钻头牙齿破碎岩石坑的形状大小提供了基准,也可作为三牙轮钻头工作行为计算机仿真研究的参考资料。     

单齿圈复合运动破岩系统动力特性分析

牙轮钻头牙齿与岩石相互作用过程中的实际运动是很复杂的,它是变角度、斜向冲击压入加滚动和刮切等多种运动的复合。单齿圈复合运动破岩系统能够真实模拟全尺寸钻头上牙齿的运动、受力和破岩的状况,可获得较真实和完整的在一定钻头结构、钻压和转速下无重复破碎的井底破碎坑,从而为评价现有钻头性能和开发设计新型钻头提供重要的依据。研究单齿圈破岩理论,建立单齿圈复合破岩系统几何模型和动力学模型,对于分析不同类型钻头的破岩效率和建立钻头破岩的计算机仿真系统都具有非常重要的意义。通过ABAQUS有限元分析软件建立单齿圈复合运动破岩系统有限元分析模型,采用线性D-P模型模拟岩石材料,进行了单齿圈复合运动破岩系统的仿真。     

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。     

PDC钻头钻进的岩石可钻性研究

用微型PDC试验钻头模拟全尺寸PDC钻头的切削破岩方式在岩样上钻孔,测定了石油钻井所遇地层岩心的微PDC钻头可钻性指数(PDT).研究了微PDC钻头可钻性指数和微牙轮钻头可钻性指数(UDT)的关系.研究表明,基于牙轮钻头钻进特点的油矿地层可钻性分级.同样适用于PDC钻头钻井.在岩石可钻性方面.PDC钻头对地层的适应性较差.PDC钻头钻进时,存在着极限等级值和有效等级值.当地层等级值大于极限等级值时。其破岩效果差,当等于或小于有效等级值时,效果最好.     

牙轮钻头牙齿与岩石垂向互作用仿真模型

建立钻头牙齿与岩石的互作用仿真模型是实现钻头与岩石互作用仿真研究的核心问题之一。本文以岩石破碎力学为基础,从钻头牙齿与岩石的互作用特.点出发,突破通常的力/侵深曲线描述方法,推导出了钻头牙齿与岩石垂向互作用仿真模型。并在该模型中用岩石硬度、塑性系数和弹性系数来反映岩石的力学性质,从而使模型具有较宽的应用范围。     

旋切方式作用的新型钻头破岩特性与试验分析

在分析传统三牙轮钻头破岩特性的基础上,提出一种旋切方式破岩的新型钻头(旋切钻头)。运用柱坐标与复合运动原理,建立破岩过程切削齿的位置方程、速度方程和加速度方程。同时结合算例参数,分析不同齿圈切削齿破岩过程接触段上的速度和加速度分布规律。根据加速度计算结果进行切削齿破岩工作力学和失效机制研究。结果表明:在钻进过程中,旋切钻头的切削齿以冲击、旋切方式破岩,不同齿圈切削齿同时切削井壁,且大齿圈切削齿过井眼中心,运动速度快,可有效地提高钻头心部破岩效率。试验结果验证了算例分析和计算方法的正确性,建立的计算方法修正了现有研究的部分错误,且适用于其他牙轮钻头与复合钻头的研究。     

适合于研磨性硬地层的新型孕镶金刚石钻头优化设计试验研究

针对现有钻头在研磨性硬地层中普遍存在钻速低、寿命短的问题,研制了一种孕镶钻齿,通过室内试验优选胎体配方和金刚石参数,设计了一种新型孕镶金刚石钻头,并进行了现场应用。孕镶钻齿设计为圆柱形,以铸造碳化钨和碳化钨为胎体骨架材料,以浓度为25%、粒度为80目的天然金刚石颗粒为磨削元件,采用热压工艺烧结合成。新型孕镶金刚石钻头冠部形状设计为直线-圆弧-圆弧型双锥剖面,采用等间距高密度径向布齿,布齿间距为2 mm,采用横卧和竖立两种方式周向布齿。现场应用结果表明,新型孕镶金刚石钻头可提速79%左右,使用寿命是牙轮钻头寿命的2倍以上。     

高速牙轮钻头轴承双金属密封有限元分析

实践表明：三牙轮钻头中只要一只牙轮的轴承先期损坏,就使整个钻头很快失效。钻头的使用寿命几乎直接取决于钻头轴承的寿命,而轴承的寿命在很大程度上又依赖于密封的寿命。针对目前在高转速条件下,三牙轮钻头轴承的双金属密封系统早期失效严重,导致轴承寿命短,钻头失效更换频繁,大大降低了钻井效率,增加了钻井成本的严重问题,本文开展高速牙轮钻头轴承的双金属密封的有限元研究。阐述了仿真研究的模型建立、网格划分、材料定义、接触定义及边界条件等相关问题。分析了双金属密封中橡胶圈的应变、压缩率的变化规律及两金属环密封面的接触压力分布规律。找到了双金属密封结构中两金属环密封面的接触压力分布趋势不合理及橡胶圈压缩率过大的问题,并提出新型双金属密封结构的改进思路,为新型双金属密封结构的设计提供了较可靠的理论依据。该研究对于提高牙轮钻头的使用寿命,降低钻井成本和提升我国石油钻具的技术水平具有重大实用价值和现实意义。     

底部钻具组合参数设计的评价方法

考虑钻具的设计参数对钻进趋势的影响,提出了钻进趋势角的概念,以此作为底部钻具组合设计效果的评价指标。结合底部钻具的力学分析方法与钻头和地层各向异性理论,建立了一套钻具参数设计效果的评价方法。该方法可分析钻具结构参数、地层参数、钻井施工参数等对钻进趋势的影响规律,从而可以为适应不同井眼条件对钻具性能的要求,提供合适的钻具结构设计参数和操作参数。理论及应用研究表明:(1)钻头侧向力等于零的位置并不是钻具钻进趋势发生改变的位置;(2)如果稳定器位置安放合适,钻压也可以在一定范围内改变钻具的钻进趋势;(3)在直井防斜作业中,使用牙轮钻头比PDC钻头可以起到更好的防斜效果。     

软地层牙轮钻头台架试验研究

本文对215.9XHP25—1型和215.9HPZ型软地层三牙轮钻头钻资中砂岩和嘉一灰岩,进行了大量的室内物理模拟试验,通过数据采集和数据处理系统得出了这两种钻头扭矩、机械钻速随钻压的变化关系以及其平均传动比,为这两种软地层钻头的改进和设计提供了重要的试验数据。     

牙轮钻头滑动轴承仿生鲨鱼皮织构化表面润滑性能

牙轮钻头在超深井和大水平井的使用受到广泛关注,由于地层环境复杂化,为了使牙轮钻头有更高的稳定工作性。通过对合金材料表面织构化处理减摩效果的研究,结合鲨鱼皮减阻润滑的优势,针对牙轮钻头薄弱环节滑动轴承摩擦结合面进行了仿生鲨鱼皮织构化处理,基于所选取仿生织构的形貌参数构建滑动轴承流动润滑理论模型,采用有限差分法求解,获取润滑油的油压分布、承载能力及滑动轴承摩擦力,并探究阶跃冲击载荷下滑动轴承动压油膜的响应情况。结果表明：牙轮钻头滑动轴承流体润滑状态下,深径比大于0.3且面积率大于0.25的仿生表面织构对油膜承载力有增强效果;仿生表面织构在较低油膜压力下对油膜摩擦力影响突出,油膜摩擦力提高了14.12%;偏心率越大仿生表面织构对油膜承载力的提升效果越好,在偏心率为0.8时承载力提高效果达到200.45%;同时仿生织构的对滑动轴承流体润滑的轴向稳定性有提升效果。牙轮钻头滑动轴承仿生织构化处理有效地改善了滑动轴承润滑性能。可见,合适的织构尺寸能进一步提高滑动轴承处于流体润滑的适用工况范围,提高牙轮钻头的使用寿命。     

空气冲旋钻井机械钻速仿真算法

钻井机械钻速预测是难题.以前,研究者们常根据现场数据或试验数据,用统计拟合分析方法得出机械钻速的经验或半经验关系式.这些经验或半经验公式包括一些很难确定的系数准确性和可靠性差.为此,作者结合三牙轮钻头有关的理论,建立了空气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空气冲旋钻井机械钻速.使用表明,该模型可靠,计算结果与实际机械钻速基本一致,研究成果可用于冲旋钻头改进、优化设计和钻井参数优选.