动静复合式单牙轮钻头破岩机理及设计理论研究

The slow rate of penetration in deep well drilling has seriously influenced the period of building well and the cost of drilling. There have been obvious shortages for existing bits to drill in deep slim hole. Deeply analyses the rock breaking mechanism and the failure mechanism of existing bits. Linking the advantages of existing bits, break down the restrictions of entirety cone of mono-cone bit. Carry out fundamental research and experimental study of new mono-cone bit which is composed of fixed and unfixed cutting structures. Set up geometry and kinematics basic theory of new compound mono-cone bit. Study the well-bottom track formed by compound cutting structures of fixed and unfixed. Set up theoretical cutting model of new compound bit. Linking experiments of cross-cutting and finite element analysis, perfect the cutting model. And study rock breaking mechanism of cross-cutting. Carry out the study of cutter arrangement, well-bottom flow distribution and bit flow structure analysis, gage protection design, and bearing system analysis and design of new compound mono-cone bit. And set up design theory and research method for new compound bit. Linking simulation, carry out rock breaking drilling experiment to study work mechanism and rock breaking law of new bit. Set up experiment study method and simulation system for new compound bit. Finally, product a new compound mono-cone bit with self-owned intellectual property rights, which can provide effective means for improving the rate of penetration in slim hole and in deep well drilling of our country.

深部井段的钻井速度低已对建井周期和钻井成本造成了严重影响，现有钻头在深部小井眼钻井中存在明显不足。深入分析现有各种钻头的破岩机理和失效机理。结合各钻头的优点，打破单牙轮钻头一体式牙轮结构的局限，开展固定与非固定切削结构相复合的新型单牙轮钻头基础理论和实验研究：建立新型钻头几何学、运动学基础理论；研究新型钻头两套切削结构交叉切削的井底轨迹特征；建立新型钻头理论切削力学模型，通过切削齿交叉切削实验，并结合有限元分析，完善切削力学模型，进行复合切削破岩机理研究；开展新型钻头布齿设计理论、井底流场与水力结构分析、保径结构设计、轴承系统设计分析的研究，建立新型钻头的设计理论及研究方法；开展新型钻头破岩钻进实验，结合仿真分析，研究新型钻头的工作机理和破岩规律，建立新型钻头实验研究方法和仿真分析系统。最终形成一种具有自主知识产权的新型复合式单牙轮钻头技术，为我国小井眼及深部地层的钻井提速提供手段支持。

项目研究针对深部井段钻井速度低，现有钻头在深部小井眼钻井中存在明显不足的问题，提出动静复合式切削结构的新型单牙轮钻头。新型复合式单牙轮钻头打破单牙轮钻头一体式牙轮结构的局限，将单牙轮钻头的牙轮分为有效复合的固定切削结构和非固定切削结构两部分，并在固定切削结构上引入适合于以刮切方式破岩工作的强耐磨性金刚石类切削齿——PDC齿，且两种切削结构能实现省功的交叉刮切破岩，在提高破岩效率的同时延长钻头使用寿命。项目开展的主要研究内容包括：. （1）深入分析现有各类钻头的破岩机理及失效机理。. （2）建立新型动静复合式单牙轮钻头的几何学、运动学基础理论。. （3）进行固定PDC齿与牙轮齿交叉切削运动轨迹分析。. （4）开展新型动静复合式单牙轮钻头设计理论及方法研究，主要有：新型钻头布齿设计理论研究，新型钻头井底流场分布规律及水力结构优化设计研究，新型钻头保径结构研究，新型钻头轴承系统分析与结构设计研究。. （5）开展新型钻头破岩机理的理论研究，包括：建立PDC齿与牙轮齿在交叉切削条件下的理论切削力学模型，开展固定PDC齿和非固定切削齿的切削力有限元分析，建立新型单牙轮钻头仿真分析模型，并进行仿真分析。. （6）开展新型钻头破岩机理的实验研究，包括：PDC 齿交叉切削条件下的切削力实验测试，分析切削载荷的变化规律，并结合有限元进行PDC 齿与牙轮齿之间的交叉切削分析；设计、制造实验钻头及同尺寸的常规单牙轮实验钻头，开展新型单牙轮钻头室内钻进实验及相应对比钻进实验，并与仿真实验相结合，深入分析新型钻头的井底模式，研究此新型钻头破岩机理。. 项目按照原计划基本完成了研究内容，达到了预期效果。复合式单牙轮钻头的复合切削结构能实现复杂的交叉刮切，应用耐磨性强的PDC齿，在提钻头高破岩效率，延长钻头使用寿命方面均有明显优势，新型复合钻头显示出良好的应用前景。