三牙轮钻头破岩过程计算机仿真模型

进行钻头钻进过程的仿真对于优化钻头设计、提高破岩效率以及钻头选型都有着重要的应用价值。以现场实钻数据为基础,采用"黑箱法"为钻头钻进岩石互作用仿真模型的基本建模方法,对决定钻头钻进性能的齿坑模型和牙齿吃入岩石的力-吃深模型进行了仿真建模。并采用误差梯度下降算法来估计不同钻头结构和岩石性质所对应的模型参数,进而实现对钻头钻进过程的仿真。采用实钻数据反演的建模思路有利于利用大量的现场数据实现对模型的完善,更好地反映现场的各种钻井工况,使钻头破岩仿真技术在实用性和经济性上前进一大步。

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。

三牙轮钻头硬质合金堆焊层微观组织分析

研究了WC -Co、铸造碳化钨硬质合金的淬火及深冷处理等热处理工艺 ,分析了WC -Co、铸造碳化钨硬质合金的金相组织 ,分析了WC -Co、铸造碳化钨硬质合金淬火和深冷处理提高性能的原因。研究了淬火和深冷处理提高性能的机理。结果证实WC -Co硬质合金金相组织为γ′和M7C3 、M6C、M2 3 C6型化合物 ,铸造碳化钨硬质合金金相组织为 η和M7C3 、M6C、M2 3 C6型化合物。淬火及深冷处理能强化粘接相 。

基于MATLAB的三牙轮钻头仿真模型研究

在钻头几何学研究的基础上,通过坐标变换依次建立起了三牙轮钻头的牙齿、牙轮和钻头的计算机仿真几何结构模型;并在MATLAB编程语言环境下实现其数据的可视化,获得了他们的三维实体图形,包括其形状、大小和位置。结果表明MATLAB编程简单易写,结果正确可靠。该研究为在MATLAB环境下进行牙齿的运动仿真和钻头与岩石互作用仿真研究奠定了基础。

三牙轮钻头轮体速比仿真模型研究

三牙轮钻头轮体速比对进行仿真研究,指导钻头结构设计、钻头选型等都起着关键性的作用。从理论上分析了三牙轮钻头的几何结构与牙齿受力的关系,确定牙轮存在一个主动齿圈,并结合最小功原理建立了求解轮体速比的模型,结合钻压以及岩石性质对轮体速比的影响,对该模型进行了修正。将钻头钻进砂岩时的台架试验牙轮/钻头速比实验值和利用模型计算所得牙轮/钻头速比计算值进行了对比,结果表明,该仿真模型能够有效地预测三牙轮钻头的轮体速比。

三牙轮钻头几何学仿真与MATLAB的实现

在钻头几何学的基础上,通过MATLAB编程,建立了三牙轮钻头计算机仿真几何结构模型,获得了仿真模型的三维实体图形,模型真实地反映了钻头上各个牙齿的形状、大小和位置。结果表明,通过MATLAB编程来实现三牙轮钻头的几何仿真模型的建立,程序简单,结果可靠。这些研究成果为在MATLAB环境下进行牙齿的运动仿真和钻头与岩石互作用仿真研究提供了正确可靠的模型基础。

三牙轮钻头3D运动仿真与分析

在PRO/Engineer环境下创建牙轮、牙爪以及各个牙齿的模型,使用合理的连接将其装配并约束。然后在PRO/Engineer的Mechanism模块中,对三牙轮钻头设置载荷、约束及边界条件,确定初始条件,模拟钻头运动(包括钻头转动、牙轮传动及钻头整体向下运动),测量并输出牙齿上某一点位移、速度、加速度及空间运动轨迹等数据。对比分析牙轮上各齿如背锥齿、外排齿及内排齿等所取点的各种数据,并对不同参数组合情况下输出进行了分析和对比,得到三牙轮钻头牙齿在钻进过程中各齿的运动状况,为钻头的几何设计和性能设计提供了丰富的、有用的信息,对牙齿破碎岩石的力学模型和坑的模型建立有着重要的意义。

高温地热井三牙轮钻头的研制与应用

由于深部地层温度高、井下环境十分恶劣,高温地热井钻井施工过程中所使用的三牙轮钻头普遍存在着掉齿的现象,给钻头的寿命和单趟进尺都带来了非常不利的影响,因而亟待开展适应高温地热井钻井的钻头固齿力学和钻头延寿方面的研究。为了解决高温地热井钻井过程中的三牙轮钻头掉齿问题,基于实验分析和数值模拟,开展了三牙轮钻头固齿强度研究,研制了个性化的三牙轮钻头新产品并进行了现场应用。研究结果表明:(1)在同等齿型直径及固齿过盈量参数条件下,180℃高温环境下固齿强度下降幅度介于14.7%~83.3%;(2)切削齿直径和镶齿过盈量对于三牙轮钻头固齿强度的影响十分显著,增加齿孔间接触面积及优化镶齿过盈量能够有效提高齿孔对切削齿的固紧力;(3)新产品在东非大裂谷OLKARIA区块地热资源钻探现场应用的效果表明,该新钻头能够有效地防止高温地热钻井钻头掉齿、提高综合破岩效率、降低钻井成本。结论认为,该研究成果对于我国青海、西藏及海南等省区高温地热井钻井用钻头设计与应用具有重要的参考价值。

三牙轮钻头牙轮齿孔表面装配应力测试分析

采用应力电测法对三牙轮钻头牙轮齿孔表面装配应力进行了实际测试 ,测试结果表明 :单齿压入时 ,齿孔变形将受到牙轮纵横向刚度差异的影响 ,在一定过盈量情况下 ,齿孔变形呈椭圆趋势 ;随着过盈量的增加 ,齿孔孔表的周向应力和径向应力将全部变成拉应力 ,这是导致齿孔产生裂纹的重要因素 ;邻孔压齿对测试孔装配应力有明显的影响 ,影响程度与齿孔距有关 ;齿孔计算模型以及牙轮设计和加工过程中 ,必须考虑牙轮纵横向刚度以及邻孔压齿的影响。

三牙轮钻头材料Ni65的冲蚀磨损机制研究

针对三牙轮钻头流道内实际工况,研究了钻头材料N i65和对比材料N i67和N i60+35%WC的冲蚀磨损特性。结果表明:N i65和N i67的冲蚀磨损阶段分为跑合期和稳定期,N i65磨损机制主要是微切削,而N i67的磨损机制主要是疲劳损伤和微切削;而N i60+30%WC的冲蚀磨损阶段为跑合期与周期性的稳定磨损和严重磨损期,其磨损机制主要是硬质点的脱落和疲劳点蚀。在试验过程中均伴有空蚀磨损。

三牙轮钻头钻进时钻柱轴向振动的特征

由于三牙轮钻头的特殊几何结构，钻进过程中在岩层顶部容易形成一个三脊状井底，正是这一三脊状井底，当钻头旋转一周时钻柱轴向三次凸凹变化，由此在轴向产生１倍、２倍和３倍及其更高次倍于转盘转速ｒｐｍ的谐波振动。另外，三牙轮钻头与地层作用破岩时牙轮牙齿产生啮合振动，由于三脊状井底对啮合振动进行幅度调制形成调幅信号，根据调幅信号的频率特征，振动信号在频域表现为具有一定边带的一束谱线，它是钻头工作正常的“健康信号”。本文总结出了三牙轮钻头钻柱轴向振动的一般规律，并通过华北油田固１０８井实际测量数据分析，这一特征已经得到现场数据的验证。

基于动态链接库的三牙轮钻头仿真软件开发

利用计算机仿真技术,在三牙轮钻头几何学、运动学模型基础上,建立了钻头与岩石互作用模型。为解决软件运行效率及界面友好性问题,采用MATLAB软件编制程序进行模型求解,并将各求解模型分别编译成动态链接库。采用VB.NET开发软件的输入界面,实现了其与动态链接库的数据交换。利用该软件可在计算机上进行牙轮钻头仿真试验,这将大大提高牙轮钻头的开发效率,对解决工程实际应用问题有意义,对于其他仿真软件的开发具有很好的参考价值。

三牙轮钻头与地层相互作用动力学数值模拟

三牙轮钻头与岩石相互作用时,牙轮不仅绕钻头轴心线公转,还要绕各自的中心轴线自转,较难用一种简单的几何曲线描述其运动轨迹,钻头破岩过程中的受力更加复杂。采用有限元法对三牙轮钻头与地层相互作用进行了仿真模拟,为分析钻头破岩过程及作用机理提供了一种有效的动力学分析方法。

三牙轮钻头滑动轴承副接触有限元分析

采用ANSYS分析软件的参数化设计语言APDL,利用接触问题的有限元法,对三牙轮钻头牙轮和牙爪间的间隙进行了分析和研究。首先建立了三牙轮钻头滑动轴承三维模型,然后利用网格划分技术对牙轮和牙爪进行网格划分和单元属性定义,最后施加边界条件进行接触有限元分析求解。通过调整间隙,得出不同间隙的轴承接触Mises应力峰值。经过分析比较,推荐轴承Mises应力峰值较小的尺寸间隙,用以指导生产。

■215.9XHP5—4型三牙轮钻头有限元计算结果及检验实验

本文阐述了将 215.9XHP5-4型钻头置于钢井底并施以大钻压的条件下,运用应变片电测技术,实测牙爪和牙轮壳体表面特定点的应变值,并与相同条件下所得的有限元静力计算结果进行了比较,以检验理论计算的误差。

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。

基于UG平台的三牙轮钻头CAD系统研究

文章以UG为开发平台,采用参数化设计思想开发了一套三牙轮钻头CAD系统。进行了牙轮钻头CAD系统结构及开发原理研究,并针对实例运用参数设计及特征造型的基本原理,对牙轮钻头牙轮、牙齿及齿槽进行了造型,同时实现了牙轮与牙齿的装配以及三个牙轮的虚拟装配。该系统界面简洁直观、操作方便、具有良好的人机交互及可扩充性和移植性。本研究为进一步实现在UG平台下开发更加完善的三牙轮钻头CAD系统提供了研究基础。

三牙轮钻头三喷嘴优化组合的研究

通过大量的现场试验 ,得出三牙轮钻头三喷嘴优化组合的经验比值。实践证明该经验比值实用可靠 ,尤其是应用于上部地层时能明显提高机械钻速 ,对现场施工有一定的指导意义。

三牙轮钻头传动比的测试实验及分析

用两种不同类型的三牙轮钻头在不同钻压和转速的条件下对两种不同性质的岩石钻进，测试各牙轮的传动比。发现各牙轮的传动比总是稳定在某一系列数值或在其间发生“阶跃”波动。经分析得出，牙轮钻头的传动比主要取决于各牙轮上某一齿圈并与井底模式有必然的联系，钻头转速对传动比基本上不发生影响，而钻压与岩石性质对传动比有一定的影响；铣齿钻头中各牙轮的相互影响较突出，镶齿钻头中各牙轮的相互影响不明显。

三牙轮钻头牙齿动载的测试

文章介绍的测试牙轮牙齿动载的方法,可以获得钻头工作状态下同一瞬时各牙轮各齿圈牙齿上的受载情况。作者利用轴向力、切向力和径向力对一个牙齿上的载荷进行了讨论,研究出有关牙齿载荷的一些性质。作者称,这种测试方法适合于各型三牙轮钻头。