异形牙轮单牙轮钻头运动和流场分析
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摘要
随着钻探新技术的发展，开发深井和超深井技术要求钻头尺寸小型化，由于单牙轮钻头具有三牙轮钻头和PDC钻头的优点，同时又弥补了二者的不足。因此，单牙轮钻头是小井眼钻井的重要选择。但是目前油田上使用的球形单牙轮钻头由于牙齿先期磨损严重，影响了钻头的机械钻速和寿命。因此应针对不同性质的岩石设计符合其破岩特点的单牙轮钻头。
针对以上问题设计了一种复锥面异形牙轮单牙轮钻头，为了研究设计的钻头结构是否合理、钻头的井底破岩效果、钻头的井底流场特性等问题，对试验钻头进行了一系列的分析。分析方法是在Pro/E中对试验钻头进行运动模拟，得到不同结构参数和传动比的钻头运动的数据文件，然后进入用Visual Basic高级语言编制的异形牙轮单牙轮钻头分析软件中，计算出钻头的井底轮廓曲线，并绘制钻头井底轨迹和牙齿刮切井底的速度曲线。为了分析钻头的井底流场特性，针对钻头的结构设计了五种流道形式和喷嘴组合方式，并分别进行了模拟和分析，最终选择了一种比较理想的喷嘴布置方式。
With the development of the new technology of drilling, the exploitation of deep well and over-deep well needs small size bit. Because one-cone bit has the advantages of the three-cone bit and the PDC bit and it makes for their disadvantages, so the one-cone bit is the important chose to drill the small well. But now the use of the spherical one-cone bit shows that the teeth are abrade heavily in advance, which affects the velocity and life of the bit. As a result it is necessary to design new type of one-cone bit according to the quality of the rock.
To resolve the above problems we have designed a singular one-cone bit. We analyzed the bit to understand the mechanism, the result of breaking the rock,the characters of the fluid field. By means of the software of Pro/E we studied the movement of the bit and obtained some data reports about different parameter bit. In the environment of Visual Basic the trace program can compute the well-bottom outline. It also can draw the trace and the velocity curve that the teeth scrape the well bottom. We designed five kinds of fluid pipeline and nozzle position and simulated the fluid field to make the bit clear. After comparing the simulation results we chose one better construction of fluid pipeline and nozzle position.
针对以上问题设计了一种复锥面异形牙轮单牙轮钻头，为了研究设计的钻头结构是否合理、钻头的井底破岩效果、钻头的井底流场特性等问题，对试验钻头进行了一系列的分析。分析方法是在Pro/E中对试验钻头进行运动模拟，得到不同结构参数和传动比的钻头运动的数据文件，然后进入用Visual Basic高级语言编制的异形牙轮单牙轮钻头分析软件中，计算出钻头的井底轮廓曲线，并绘制钻头井底轨迹和牙齿刮切井底的速度曲线。为了分析钻头的井底流场特性，针对钻头的结构设计了五种流道形式和喷嘴组合方式，并分别进行了模拟和分析，最终选择了一种比较理想的喷嘴布置方式。
With the development of the new technology of drilling, the exploitation of deep well and over-deep well needs small size bit. Because one-cone bit has the advantages of the three-cone bit and the PDC bit and it makes for their disadvantages, so the one-cone bit is the important chose to drill the small well. But now the use of the spherical one-cone bit shows that the teeth are abrade heavily in advance, which affects the velocity and life of the bit. As a result it is necessary to design new type of one-cone bit according to the quality of the rock.
To resolve the above problems we have designed a singular one-cone bit. We analyzed the bit to understand the mechanism, the result of breaking the rock,the characters of the fluid field. By means of the software of Pro/E we studied the movement of the bit and obtained some data reports about different parameter bit. In the environment of Visual Basic the trace program can compute the well-bottom outline. It also can draw the trace and the velocity curve that the teeth scrape the well bottom. We designed five kinds of fluid pipeline and nozzle position and simulated the fluid field to make the bit clear. After comparing the simulation results we chose one better construction of fluid pipeline and nozzle position.
引文
[1] 罗肇丰等．钻井技术手册(一)—钻头(第1版)．北京：石油工业出版社，1984．
[2] 马德坤．牙轮钻头工作力学(第1版)．北京：石油工业出版社，1994，2．
[3] 刘希圣．钻井工艺原理—破岩原理(第1版)．北京：石油工业出版社．1988，9．
[4] Shelly King. Pro/MECHANICA MOTION—Introduction Workbook. USA: Parametric Technology Corporation.
[5] 刘清吉，何孜升，张柏钦编著．精通Pro／ENGINEER 2000i(第1版)．北京：中国青年出版社．2000，8．
[6] 数学手册编写组．数学手册(第1版)．北京：人民教育出版社．1979．
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[8] 王化文，徐道刚．石油钻采设备·工具·配件(第一版)．北京：石油工业出版社．1994，9．
[9] 马德坤，(美)J.J.艾查．牙轮钻头运动学——理论及电算的应用．石油矿场机械，1987，第16卷，第2期：8-15．
[10] 马德坤，侯季康，杨世良．牙轮钻头理论与设计方法的突破性进展．40-47．
[11] 邓嵘，杨世良，喻开安．单牙轮钻头——钻井技术的新选择．石油机械，1996，第24卷，增刊，67-71：94．
[12] 喻开安，杨世良，邓嵘．单牙轮钻头的应用前景．石油机械，1994，第22卷，第5期：49-51．
[13] 夏宇文，杨光全，李思涛，杨世良．单牙轮钻头井底切削仿真分析．地下空间，第22卷，第1期，2002，3：34-37．
[14] 申守庆译．新型钻头结构降低钻井成本．国外石油机械，第9卷，第3期，1998，6：5-10，14．
[15] 吴修国等．118mm单牙轮钻头在中原油田的应用．石油钻采工艺，第22卷，第6期，2000：31-34．
[16] 王方．单牙轮钻头的CAD/CAH研究．西南石油学院硕士论文．2001，6月．
[17] 李思涛，唐代绪，苏开科翻译．单牙轮钻头提高小井眼钻井效益．国外石油机械，第
10卷，第五期，1999，10：5-9．
[18] 转载自1996年5月22日，石油消息．用于小井眼钻井的单牙轮钻头．石油钻采工艺，1996，第18卷，第4期，38．
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[20] 林家祥．Pro/Motion运动仿真软件在工程机械机构分析中的应用．计算机辅助设计与制造，第7期，1999：62-63．
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[23] 朱自强等编著．应用计算流体力学(第1版)．北京：航空航天大学出版社．1998，8．
[24] 周力行．湍流两相流动与燃烧的数值模拟(第1版)．北京；清华大学出版社．1991．8．
[25] 倪浩清，沈永明．工程湍流流动、传热及传质的数值模拟(第1版)．北京：中国水利水电出版社．1996，7．
[26] 张绍槐．喷射钻井理论与计算(第一版)．北京：石油工业出版社．1986，9．
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[29] 张云，陆波，王秋菊．斜喷嘴的作用机理和应用效果．石油钻采工艺，第16卷，第5期，1994：8-12．
[30] 陈小榆等．井底漫流场数值模拟研究．西南石油学院学报，第24卷，第1期，2002，2：84-86．
[31] 张云．射流挣化井底岩屑机理．石油钻采工艺，第2期，1992：41-44．
[32] 刘成文，李兆敏．锥形喷嘴流量系数及水力参数的理论计算方法．石油钻采工艺，第23卷，第5期，2000：1-3．
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[36] 熊继有译，H.Rabia. 钻井水力学，译自H.RABIA, Oilwell Drilling Engineering. 52-75．
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[38] 西南石油学院钻井研究室．改善井底流场能够提高钻速．17-31．
[39] 汪金林，各类钻头喷嘴和井底水力参数探讨．钻采工艺，第19卷，第2期，1996：1-6，52．
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