1、 第 期 田家林等 ： 鉆頭布齒角度對復合片磨損規律的影響研究 基于扭轉振動的 · · （ ） 烄熿 烌 燄 烅 烍 （ ） 烆 燀 烎 燅 （ ） （ ） 過程中 ， 前傾 角 的 取 值 是 有 一 定 范 圍 的 刃傾角對 在 鉆頭 體 積 磨 損 速 度 的 影 響 是 比 較 復 雜 的 ， 之 前 刃 傾 角 的 變 化 對 鉆頭復合片 的 體 積 磨 損 速 度 是 沒 有 影 響 的， 當刃傾角大于 小 于 時， 鉆頭的體積磨損 速度隨著刃傾角的 增 加 而 減 小 ， 但其減小的趨勢是 非線性的 因此 ， 如何選 擇 合 適 的 布 齒 角 度 ， 對 鉆

2、頭的性能以及使用壽命有著重要的影響 圖 為前傾角對復合片磨損規律的影響計算 結果圖 ： 現場數據對比分析 計算結果與實驗驗證 對應算例參數和計算結果 ， 以及 鉆頭設計 的各項性能指標對 布 齒 參 數 進 行 優 化 ， 加工個實 驗鉆頭進行實驗 ， 每個鉆頭采用不同的布齒角度 ， 具 其中之一的鉆頭實物及實驗現場如 體參 數 如 表 ， 圖 前傾角與復合片體積磨損速度的關系 圖 本實驗使用的巖性地層為砂巖以及頁 所示 該巖 層 為 中 硬 、 硬 地 層， 在井段為 巖， 采用轉盤傳遞扭矩 ， 轉速 上進行 個鉆頭的實驗 ， 為 排量 為 平均機械鉆速為 左右 ， ， 在現場實驗中 隨 時

3、 對 機 械 鉆 速 進 行 記 錄 ， 利用實驗設備 測 振 儀 、 傳 感 器、 測速儀等對 鉆 把測試數據導入專用軟件 ， 對數據進行 頭進行測試 ， 然后對 復合片的體積磨損 處理 ， 鉆 頭 的 轉 速、 速度進行分析 ， 其實驗結果如圖 圖 、 所示 表 實驗鉆頭數據 鉆頭編號 ） 前傾角 （ ） 刃傾角 （ 根據前傾角與刃前角之間的關系以及在考慮扭 轉振動的情況 下 鉆頭的復合片體積磨損速度 公式 ， 可求得刃傾角對復合片磨損規律的影響結果 ， 如圖 所示 ： 圖 刃傾角與復合片體積磨損速度的關系 對比分析 通過實驗分析可知 ： 與算例參數相同的 鉆 真實 頭在井底的轉速以 及

4、復 合 片 的 體 積 磨 損 速 度 （ 失效 ） 與實驗結果基本吻合 ， 實驗結果驗證了理論計 算的合理性與正確性 根據圖 圖 隨著 、 的 結 果 可 得 到： 鉆 復合片體積磨損速度在顯著降低 ， 頭前傾角的增加 ， 當前傾角達到一定 的 值 時 ， 復合片的體積磨損速度 變成了 ， 在實際的鉆井中 ， 鉆頭復合片的體積 因為 磨損速度是不可能為 的 ， 鉆頭在設計的 · · 固體力學學報 年第 卷 圖 實驗 圖 鉆頭的轉速 鉆頭在井底運動中的 對 實 驗 過 程 測 得 的 轉速并不是穩定 ， 存在一定程度上的振動是正常的 ， 由于巖石的物理性 質 、 化學性質以

5、及軟硬程度的不 同， 必將會對 鉆頭復合片產生不同程度上的阻 力， 所以使得 鉆頭在井底運動中具有一定的不 穩定性 由圖 前傾角 、 刃傾角對 可知 ： 鉆頭復合 片體積磨 損 速 度 的 影 響 其 計 算 值 和 實 驗 值 存 在 誤 差， 其誤差范圍在百分之五以內 ， 在工程上是可以接 產生誤差的 原 因 是 多 方 面 的 ， 如： 在理論分析 受的 中并沒有考慮井壁 對 鉆 柱 的 摩 擦 造 成 的 影 響 ； 在扭 轉振動分析中假定 鉆頭軸線與 鉆頭在鉆進時 ， 井眼中心線 是 重 合 的 ， 在 真 實 的 鉆 井 中， 鉆頭 的軸線是不可能與 井 眼 中 心 線 完 全 重

6、 合 的 ； 本文以 打豎直井為例進行 分 析 ， 并且認為在鉆進的過程中 沒有任何的偏斜角度等眾多因素都是導致誤差存在 的原因 圖 計算值與測試值對比圖 第 期 田家林等 ： 鉆頭布齒角度對復合片磨損規律的影響研究 基于扭轉振動的 · · ， 結論 （ ）隨著 復合片體積 鉆頭前傾角的增加 ， 前傾角的變化嚴重影響 磨損速度顯著降低 ， 鉆 頭復合片的磨損規律 ， 而刃傾角對 鉆頭體積磨 損速 度 的 影 響 非 常 復 雜 ，當 刃 傾 角 為 ， 時 鉆頭復合片的體積磨損速度隨 減小的趨勢具有明顯的非 著刃傾角的增加而 減 小 ， 線性 該結論對于如何降低 鉆頭復合片

7、的失效 具有一定的參考意義 （ ）基于 扭 轉 振 動 對 鉆頭復合片磨損規 律進行分析 ， 與現有的 鉆頭復合片磨損失效的 分析相比 ， 更能準確的反映復合片失效過程 （ ）通過對前傾角 、 刃傾角對 鉆頭復合片 磨損規律的分 析 可 為 鉆頭布齒提供一定的理 同時 本 文 結 合 鉆 壓 、 巖 石 參 數、 刀翼數 論參考價值 ， 等， 為布齒優化又提供了計算依據 參考文獻 龐小林 ， 梁政 ， 楊琳 ， 張亮 ， 魏秦 文 ， 李友， 朱永 田家林 ， 旋風狀井底模型的新型鉆頭運 動 特 性 石油學 豪 （ ） ： （ 報， ， ， ， ， ， ， ， ， ， （ ） ： （ ） ）

8、， 李 子 豐， 鄒 德 永 鉆頭綜合受力模型的 梁爾 國 ， ： （ 試驗研究 巖 土 力 學， ， （ ） ， ， ， （ ） ： （ ） ） ， ， ， ， ， ， ， ， ： ， ， 金剛石 、 地 球 科 學 中 鉆頭與工 藝 學 劉廣志 （ ） ： （ 國地質大學學報 ， ， ， ， （ ） ： （ ） ） ， ， ， ， ， ， 王文 昌， 姚 永 漢， 朱 衛 平， 姚 建 林， 胡 以 寶 底 狄勤豐 ， 部鉆具組合動力 學 模 型 及 渦 動 特 性 仿 真 中國石 ， ： （ 自然科 學 版 ） 油大學學報 （ ， （ ） ， ， ， ， ， （ ） ： （ ） ） ，

9、， ， 任福深 姚志 剛 受 壓 旋 轉 鉆 柱 非 線 性 動 力 學 與 分 叉 （ ） ： （ 工程力學 ， 研究 ， ， ， ： （ ， （ ） ） ） ， ， ， （ ， ） ， ， ： 狄勤豐 ， 王文昌 ， 姚建林 ， 姚永漢 斜直井中轉 胡以寶 ， 速對鉆柱動力 學 特 性 的 影 響 工 程 力 學， ， （ ） ： （ ， ， ， ， ， ： ， （ ） （ ） ） ， ， ， ， ： ， ， （ ） ： 謝曉紅 ， 王佳亮 復合片斜鑲角對鉆 頭 鉆 進 性 張昭和 ， ， 能的影 響 西南石油大學學報（ 自 然 科 學 版） （ ） ： （ ， ， ， （ ） ， （ ）

10、 ： （ ） ） ， 謝曉紅 ， 方 海 江， 李 智 峰 鉆頭出露量和 張昭和 ， 中南大學學報 線速度對復合片 磨 損 規 律 的 影 響 （ ， ： （ 自然 科 學 版 ） ， （ ） ， ， ， · · 固體力學學報 年第 卷 ： ， （ ） ： ， ， ， ， 羅德 黎明 發 吳 波 范 瑞 聚 晶 金 剛 石 復 合 片 鉆頭鉆 進巖層的仿真 研 究 武 漢 理 工 大 學 學 報， ， （ ） ： （ ， ， ， ， （ ） ： （ ） ） ， ， ， ， （ ） ， （ ） ， （ ） ： （ ） ） ， ， ， ， ， ， ： ， （ ） ： ， ， ， ， ， 曲