摘要：在石油钻探过程中,优质的钻头对于降低钻井成本和提高钻井效率至关重要.通过设计,将牙掌结构与牙轮结构相连接,并且分别在牙轮和牙掌上安装锥形齿和PDC齿,从而设计出一种新型的混合式单牙轮钻头.该混合式单牙轮钻头较一般单牙轮钻头多了PDC齿,利用冲击和剪切原理破岩.牙轮大端通过井底中心,所有齿圈与井壁接触,在破岩的同时可以起到保径作用.建立了混合式单牙轮钻头与岩石相互作用的有限元模型,并对钻头井底模型、牙齿主切削力和破岩体积进行了仿真分析.通过台架实验对数值模拟得到的钻压和进尺量进行验证.研究结果表明,数值模拟得到的钻压和进尺量与台架测试结果相符,破岩载荷规律与钻头结构设计特点一致.混合式单牙轮钻头与球形单牙轮钻头相比,侧向力减小396%,破岩效率提高37%.使用该混合式单牙轮钻头钻井时稳定性更高,可以减小井斜发生的概率.根据结果可知,数值模拟在研究该混合式单牙轮钻头破岩规律中是有效的,该方法为钻头进一步设计及其工作特性的评估提供了依据。

关键词：混合式单牙轮钻头 数值模拟 侧向力 破岩效率 

单位：西南石油大学机电工程学院; 四川成都610500