CN113279699A - 一种pdc钻头布齿设计方法 - Google Patents

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黄奎林
杨迎新
李皋
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Abstract

本发明涉及一种PDC钻头布齿设计方法，属于油气井工程中钻井工具的设计学领域。该方法是指PDC齿的周向布齿设计时在一个垂直于钻头轴线的平面内按照变序布齿的顺序确定每颗PDC齿的周向位置角，所述变序布齿是指PDC齿按照一定变序规律来确定每颗PDC齿的周向位置角；本发明变序布齿的轴向和径向载荷都比常规顺序布齿小，随着工作扭矩的增加，切削功率也在增加，不平衡力的百分比却在减少，说明变序布齿能够让钻头更能稳定的钻进，同时变序布齿PDC钻头的适应地层的范围更大，拓宽PDC钻头的应用范围。

Description

一种PDC钻头布齿设计方法
技术领域
本发明涉及一种PDC钻头布齿设计方法，属于油气井工程中钻井工具的设计学领域。
背景技术
PDC钻头依靠高硬度、耐磨、自锐的聚晶金刚石复合片(简称PDC齿或切削齿)作为切削元件来剪切和破碎岩石。PDC钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，因此其在油气井的钻进中得到广泛使用。
PDC钻头经常要穿越多种不同岩性的地层，这些地层不仅包括相对比较易钻的软岩层，而且包括可钻性较差的硬地层、高研磨性地层、塑性地层，软硬交错的互层、含砾等严重不均质地层，以及大倾角的高陡地层等。这些复杂的地层条件容易导致PDC钻头的异常失效,能够提高钻头的破岩效率。为进一步提升PDC钻头的性能，拓宽钻头的应用地层的范围，研究出一种齿PDC钻头布齿设计方法显得尤为重要。
假设钻头上有一个通过钻头轴线和钻头上某一点的剖切平面(称之为过该点的轴线平面或轴面)。当钻头在钻进速度为零的条件下绕自身轴线旋转时，切削元件的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为切削元件的轴面轮廓线，将所有切削元件的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图，在井底覆盖图中，可以做一条与所有切削单元的轴面轮廓线相切的包络曲线，被称为钻头切削轮廓线，钻头切削轮廓线反映了钻头钻出的井底的基本形状特征。钻头本体轮廓线是井底覆盖图中反映钻头本体的位置曲线，其是金刚石钻头的一条重要特征曲线。钻头布齿面是指以钻头轴线为旋转中心，钻头本体轮廓线为旋转半径旋转一周后与钻头本体相交而成的曲面。
在PDC钻头中，PDC切削齿的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为PDC切削齿的轴面轮廓线，将所有PDC切削齿的轴面轮廓线汇集在一起形成PDC钻头的井底覆盖图，做一条与所有PDC切削齿的轴面轮廓线相切的包络曲线，为PDC钻头的切削轮廓线。
切削齿的周向布置是在垂直于钻头轴向平面内按一定方式确定切削齿的周向位置角，得到周向布齿图，如图2所示。
发明内容
现有PDC钻头中PDC齿的周向位置角的角度一般按照顺序布齿或者逆序布齿的方式来确定的，这样的设计出来的PDC钻头对地层适应性较差，因此需要提升PDC钻头对地层的适用范围，提出一种PDC钻头布齿设计方法，PDC齿的周向布齿设计时在一个垂直于钻头轴线的平面内按照变序布齿的顺序确定每颗PDC齿的周向位置角，所述变序布齿是指PDC齿按照一定变序规律来确定每颗PDC齿的周向位置角，变序布齿的轴向和径向载荷都比常规布齿小，随着工作扭矩的增加，切削功率也在增加，不平衡力的百分比却在减少，说明变序布齿能够让钻头更能稳定的钻进，同时变序布齿PDC钻头的适应地层的范围更大，拓宽PDC钻头的应用范围。
本发明通过下列技术方案来实现：
一种PDC钻头布齿设计方法，钻头本体上设置有PDC齿，其特征在于：PDC齿的周向布齿设计时在一个垂直于钻头轴线的平面内按照变序布齿的顺序确定每颗PDC齿的周向位置角，所述变序布齿是指PDC齿按照一定变序规律来确定每颗PDC齿的周向位置角，所述变序规律用“OiMj”表示；其中变序规律字母O的取值为S或N，S表示顺时针布齿，N表示逆时针布齿；变序规律字母i的取值为1或2或3或…10,表示变序布齿的数量；变序规律字母M的取值为A或B，A表示下i颗齿的布齿顺序与O方向相同，B表示下i颗齿的布齿顺序与O方向相反；变序规律字母j的取值为1或2或3或4或5,表示下i颗齿中第一颗齿与上i颗齿中最后一颗齿相隔的刀翼数量；钻头先遵循“OiMj”规律按照O方向确定i颗PDC齿的周向位置角后，再根据M的取值来确定下i颗齿的布齿方向，根据j的取值和上i颗齿中最后一颗齿的位置来确定下i齿中第一颗齿的刀翼位置，按照“OiMj”规律布置下i颗齿的周向位置角。
上述方案中，1号齿到6号齿为主刀翼上的切削齿，只能在两个主刀翼上排列，从6号齿开始按照变序规律布齿，当变序规律为“S5B1”，表示5颗齿为一组，最开始的5颗齿按照顺时针方向确定PDC齿的周向位置角，下5颗齿按照逆时针方向来确定PDC齿的周向位置角，上5颗齿最后一颗齿的刀翼逆时针方向间隔1个刀翼，即为下5颗齿第一颗齿的刀翼位置，按照逆时针方向来排布下5颗齿的周向位置角，按照这样的规律设置所有PDC齿的周向位置角，如图3所示。变序布齿的轴向和径向载荷都比常规布齿小，随着工作扭矩的增加，切削功率也在增加，不平衡力的百分比却在减少，说明变序布齿能够让钻头更能稳定的钻进，同时变序布齿PDC钻头的适应地层的范围更大，拓宽PDC钻头的应用范围。
作为选择，在钻头的径向覆盖图中，将钻头径向覆盖分成3个区域，分别是心部区域，中间区域和外部区域，且3个区域的宽度的取值范围为：W3≥W1≥W2，其中W3为外部区域的宽度，W2为中间区域的宽度，W1为心部区域的宽度。
上述方案中，分区域覆盖布齿可以满足不同情况下的布齿需求，还能满足大钻头布齿要求(外部区域可以具体的细化)，还能实现等间距和变间距两种不同布齿模式，给设计者有更多的选择空间。
作为选择，在钻头的径向覆盖图中，在外部区域内布置的PDC齿的数量为K3，在中间区域内布置的PDC齿的数量为K2，在心部区域内布置的PDC齿的数量为K1，且满足K2/W2>K3/W3>K1/W1。
上述方案中，中部区域连接外部区域和心部区域，该区域内的切削齿最先接触井底岩石，受到的冲击载荷大，防止该区域切削齿的异常失效，因此该区域单位宽度上切削齿密度为密；外部区域的旋转半径大，切削体积较大，需要设置较多的切削来保证钻头的使用寿命，因此外部区域单位宽度内的切削齿密度为中；心部区域切削齿的破岩量较小，该区域单位宽度内切削齿密度为稀。
本发明的有益效果：
变序布齿的轴向和径向载荷都比常规顺序布齿小，随着工作扭矩的增加，切削功率也在增加，不平衡力的百分比却在减少，说明变序布齿能够让钻头更能稳定的钻进，同时变序布齿PDC钻头的适应地层的范围更大，拓宽PDC钻头的应用范围。
附图说明
图1为PDC钻头示意图。
图2为PDC钻头周向位置角示意图。
图3为PDC钻头的逆时针布齿示意图。
图4为PDC钻头变序布齿示意图。
图5为PDC钻头区域划分示意图。
1-钻头体，2-刀翼，3-PDC齿，4-水孔。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案做详细说明。
一种PDC钻头布齿设计方法，钻头本体上设置有PDC齿，其特征在于：PDC齿的周向布齿设计时在一个垂直于钻头轴线的平面内按照变序布齿的顺序确定每颗PDC齿的周向位置角，所述变序布齿是指PDC齿按照一定变序规律来确定每颗PDC齿的周向位置角，所述变序规律用“OiMj”表示；其中变序规律字母O的取值为S或N，S表示顺时针布齿，N表示逆时针布齿；变序规律字母i的取值为1或2或3或…10,表示变序布齿的数量；变序规律字母M的取值为A或B，A表示下i颗齿的布齿顺序与O方向相同，B表示下i颗齿的布齿顺序与O方向相反；变序规律字母j的取值为1或2或3或4或5,表示下i颗齿中第一颗齿与上i颗齿中最后一颗齿相隔的刀翼数量；钻头先遵循“OiMj”规律按照O方向确定i颗PDC齿的周向位置角后，再根据M的取值来确定下i颗齿的布齿方向，根据j的取值和上i颗齿中最后一颗齿的位置来确定下i齿中第一颗齿的刀翼位置，按照“OiMj”规律布置下i颗齿的周向位置角，如图4所示。
作为优选，在钻头的径向覆盖图中，将钻头径向覆盖分成3个区域，分别是心部区域，中间区域和外部区域，且3个区域的宽度的取值范围为：W3≥W1≥W2，其中W3为外部区域的宽度，W2为中间区域的宽度，W1为心部区域的宽度，如图5所示。
作为优选，在钻头的径向覆盖图中，在外部区域内布置的PDC齿的数量为K3，在中间区域内布置的PDC齿的数量为K2，在心部区域内布置的PDC齿的数量为K1，且满足K2/W2>K3/W3>K1/W1，如图5所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种PDC钻头布齿设计方法，钻头本体上设置有PDC齿，其特征在于：PDC齿的周向布齿设计时在一个垂直于钻头轴线的平面内按照变序布齿的顺序确定每颗PDC齿的周向位置角，所述变序布齿是指PDC齿按照一定变序规律来确定每颗PDC齿的周向位置角，所述变序规律用“OiMj”表示；其中变序规律字母O的取值为S或N，S表示顺时针布齿，N表示逆时针布齿；变序规律字母i的取值为1或2或3或…10,表示变序布齿的数量；变序规律字母M的取值为A或B，A表示下i颗齿的布齿顺序与O方向相同，B表示下i颗齿的布齿顺序与O方向相反；变序规律字母j的取值为1或2或3或4或5,表示下i颗齿中第一颗齿与上i颗齿中最后一颗齿相隔的刀翼数量；钻头先遵循“OiMj”规律按照O方向确定i颗PDC齿的周向位置角后，再根据M的取值来确定下i颗齿的布齿方向，根据j的取值和上i颗齿中最后一颗齿的位置来确定下i齿中第一颗齿的刀翼位置，按照“OiMj”规律布置下i颗齿的周向位置角。
2.如权利要求1所述的PDC钻头布齿设计方法，其特征在于：在钻头的径向覆盖图中，将钻头径向覆盖图分成3个区域，分别是心部区域，中间区域和外部区域，且3个区域的宽度的取值范围为：W3≥W1≥W2，其中W3为外部区域的宽度，W2为中间区域的宽度，W1为心部区域的宽度。
3.如权利要求2所述的PDC钻头布齿设计方法，其特征在于：在钻头的径向覆盖图中，在外部区域内布置的PDC齿的数量为K3，在中间区域内布置的PDC齿的数量为K2，在心部区域内布置的PDC齿的数量为K1，且满足K2/W2>K3/W3>K1/W1。
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