井底压力下牙轮钻头浮动套轴承性能分析

为了探究井底压力下215.9 mm牙轮钻头浮动套轴承的平衡转速比、摩擦学性能、油膜压力分布随内外间隙比的变化规律,修正了考虑浮动套轴承实际井下环境压力和牙轮钻头密封压差的Reynolds边界条件,利用MATLAB中的PDE Toolbox对浮动套轴承Reynolds方程进行数值求解,分析内外间隙比对浮动套轴承平衡转速比、油膜压力及摩擦因数的影响规律,结果表明:当环境压力为60 MPa、密封压差为20 MPa时,随内外间隙比增加,浮动套平衡转速比呈现先增大后减小的趋势;以轴承的摩擦因数和油膜压力作为综合评价指标,钻头浮动套轴承内外间隙比为2.0时,轴承的摩擦因数较小,油膜压力较高,其轴承综合性能较优;而当浮动套轴承内外间隙比为2.0时,随着环境压力的升高,浮动套轴承的摩擦扭矩和摩擦因数增加,从而加剧轴承的磨损。该研究为牙轮钻头浮动套轴承的结构参数优化及性能提升提供了基础理论支撑。

牙轮钻头Ti(C,N)基金属陶瓷密封配副磨损研究

目前牙轮钻头金属密封环通常采用相同的金属材料,其磨损性能不佳,易造成金属密封因磨损严重而失效。为提高金属密封的磨损性能,提出采用Ti(C,N)基金属陶瓷作为牙轮钻头密封副,并开展其与不同材料配副的磨损试验,研究不同摩擦副的摩擦磨损性能和磨损形式;建立适用于牙轮钻头金属密封材料的数值磨损模型,开展Ti(C,N)基金属陶瓷与不同材料配副的双金属密封性能的数值模拟,基于磨损模型预测使用30 h后不同双金属密封的磨损体积。试验结果表明:当Ti(C,N)基金属陶瓷作为动摩擦副,9CrSi作为静摩擦副时,金属环表面平均磨损体积最小,同时摩擦因数较小,磨损性能更佳。通过试验与仿真数据对比,验证了建立的数值磨损模型适用于双金属密封。仿真结果表明:当Ti(C,N)基金属陶瓷作为动金属环,9CrSi作为静金属环时密封端面磨损体积最小,金属密封磨损性能显著提高,其接触应力最大值为23.243 MPa,能够满足密封要求。

受力分析在牙轮钻头失效分析中的应用

文章将物理学中的受力分析应用于KX84系列牙轮钻头的牙爪大跑道的失效分析。首先,文中基于“压力-压强”转换,根据轴压确定了牙轮钻头系统所承受的压力。其次,根据“切向力-法向力”分解,对牙轮钻头所受的压力进行受力分解,确定了牙爪大跑道所承受的压应力。最后,对切应力进行分析,确定了裂纹萌生的范围。结合相关数据发现,KX84-250牙轮钻头和KX84-310牙轮钻头裂纹萌生深度分别为0.7 mm(计算结果为0.45 mm~0.78 mm)和0.85 mm(计算结果为0.57 mm~0.98 mm),计算结果与实际观察结果相符。文中给出的案例对物理教学和失效分析都有促进作用。

牙轮钻头密封试验技术研究及密封圈性能评价

牙轮钻头在深井钻进时会受到高温、高压、摩擦以及腐蚀等多个因素的共同作用,直接影响密封圈的使用寿命,进而影响钻头寿命。为此,进行了牙轮钻头密封试验技术研究。首先,设计了牙轮钻头密封试验机,设计了试验机各功能模块;其次,对O形橡胶密封圈和径向对称扁平橡胶密封圈在多因素影响下的密封性能进行了有限元分析,同时结合接触应力评判准则和von Mises准则对密封圈性能进行了评价和对比;最后,进行了密封圈在多因素作用下的寿命测试实验,并将实验结果与仿真结果进行了对比。实验结果验证了试验机进行牙轮钻头密封试验的可行性及可靠性。所设计的牙轮钻头密封试验机能预测牙轮钻头密封圈的使用寿命,具有广阔的工程应用前景。

KX732-250型矿用牙轮钻头滚子轴承失效分析

矿用牙轮钻头是矿山开采的重要工具之一,高达86.56%的轴承失效是制约矿用牙轮钻头寿命的关键因素。为探究KX732-250矿用牙轮钻头滚子轴承失效的原因,通过宏微观观测、能谱分析、金相组织分析等方法,对钻头轴承的滚柱和轴颈损伤痕迹进行研究。结果表明,轴承出现明显的失效分区以及变形,轴颈上表现为以磨粒磨损和黏着磨损两种形式为主的非承载侧、以疲劳剥落为主的承载侧。轴承滚柱及轴颈上均出现应力集中现象,而轴承的硬度不均、未淬透和气孔等问题致使轴颈成为引发失效的诱因。因此建议,对轴承滚柱进行修型以减小应力集中防止轴颈凹陷变形,及对轴颈的热处理工艺进行优化减小热处理所带来的缺陷问题,以此延长轴颈使用寿命,进而延长整个钻头的使用寿命。

小尺寸单牙轮钻头轴承设计研究

目前，在我国单牙轮钻头的结构设计还没有标准系列，因此本文应用有限元法，建立了小尺寸单牙轮钻头轴承的力学模型，并推导出了轴承与牙轮接触区域的分布载荷ｐ（θ）的具体表达式，突破了常规的集中载荷法的钻头轴承设计。文中所建立的有限元力学模型，可对轴承内部的应力进行详细地分析，并能确定出轴承内的危险点及危险区域，为轴承强度设计提供理论依据。同时文中给出了轴倾角β＝３０°时，小尺寸单牙轮钻头结构尺寸系列及其相应的屈服钻压和设计钻压。

三牙轮钻头失效原因

论述三牙轮钻头在钻进过程中受到岩石磨损、钻井液冲蚀磨损、制造误差和使用不当等因素影响，造成各种失效形式，从而分析并提出改进措施，达到提高钻头质量降低钻进成本的目的。

牙轮钻头单牙轮的破岩仿真研究

牙轮钻头在井底破碎岩石过程中受顶部钻压、自身动载荷以及井底接触岩石的随机冲击碰撞作用,存在牙齿与岩石交替压入、刮切和滚动的运动状态,受力情况相当复杂。基于岩石弹塑性本构关系和等效塑性应变的岩石破坏准则,考虑井底围压以及钻头与岩石互作用随机接触碰撞,采用有限单元法建立了牙轮钻头与井底岩石互作用下系统非线性动力学模型。探讨了牙轮钻头在破碎井底岩石过程中的运动规律及力学性能,对岩石破碎坑的形成过程进行了仿真,为有效预测和控制井眼轨迹的形成,实态工况下整体钻柱系统耦合非线性动力学研究提供了理论依据。

组合式牙轮钻头的特性、设计和使用

对组合式牙轮钻头作了简要介绍，分析了其碎岩原理，并与刮刀钻头及滚刁钻头进行了特性对比，阐述了设计、使用要点。

牙轮钻头损坏分析及应对措施

大庆油田徐家围子地区深部地层岩石可钻性差、研磨性强、硬度高,在纵向上砂泥岩互层且存在砾石层,钻井难度大,严重地影响钻头和钻具使用寿命;统计分析表明,该地区牙轮钻头损坏的主要表现为齿磨、掉齿、断齿、牙轮卡死和外径磨损等。据此提出了一系列应对措施:大力改进了硬质合金齿材料,开发新齿形的硬质合金齿;采用复合齿与稀土齿混装以增加抗研磨和冲击能力;改进相应配套钻井措施等。

牙轮钻头空心圆柱滚子接触状况的有限元数值模拟

以牙轮钻头滚动轴承为研究对象,对常规直母线圆柱滚子与内圈滚道的接触状况进行三维有限元数值模拟。在验证模型正确性和算法可靠性的基础上,对不同载荷和空心度下直母线空心圆柱滚子的接触状况进行有限元分析。计算结果表明,合理空心度的滚子可以降低轴承的等效应力,从而提高轴承的疲劳寿命;合理空心度的选取往往与轴承系统的材料参数、几何结构尺寸参数以及所受的外载荷等因素有关,但采用合理的空心度仍然无法消除滚子轴向端部几何边界突变处的奇异性。研究结果发现,空心滚子的最大法向接触应力和最大等效应力相对于轴向初始接触对称中心线发生了一定程度的偏移;在相同空心度下,等效应力与载荷并非正比关系。此项研究为通用空心滚子轴承在牙轮钻头中的承载性能预测和结构优化设计以及今后的推广应用提供理论参考。

牙轮钻头纵向横向扭转振动动力学仿真研究

随着石油资源钻探难度的不断加大，有效地预测和控制井下钻头和钻柱动力学性能和运动规律，以提高钻头和钻柱的强度，实现对井眼轨迹的精确控制是目前钻井工程中的拟解决的关键技术难题。根据牙轮钻头的实际振动状态，分析了钻头产生各种振动的机理，讨论了钻头－岩石互作用力，用能量法建立了考虑牙轮钻头纵向、横向、扭转三个方向振动相互耦合的系统动力学模型，并结合实例对牙轮钻头系统进行了动态仿真。

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。

牙轮钻头滑动轴承失效分析

收集了近几年20只现场失效牙轮钻头,对其轴承表面金相组织和硬度以及影响牙轮钻头滑动轴承失效的主要因素进行了分析。结果表明,牙轮钻头在工作过程中温度升高引起的轴承表面金相组织发生改变、硬度降低、抗磨性能减弱,是导致牙轮钻头轴承在高转速下快速失效的根本原因;牙轮钻头轴承的主要失效形式就是粘着磨损,其中载荷工况、相对滑动速度和表面涂层是影响牙轮钻头滑动轴承摩擦学性能的主要因素;采用在原轴承基础上加入浮动套的方法降低原轴承的相对滑动速度,是目前提高牙轮钻头滑动轴承摩擦学性能,延长轴承在高速钻井下使用寿命的有效途径。

牙轮钻头滚动轴承的失效分析及延寿措施

本文分析了牙轮钻头滚动轴承的失效形式,从改进系统结构设计、采用新型结构、新型材料和表面强化措施以及提高轴承系统的加工质量等方面阐述了提高该类轴承寿命的措施。

牙轮钻头纵向横向扭转振动动力学仿真研究

随着石油资源钻探难度的不断加大 ,有效地预测和控制井下钻头的运动规律 ,改善钻柱动力学性能 ,以提高钻头和钻柱的强度 ,实现对井眼轨迹的精确控制是目前钻井工业中亟待解决的关键技术难题。本文根据牙轮钻头的实际振动状态 ,分析了钻头产生各种振动的机理 ,讨论了钻头 -岩石互作用力学模型 ,用能量法建立了考虑牙轮钻头纵向、横向和扭转振动耦合非线性系统动力学分析模型 ,编制了系统动力学仿真程序 ,并结合实例对牙轮钻头系统进行了动态仿真。

井底牙轮钻头的钻速方程及现场应用

以岩石侵入理论为基础,在考虑井底压力的条件下,建立牙轮钻头的钻速模型。结果表明:在地层由软、中硬到硬地层过渡过程中,钻速方程能够解释不同破岩方式下牙轮钻头的机械钻速问题;随着刃尖角的增大,锥形齿和楔形齿的牙齿侵深都呈指数递减趋势;随着井眼内钻井液柱压力的增大,侵入深度呈指数递减趋势,其中锥形齿递减趋势大于楔形齿;模型理论钻速计算结果与实际钻速数据接近,最小欧式距离为25.8。

牙轮钻头轴承单元试件的摩擦磨损性能

由于牙轮钻头轴承的结构尺寸小、工作载荷大、温度高、润滑条件差等,导致其失效主要为摩擦磨损。为了提高轴承的润滑性能和使用寿命,模拟牙轮钻头轴承单元工况,建立其流体润滑的数学模型;分别以牙轮钻头轴承单元材料20CrNiMo和铍青铜为销和盘,在MMW-1型万能摩擦磨损试验机上研究不同工况下试件的摩擦因数、磨损量及温度变化。结果表明:在牙轮钻头轴承模拟工况下,当转速一定时,试件的摩擦因数随载荷的增大而增大,当载荷一定时,摩擦因数随着转速升高而逐渐降低;试件及润滑脂的温度随载荷和转速的升高而升高,当载荷为120～200 N、转速为60～192 r/min时,试件的温度保持在40℃左右较低的温度,即润滑性能较好。磨损表面形貌分析表明,牙轮钻头轴承的失效形式为黏着磨损。

牙轮钻头空心滚滑复合轴承的设计

轴承是牙轮钻头的重要组成部分,它的失效直接影响着整个钻头的使用寿命。为此,分析了牙轮钻头用滑动轴承、滚动轴承及浮动套轴承的研究现状,在综合3种轴承各自优势的基础上,最终设计出了空心滚滑复合轴承和有孔浮动套滚滑轴承:①空心结构的滚滑体较实心结构的滚滑体提供了更多的贮存润滑油空间,使牙轮转动过程中滚滑体的各接触面之间的润滑性能得以改善;②空心结构增大了滚滑体的散热面积,自由流动的润滑油通过对流散热方式冷却轴承各个转动的部件。同时,建立了滚滑轴承的有限元分析模型,进行了实心和空心结构滚滑轴承的等效应力与接触应力分析。结果表明:空心滚滑复合轴承比实心结构的承载能力更强,滚滑体的应力分布也更为均匀,降低了由局部应力过大或温度过高而导致整个轴承失效的概率,有利于提高牙轮钻头的使用寿命。最后,建议空心滚子的空心度在50%～70%,滑块的空心度不宜超过60%。