偏心单牙轮钻头井底破岩轨迹研究

偏心单牙轮钻头有一个球形牙轮,牙轮旋转中心线与钻头中心线相交于一点,该交点与牙轮球心之间有偏移距离。针对偏心单牙轮钻头的结构和运动特点,利用复合圆柱坐标系统的基本原理,建立了偏心单牙轮钻头几何学基本方程和牙齿对岩石的吃入条件。在此基础上以楔形齿为对象研究了偏心单牙轮钻头井底破岩轨迹的形成,并编制了井底轨迹图仿真软件以模拟牙齿的凿岩轨迹。通过台架试验,所得仿真井底轨迹图与实际井底轨迹非常吻合,表明关于偏心单牙轮钻头的基本理论的研究是正确的,编制的仿真软件是可信的。

偏心单牙轮钻头轴承接触应力分析

根据偏心单牙轮钻头的几何结构和受载特点建立了有限元计算模型,利用有限元软件分析了偏心单牙轮钻头轴承的接触应力。针对偏心单牙轮钻头的不同偏心距和轴承间隙,重点分析了大径向轴承轴颈底部的接触应力及在相同偏心距和不同间隙条件下止推面上的接触应力。结果表明,止推面、滚道、轴颈根部是牙掌轴颈应力最大的3个危险区域;轴颈底部的接触应力随偏心距增大而增大,且在正常公差范围内的间隙变化对接触应力的影响不明显;止推面上端的接触应力比下端大,制造时应加强止推面上端的强度和硬度。

偏心单牙轮钻头运动学研究

为了了解偏心单牙轮钻头的破岩机理和钻井特性,详细研究了偏心单牙轮钻头几何学和运动学,建立了钻头齿面几何学方程和牙齿速度、加速度方程,将绝对运动看作是牵连移动、牵连转动与相对移动的复合,并编制了计算软件,分析了钻头牙齿在井底的运动规律。结果认为,在偏心单牙轮钻头工作过程中,牙齿与井底是间断接触的,偏移距越大,牙齿与岩石接触时间越短,牙齿重复破岩越少,反之牙齿重复破岩越多;牙齿在运动过程中会改变运动方向,偏移距越大,牙齿的径向速度越小,切向速度越大,反之径向速度越大,切向速度越小。