植树挖坑机钻头扭转振动数学建模与仿真

利用机械振动理论及弹性动力学原理,建立了植树挖坑机钻头工作扭转振动模型,并用有限差分法得到钻头扭转振动仿真模型;系统地分析了钻头下端部件与土壤的相互作用力、钻头重力及惯性力等因素的耦合,给出了动态的边界条件和初始条件。运用自行开发的软件进行仿真实验,通过现场实验验证,证明了所建模型及所开发的软件的正确性和有效性。为整机动态特性研究,合理预测和控制钻头的运动规律,改善钻头的动力学特性,提高钻头工作效率及改进设计方法提供了理论依据。     

钻头各向异性钻井特性的理论分析和试验

基于钻头与地层相互作用模型,对钻头的各向异性钻井特性进行了理论分析,用两个特性参数定量描述了钻头转角对并料变化和方位漂移的影响。对钻头各向异性的试验研究表明,钻头各向异性指数可用室内试验来确定。     

钻头各向异性钻井特性的理论分析和试验

基于钻头与地层相互作用模型，对钻头向异性钻井特性进行了理论分析，用两个特性参数定量描述了钻头转角对井斜变化和方位漂移的影响。对钻头各向异性的试验研究表明，钻头各向异性指数可用室内试验来确定。     

钻头各向异性对底部钻具组合力学特性的影响

本文结合岩石—钻头相互作用模型,应用两维底部钻具组合(BHA)力学特性分析程序(用半解析法求解,文中略)分析结果,分析计算了钻头各向异性指数对有效钻力的影响;并根据三种典型的增/降/稳斜钻具组合的力学分析结果具体计算了不同钻头各向异性指数对有效侧向钻力的影响,并据此结果作出了相应的关系曲线,进而分析了钻头各向异性指数对井眼轨迹的影响,得出了具有不同钻头各向异性指数值钻头对钻具组合力学特性的影响规律。     

基于小波变换的钻头实验信号降噪方法

在钻头破岩实验中存在钻头对岩石的周期性动载冲击,同时受实验设备和环境等因素的影响,在动态信号中存在着大量噪声,无法获得准确的测试数据,实验结果往往不能真实反映实验的特性和规律。基于小波变换的浮动阈值方法,建立了一套用于钻头破岩实验测试信号噪声压制方法,通过对实验和实测数据的处理和分析,证明了方法有效性,提高了实验数据的准确性和可靠性。     

钻头磨损在线监测研究

本文研究了钻头磨损对钻削过程中振动加速度信号的动态特性的影响。发现加速度信号中敏感频率分量随着钻头磨损的增加呈明显的“碟形”规律变化。我们提出用敏感频率分量的自功率谱值(PSD)作为特征量。建立了特征量与钻孔数之间的状态空间方程;提出了钻头磨损在线自适应监测方法。该方法打破了故障诊断和状态识别中设置“阈值”的传统做法;另辟蹊径。     

油基钻井液驱动下射流式液动冲击器的动态特性分析

在油气勘探领域,射流式液动冲击器常被用来加速硬岩钻井,降低钻柱摩擦,解决钻头粘滑等问题。实验表明,利用清水不能准确预测实际钻井中油基钻井液驱动的射流式液动冲击器性能。采用模拟和实验相结合的方法,研究了油基钻井液对射流式液动冲击器的动态特性的影响。结果表明,油基钻井液密度和固相颗粒对液动冲击器的压力降及运动特性具有显著影响。在液动冲击器的工作流量范围内,由于高速流体的剪切稀释特性,油基钻井液的非牛顿流变特性对其输出特性影响不大。总的来看,射流式液动冲击器可以在油基钻井液中稳定工作,具有正常的动力水平和良好的适应性。     

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。     

岩石取芯切削钻进过程温度分析与试验研究

为深入研究取芯钻钻头在钻进过程中的温度变化规律,归纳影响钻头温度的各类参数,建立钻头温度解析计算模型;结合红外热像仪,实现取芯钻工作条件下钻头温度的定性分析。研究结果表明:摩擦热占据取芯钻热功转换的绝大部分,在其他条件不变的情况下,增加进给力能够加大钻头的摩擦热,温度明显增加;增大钻头的尺寸和转速,使钻头发生更剧烈的剪切和摩擦,从而温度增大。钻头的进给力、尺寸和转速与钻头温度呈现明显的正相关特性,而决定剪切热的主切削力则对温度的影响变化不显著。试验中岩石切屑对观测结果有一定影响,但试验结果与理论计算结果基本相符。     

导向钻井工具姿态动态测量的自适应滤波方法

垂直导向钻井工具在近钻头振动和工具旋转的钻井工作状态下,工具姿态参数的动态测量精度不高。为此,通过理论分析和数值仿真,提出了转速补偿的算法以消除工具旋转对测量的影响;采用最小均方算法(Least Mean Square—LMS)自适应滤波算法,可以有效滤除近钻头振动对测量的影响。数值仿真表明,经过转速补偿和LMS自适应滤波后的井斜角测量误差可小于0.1°,工具面角测量误差小于6°,有效地提高了垂直导向钻井工具的动态测量精度。     

深井/超深井双作用强侧切开窗钻头研究

针对深井/超深井套管开窗侧钻中套管壁厚且强度高、岩石可钻性差、钻头切削齿极易先期钝化导致的开窗效率低/开窗失败的问题,创新性地设计了一种双作用强侧切开窗钻头。设计中考虑了开窗钻头钻进的稳定性及载荷分布的均匀性,钻头冠部设计为内锥双圆弧面和柱面,采用"等切削、等功率与等磨损"布齿理念和"螺旋高低交错"布齿规律,既能满足高效侧切金属又能快速切削岩石的设计目标;通过专有加工工艺技术的研究,完成了该新型开窗钻头的加工制造,并进行了现场应用。现场实际应用结果表明,与传统磨铣式铣锥开窗相比,研制的双作用强侧切开窗钻头由于采用了优化的布齿设计,钻头轮廓剖面扁平、切削面较短、横纵比较小,在窗口处有较强侧切力,切削套管产生的铁屑为大片状,效率提高了2.6倍以上,节省了窗口形成的施工时间和施工成本,能很好地适应深井/超深井硬地层的开窗侧钻作业。     

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。     

一种PDC钻头布齿算法

本文讨论一种复合片金刚石钻头的布齿算法,该方法的依据是等切削原理,即在钻进过程中复合片金刚石钻头每个齿的切削量相等或近似相等,可望获得各齿均匀负荷、延长钻头寿命、提高钻井效率的目的。文中结合工程实际、分析计算精度、生成工程数据表,最后由计算机实现计算和绘制钻头布齿图,具有一定的工程实用意义。     

被卡钻杆的环向聚能弹爆破切割技术及应用

为了能有效地通过爆破切割来处理被卡钻杆,运用聚能原理设计了环向聚能切割弹,成功将钻杆沿钻头顶部与钻杆连接处的水平面切断,回收了钻头以上全部钻杆.结合工程实例,介绍了环向聚能切割弹的设计方案,并针对实际施工过程中的药量确定、网路设计、防水措施等作了详细说明,对类似工程施工具有一定的参考价值和指导意义.     

PDC磨损齿切削破岩过程的实验研究

为探究深部钻井PDC钻头切削齿在磨损状态下的切削破岩过程,选取深部钻井PDC钻头上不同磨损程度的PDC齿开展单齿切削实验,借助应力测试系统、高速摄影机和热红外成像仪分析磨损齿的受力状态、温度变化规律以及岩石裂纹扩展过程。结果表明,与未磨损齿相比,磨损齿所受切削力更大、温度变化更明显,且更易产生大体积岩屑,这将导致钻头在井下振动加剧,磨损急剧加快,严重影响其使用寿命;切削花岗岩时切削力和温度大幅上升的问题更加突出,但更容易发生体积破碎,产生较大块的块状岩屑。研究成果将有助于重新认识真实井底磨损齿切削破岩及温度变化规律,并为钻头设计及井下寿命评估提供重要参考。     

可加工陶瓷材料ZrO2/CePO4钻削刀具的磨损

通过ZrO2/CePO4陶瓷的钻削实验,研究刀具磨损特性,分析各因素对刀具磨损的影响.分别应用硬质合金和高速钢钻头对制备的可加工陶瓷ZrO2/CePO4进行钻削加工.通过主后刀面的磨损测试和电镜观察,考察ZrO2/CePO4钻削中的刀具磨损形态、过程以及刀具材料、刀具角度、冷却条件对刀具磨损的影响.结果表明,高速钢刀具因磨损严重,不适于ZrO2/CePO4陶瓷的钻削.可加工陶瓷ZrO2/CePO4钻削过程中,硬质合金钻头的磨损主要包括3种形态:主后刀面磨损、第一副后刀面磨损和横刃磨损.与低碳钢比较,钻削ZrO2/CePO4陶瓷时硬质合金刀具的磨损速度增长较快,冷却条件对刀具磨损的影响显著.刀具材料和冷却条件是影响ZrO2/CePO4陶瓷钻削刀具磨损的主要因素.     

浮式海洋钻井钻柱对大钩位移的响应分析

海洋钻井平台的升沉运动对钻柱、钻压以及钻井操作具有较大影响.建立海洋浮式钻井平台钻柱系统动力学模型,利用级数法和机械振动理论求解得到钻柱系统运动响应,推导得出大钩位移量与钻压变化量的数学公式,通过Matlab计算得到给定钻柱长度下大钩的允许位移.分析计算结果为浮式钻井平台升沉补偿装置的开发提供设计依据,可以作为升沉补偿...     

基于应力分析的钻具设计方法优化

钻具钻进过程中不断振动,其产生的交变应力促使钻具发生疲劳失效。钻具组合设计时多是考虑轴向应力对钻具的影响,很少考虑到振动的影响,考虑因素单一。为提高钻具钻进过程的安全性,基于钻柱所受轴向应力,考虑钻柱振动时所受动态应力,结合疲劳失效原理,建立了一种应力安全分析模型,并通过室内试验验证模型的合理性,进而分析钻柱整体在不同钻进条件下的安全系数和存在的危险位置,总结提出钻具组合优化方法。结果表明：转速对钻具的安全系数影响较大,钻压的影响程度较小;除了钻具井口位置,加重钻杆底部、钻铤底部均存在疲劳失效的可能;钻具优化方法可以提高钻具整体安全性。本文从应力方向角度分析了钻具的安全情况,提出了优化方法,为以后的钻具设计提供了参考。     

塔河油田同心随钻扩眼钻柱动力学研究

老井侧钻是解决塔河油田含水率增加的主要技术,但井眼直径变小会对后续作业产生很大的影响,应用随钻扩眼技术可以解决此问题。但也存在钻柱动力学稳定性差、扩眼效果不理想和钻速低等问题。基于弹性力学理论及有限元分析方法,考虑弯曲井眼中钻柱受力、钻柱结构和领眼钻头与扩眼工具处钻压扭矩分配等因素的影响,由该区一口实例井扩眼参数建立了侧钻井同心随钻扩眼钻柱瞬态动力学模型。并研究BHA在小井眼中的运动状态,全钻柱关键位置动应力变化、井口轴向力、井口扭矩、钻柱轴向加速度和钻柱等效应力随加载时间的变化,模拟结果可为研究同心随钻扩眼钻柱的动力学性能和优化随钻扩眼施工参数提供了理论支持。     

全井段钻头序列的优化方法

根据钻头数据库统计资料,应用动态规划及多阶段决策理论,建立了全井段钻头序列优化的多阶段决策模型及计算方法,编制了计算机应用程序。运用此程序即可给出一口井的钻头序列选型和配合参数的优化设计方案。