[工学]pdc钻头破岩原理及钻井参数选择探讨

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1、摘要本文针对PDC钻头关键设计参数研究相对滞后、缺少一定的规律性、设计者常常根据经验或类比于其它钻头设计的现状，通过室内实验和数值模拟相结合的方法研冠了部剖面形状、后倾角度、切削齿尺寸、布齿密度、内锥角度、内外锥高度及冠顶位置等关键设计参数对PDC钻头的影响规律。研究结果表明：①在破岩效率上，切削齿尺寸与地层硬度成反比。即在值小于3.48的地层中，直径为19.05mm的切削齿宜获得较高的机械钻速；值在4.6～5.78的地层中，直径为16.10mm的切削齿宜获得较高的机械钻速；②在值小于3.48的地层中采用10°～15°后倾角，值在=3．48～5.78的地层中采用15°～

2、20°后倾角可明显提高钻进速度；③布齿密度与钻速成反比；④在值小于3．48的地层中采用“直线-圆弧-直线”型剖面易获得较高的机械钻，值在3.48～4.6的地层中采用“直线-圆弧-圆弧”型剖面易获得较高的机械钻速；⑤深内设计可提高钻头稳定性和切削齿寿命；内锥角在90°-160°范围变化时，随角度的增大，在钻压作用下，钻头冠部受力趋向均匀，扭矩对钻头内锥受力影响变化不明显；⑥高外锥设计可有效提高钻速；外锥角在25°～45°变化时，随角度的增大，外锥受力逐渐增大，钻压和扭矩对外锥影响明显；⑦冠顶半径与钻头半径之比设计为0.64时，钻头冠部应力集中现象明显降低。本文的研究成果对

3、PDC钻头个性化设计有一定指导意义。关键词：PDC钻头；设计参数；破岩效率；钻头保径36AbstractInviewoftheresearchofPDCkeyparameterrelativelag，littlecertainregularityandthedesignsoftendependingonexperienceoranalogytoothers，theauthorhasstudiedaseriesofkeyparametersthatimpactonPDCdrillbitthroughthelaboratoryexperimentandthenumerica

4、lsimulation，suchastheshapeofcrown,degreeofbackrakeangle，thecoggingsize，thetoothdensity,thedegreeofinnercone，theheightofinner/outerconeandthepositionofcrown．Theresultsofstudyshowthat：(1)Thecoggingsizeisininverseproportiontoformationhardnessonbrokenrockefficiency．Whentheislessthan3．48，andt

5、hediameterofcoggingisl9.05mm，Itshouldobtainhigherdrillingrate．Alsothedrillingratewillbehigherwhenis3.48～5.78，andthediameteris16.10mm．(2)Thedrillingrotecanincreaseifthebackrakeangleisbetween10°and15°whenislessthan3.48，Alsoitwillbehigherwhenthebackrakeangleis15°and20°andis3.48～5.78．(3)Thec

6、oggingdensityisininverseproportiontothedrillingspeed．(4)Higherdrillingspeedcanbegotthroughthe“straightline—arc-straightline”sectionwhenislessthan3.5．Anditalsocanbegotthrough“straightline-arc-arc'’sectionwhenisbetween3.48～4.6．(5)Thedesignofdeepinnerconecanimprovebitstabilityandcogginglife

7、．Whenthedegreeofinnerconechangesin90°～160°，theforceofcrowntendstoevenlyunderthefunctionofdrillpressurewiththedegreeofinnerconeincreasing，alsothetorqueisnotobvioustotheforceofthecrown(6)Thedesignofhighoutergonemayenhancedrillrateeffectively．Thestressofouterconeincreasesgra