基于复杂环境多自由度牙轮钻头动力学模型建立与分析

以牙轮钻头几何学、运动学为理论基础,通过受力分析,建立了多自由度牙轮钻头动力学模型,及综合考虑扭矩、弯矩、横向力和在钻头破岩过程中多种因素耦合作用影响下的牙轮钻头与岩石互作用模型,发展了目前钻头行为力学理论;并通过仿真研究得到典型工况下牙轮钻头轨迹曲线和岩石破碎仿真计算,并模拟分析了软、硬地层岩石交替复杂环境下的井眼轨迹,为今后研究复杂钻井系统井眼轨迹预测提供新的理论依据.     

一种滑动轴承试验台的研制与牙轮钻头镶嵌滑动轴承磨擦损性能的台…

在石油钻井中，滑动轴承牙轮钻头的应用日益增多，但轴承的工作环境却相当恶劣。为了提高钻头滑动轴承的工作寿命，并为这类轴承的设计提供科学依据，针对其实际应用工况，特殊设计制造了一种ＩＰＧ－２型滑动轴承试验台，并且利用其在３０ＫＮ、４０ＫＮ和５０ＫＮ的３种载荷条件下，对牙轮钻头镶嵌铜合金的滑动轴承进行了台架试验研究，着重考察了铜合金镶嵌区尺寸之大小对轴承磨擦磨损性能的影响，结果表明，在相邻两个镶嵌区之间     

一种滑动轴承试验台的研制与牙轮钻头镶嵌滑动轴承摩擦磨损性能的台架试验

在石油钻井中，滑动轴承牙轮钻头的应用日益增多，但轴承的工作环境却相当恶劣。为了提高钻头滑动轴承的工作寿命，并为这类轴承的设计提供科学依据，针对其实际应用工况，特殊设计制造了一种ＩＰＧ－２型滑动轴承试验台，并且利用其在３０ｋＮ、４０ｋＮ和５０ｋＮ的３种载荷条件下，对牙轮钻头镶嵌铜合金的滑动轴承进行了台架试验研究，着重考察了铜合金镶嵌区尺寸之大小对轴承摩擦磨损性能的影响。结果表明，在相邻两个镶嵌区之间的基体区表面宽度与铜合金的镶嵌区宽度之比值分别为１、２、３和４的几种镶嵌滑动轴承中，它们的摩擦学性能依次变差，即以第一种镶嵌轴承的摩擦磨损性能最好，这是由于镶嵌材料铜合金的抗剪切强度比钢基体的低，在摩擦力的作用下容易向非镶嵌区基体表面及与之对摩部件表面发生材料转移并形成转移膜的缘故。这种研究结果可以直接应用于钻头滑动轴承的设计。     

牙轮钻头变曲率滑动轴承的结构分析与摩擦学性能研究

基于摩擦学原理和接触力学理论,提出了可在牙轮钻头滑动轴承中采用变曲率结构。在不考虑摩擦的情况下,就结构设计和配合关系统等问题进行了分析讨论,划分了准变曲率、吻合变曲率以及间隙变曲等３种结构形式;针对考虑摩擦时的变曲率结构,提出了接触形状优化和预磨合的实施方案。钻头轴承试验结果表明,无论是预设计变曲率还是预磨合变曲率,都能改善轴承摩擦副的摩擦学特性,因而值得进一步研究和推广。     

基于扭转振动的PDC钻头布齿角度对复合片磨损规律的影响研究

针对PDC钻头布齿角度对复合片磨损的研究现状与不足,本文提出了一种基于扭转振动的PDC钻头布齿角度对复合片磨损规律影响的研究方法。利用PDC钻头典型的几何学知识,分析PDC钻头布齿角度之间的关系以及对切削弧长、切削面积等的影响,建立PDC钻头的扭转振动模型,得到在振动下的位移、速度、转速等关键参数,然后利用磨损理论分析布齿角度对复合片磨损规律的影响。结果表明：前倾角的不同取值会引起PDC钻头复合片的磨损规律发生显著变化,而刃倾角对于PDC钻头体积磨损速度的影响非常复杂。作为布齿的重要参数,前倾角与刃倾角的取值会显著影响PDC钻头的性能,对其进行优化与合理取值,有利于提高PDC钻头复合片的使用寿命。本文的方法与结论对于进行PDC钻头复合片失效机理的研究具有参考意义。     

深井/超深井开窗钻头切削齿切削力学分析

针对深井/超深井套管开窗侧钻的特殊性问题中所研究设计的双作用强侧切开窗钻头的结构特点,基于金属切削理论、开窗钻头与布齿规律,建立了开窗钻头切削齿切削力学模型,推导出开窗钻头的几何学方程,完成了切削齿切削力学模型的求解;最后使用本文研制的双作用强侧切开窗钻头进行套管开窗实验,对切削齿切削力学计算模型、仿真结果进行验证。结果表明:在开窗钻头切入套管的初始阶段,仿真计算得到的主切削力比实验所得数据略大,在中间阶段略小,到后期又略大;仿真计算结果能够准确地反映主切削力的变化规律,基本能满足工程应用的要求。本文研究结果为开窗钻头切削力的分析计算提供了理论依据,为深井/超深井套管开窗钻头的设计及切削力学研究提供参考。     

钻进速度对钻屑温度影响的实验研究

利用钻屑温度预测冲击地压时,钻进速度是影响钻屑温度的一个重要因素。本文利用自行研制的钻头温度测试装置,对钻头温度变化进行监测,分析不同钻进速度对钻头温度变化的影响规律。实验结果表明:钻孔时,钻进速度减慢,钻头与孔壁之间的摩擦时间增长,摩擦产生的热量增多,使钻头温度升高。钻进速度对钻屑温度有较大影响,使用钻屑温度法预测冲击地压时,应制定统一的钻进速度指标,增加预测准确性。     

指向式导向工具主轴偏置力与造斜性能研究

为研究钻压传递机构安装位置对指向式导向工具主轴偏置力与造斜性能的影响规律，基于横向弯曲梁和纵横弯曲梁力学模型建立了考虑轴向载荷的主轴力学模型，运用微分方程通解对管柱力学进行求解的管柱单元组合方法，推导出主轴的几何方程和力学方程，分析了钻压传递机构安装位置对导向工具偏置力、钻头侧向力与钻头倾角等造斜性能参数的影响。结果表明，钻压传递机构安装位置距离钻头越远，工具主轴造斜所需的偏置力越小，而钻头侧向力与钻头倾角越大。     

MoS_2润滑剂在我厂的应用

1.MoS_2笔在机加工中的应用 我厂生产的4吨沸腾炉布风系统中的风帽是铸铁的,因材质较硬在加工中对钻头损伤严重,一般钻10来个就不能用了,采用一般切削液,效果亦不佳。今采用MoS_2润滑笔,每支钻头可加工60多个风帽,既节约了刀具又提高了效率。     

高造斜井眼轨迹控制工具主轴力学行为研究与优化设计

依据高造斜井眼轨迹控制工具的基本结构,建立实际工况下的主轴力学模型.分析了钻压、偏置机构的偏距对主轴力学行为的影响规律,分析得出,外壳与主轴存在较强的相互作用;增加钻压会降低钻头偏转角、偏置机构作用力和主轴最大截面弯矩;钻头偏转角、偏置机构作用力和主轴最大截面弯矩随着偏置机构偏距的增加而线性增加.通过分析偏置机构安装位置、主轴刚度对主轴力学行为的影响规律得出,降低主轴刚度能有效减小偏置机构作用力和主轴最大截面弯矩,且不影响钻头的偏转角.该分析能有效指导高造斜井眼轨迹控制工具的设计与现场应用.     

近钻头测斜器最优八位置标定法

近钻头测斜器(ABI)用于石油钻井中随钻测量实际井眼轨迹,是实现钻井设备自动化和智能化的重要部件。但由于其现场标定条件限制,只能用定制双轴转台进行标定,不适合采用常规的十二位置翻滚标定法,故在分析标定原理的基础上,针对现场标定条件提出了近钻头测斜器最优八位置标定法,并定义了该方法最小二乘估计的信息矩阵,而后通过数值计算对其行列式进行优化设计,求出使其行列式最大的位置参数,确定了其最优值。通过标定实验算出近钻头测斜器最优八位置标定法得到的标定参数,并将其与常规十二位置标定法的结果进行对比,验证了该方法的精度,标度因数和零偏的相对误差在10-5量级以下,而失准角误差也在2″以内,完全能够满足实际应用需要。     

刚架结构优化程序编制及牙轮钻机钻架的优化

利用优化准则法，结合机械结构设计的特点，编制了以ＳＡＰ５Ｐ为基础的大型复杂刚架结构离散变量优化程序ＳＯＰ。并对ＹＺ－５５Ａ型牙轮钻机的钻架结构进行了优化，在使应力分布趋于合理的情况下，钻架的重量从１０．９８ｔ降到５．１７ｔ，下降了５３％。     

石油钻井底部钻具组合大挠度三维分析

精确描述了石油钻井底部钻具组合在三维弯曲井眼中的变形约束条件及边界条件，应用加权余量法，对底部钻具组合静力大挠度问题进行了三维分析研究，并编写了相应的计算机分析程序。该程序可以在普通微机上运行，能迅速模拟计算底部钻具组合任一点的挠度、转角和内力，同时求得钻头对地层的机械作用力和偏转角。通过算例分析，本文初步阐明了井眼曲率及方程中的非线性项对钻头力学特性的影响效果。     

井下多股淹没射流水力清岩能力分析

研究石油钻井井下射流的水力清岩能力对钻井业有重要意义。本文借助于预处理方法和多块网格对接技术由计算机数值模拟了形状复杂的钻井PDC钻头井底下的多股淹没射流流场。为体现井底有岩屑时射流场对其的清洗作用。文中借助河流泥沙运动理论，分析了岩屑在井下的受力与运动以考虑固相的作用。因岩屑主要为推移运动。在井底除环空外的大部分地方可简化视为二维运动。提出了钻头井底水力清岩能力的体现参数-水力挟岩力。并通过数值模拟显示了井下流场，描述了转速，射流流量，喷嘴面积，射流雷诺数及井下过流空间等流场控制参数对井底水力清岩能力的不同影响，指出相关水力参数在射流时的优化方向。为复杂的井底流场控制和钻头的合理设计做探索基础。     

绳索取心满眼管柱的力学模型优化与应用

为了解决常规绳索取心钻具结构防斜能力低、钻孔轨迹控制差的问题，本文基于经典管柱力学的纵横弯曲连续梁理论，优化了孔底钻具的力学模型：将取心钻头与下扩孔器间视为钻头整体，而不作为第一跨；将稳定器间距小于切点跨距的管柱视为刚体。在此基础上提出了提高钻具防斜和钻孔轨迹控制的管柱结构模型，并通过钻探施工验证得出，管柱结构模型的理论防斜效果和实际钻孔轨迹变化情况相吻合，这为提高绳索取心钻孔质量提供了有效的理论指导。     

隔水管弯曲对钻柱振动影响的计算与分析

海洋油气资源钻探中隔水管的弯曲对钻柱振动以及钻进特性有特别的影响。为得到隔水管弯曲对钻柱振动的影响规律,对南海已钻深水井使用非线性有限元软件建立全井钻井数值计算模型,研究获得了不同垂深时隔水管弯曲对钻柱振动特性的影响规律。研究表明:隔水管弯曲会加剧钻柱的振动,钻柱振动加剧会导致钻井能耗上升、钻头切削能力下降并且会加快钻柱疲劳;当隔水管的弯曲达到某临界值,钻柱与隔水管间的接触力会陡增;井口的钩载越大,隔水管弯曲带来的井口钩载波动量越大;井越深,隔水管弯曲对全井钻柱最大弯矩和钻头切削能力的影响越小。     

井眼轨迹控制力学模型

对石油钻井中井眼轨迹控制问题进行了力学分析，给出了底部钻具组合三维受力和变形的控制方程，建立了钻头与正交各向异性地层相互作用模型，阐明了井眼轨迹预测和控制计算方法。     

近钻头钻具多源动态姿态组合测量方法

在导向钻井系统的姿态测量过程中,由于近钻头强振动的影响,导致姿态参数测不准甚至不可测,为了消除有规律的干扰、振动等对测量准确性的影响,快速解算出准确的钻具姿态,提出一种新的多源动态姿态组合测量方法。采用三轴加速度计、三轴磁通门以及角速率陀螺仪等构成测量系统,建立基于四元数的姿态测量非线性模型,研究钻具运动状态与振动加速度之间的关系,根据模型及噪声特性,采用基于四元数的无迹卡尔曼滤波方法对振动干扰信号进行滤除。试验结果表明,采用提出的方法能够消除近钻头干扰对姿态参数测量的影响,井斜角在5.2°左右,工具面角误差小于10°,有效地提高了导向钻井工具姿态动态测量的准确性。     

抗差自适应滤波的导向钻具动态姿态测量方法

针对钻井工程中,导向钻井工具在近钻头振动条件下,由于底部钻具振动对导向工具姿态测量造成严重干扰,使得姿态参数失真,导致姿态测量不准确的问题。为了消除或削弱振动对空间姿态测量的不利影响,快速解算出准确的钻具姿态参数,提出一种抗差自适应滤波的动态姿态测量方法,利用等价权函数和自适应因子合理的分配信息,有效地滤除钻具振动对动态姿态测量的影响。仿真实验和实钻井数据试验证明,采用该算法能滤除近钻头振动干扰信号,井斜角控制在5.5°左右,工具面角测量误差小于6°,有效地提高了导向钻井工具姿态参数的动态测量精度,解决动态测量时姿态参数测不准的问题。     

下部钻具组合稳定器的径向位置判断方法

在应用下部钻具组合上切点位置确定方法的基础上,给出了描述稳定器在井眼中位置的方法,并提出了可在三维力学问题中用于判断稳定器在井眼中径向位置的方法。首先忽略井眼约束并计算下部钻具组合的变形,再施加井眼约束条件,按某种顺序逐一计算稳定器在井眼中的位置,最终依据井壁对稳定器支撑反力的大小及方向筛选出最合理的结果。理论计算结果表明:无论采用何种装置角,相比假设稳定器与上切点均在井眼低边,采用本文方法计算得到的最小钻头弯矩更小,这意味着下部钻具组合所具有的势能更小,更趋于达到稳定状态;计算得到的钻头方位力方向与现场实践所取得的认识保持一致。本文研究可为下部钻具组合的优化设计提供理论依据。