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。     

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．     

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。     

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。     

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，并开了了相应的ＣＡＤ软件，该软件还可进行覆盖系统分析，提供优化布齿的依据。     

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     

CAD在牙轮钻头设计中的应用

本文介绍电子计算机辅助设计技术,在石油钻井牙轮钻头设计中的应用。文中主要阐述了牙轮钻头设计全套软件的内容、软件原理,、特点以及使用软件的基本方法。该套软件以牙轮钻头几何学、运动学为理论基础,合理利用AUTOCAD绘图软件包功能,按照牙轮钻头设计及制图要求,采用FORTRAN77语言设计编制程序并制成成套软件。该套软件能方便地用于牙轮钻头设计计算和绘制设计图样。该研究成果居国内领先地位.     

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。     

三牙轮钻头滑动轴承失效分析

三牙轮钻头轴承的使用寿命直接决定了钻头的寿命。为了弄清三牙轮钻头轴承的失效形式、原因及机理,进一步提高三牙轮钻头轴承的寿命,分别对现场失效的三牙轮钻头轴承进行宏观和微观分析。结果表明,密封系统失效是轴承失效的主要原因之一。同时,轴承所受载荷过大且分布不均,温度过高导致材料表面金属强度和耐磨性降低,以及轴承与牙轮之间配合间隙过大,工作时晃动导致受力不均等原因也是造成牙轮钻头轴承的快速失效的主要原因。     

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。     

大尺寸牙轮钻头结构设计问题的分析

针对深井上部大直径井段中牙轮钻头机械钻速低的问题，从设计角度对目前大尺寸牙轮钻头的齿面结构和水力结构进行了分析和讨论。     

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。     

牙轮钻头以车代磨加工工艺研究

介绍了石油钻井用三牙轮钻头的结构特点和工作原理。分析了牙轮钻头目前采用的加工方法和工艺特点,着重分析了三牙轮钻头主要零件牙轮的内孔、二止推面采用常规磨削加工工艺方法存在的问题;并从加工机床、刀具材料的性能及选择、切削用量的选择、切削液的性能以及安装定位等方面对采用以车代磨加工工艺方法进行了分析研究。现场统计数据资料表明,采用以车代磨加工工艺方法生产的牙轮钻头,不仅降低了加工成本,而且使钻头的使用寿命有大幅度提高,进一步说明采用以车代磨的加工工艺方法的合理性和实用价值。     

大尺寸牙轮钻头结构设计问题的分析

针对深井上部大直径井段中牙轮钻头机械钻速低的问题，从设计角度对目前大尺寸牙轮钻头的齿面结构和水力结构进行了分析和讨论。与Φ２１５．９ｍｍ钻头相比，在相同地层条件下，Φ４４４．５ｍｍ钻头牙齿与井底岩石的最大接触应力低１８％～２８％，相同齿圈上的齿顶间距增大７０％～８０％，井底面积覆盖率减小了近５０％，平均单齿破岩量增加了１．７４倍，因而在硬地层和砾石层中破岩效率要低。在相同机泵条件下，Φ４４４．５ｍｍ钻头的井底比水功率远低于Φ２１５．９ｍｍ钻头，井底和钻头清洗状况不良，影响了机械钻速。因此，应根据大尺寸牙轮钻头的具体情况，对齿面结构和水力结构进行改造，以提高钻头的破岩效率和清洗效率。同时应增加钻头类型，完善钻头系列。     

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。