PDC钻头优化设计与选型技术

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1、PDC钻头优化设计与选型技术二00四年三月九日PDC钻头优化设计与选型技术一、PDC钻头使用现状二、钻头优化设计三、综合选型技术四、各区块钻头设计与选型五、应用效果PDC钻头优化设计与选型技术塔里木油田油藏埋普遍埋藏较深，深度4000—6000米不等，地质情况复杂，地层可钻性差，钻井周期长、成本高。经与各钻头厂家10余年的联合攻关，形成了以FM、FS、M、MS、G、STR、BD、DS、DSX等为代表的一系列新型PDC钻头，先后完成了柯克亚、克拉苏、大北、却勒、迪那、塔东等地区一批典型高效井。钻头技术基本满足了探区复杂井的需要，钻井成本得到了有效控制：探井、评价井平均机速由1999年的2

2、.21米/小时提高到2003年的3.89米/小时，四年提高了76%，平均每年提高15%以上。一、PDC钻头使用现状一）PDC钻头结构设计的基本参数钻头结构设计参数切削结构水力结构二、钻头优化设计1、切削结构设计的基本参数切削结构冠部形状刀翼的数量及结构切削齿的分布切削齿的空间结构保径结构水力结构流道的结构喷嘴的分布及空间结构2、水力结构设计的基本参数二)钻头设计理论的研究1、传统的PDC钻头设计理论等切削体积原则；等功率原则；等磨损原则。等切削体积原则：即以每个切削齿的切削体积相等为原则。sj——第j颗切削齿的破岩面积；Rj——第j颗切削齿距旋转中心的距离。等功率原则：每个切削齿的切削功

3、率相等。Sj——第j颗切削齿的破岩面积；Rj——第j颗切削齿距旋转中心的距离。Aj——岩石的单位体积破碎功。等磨损原则:等磨损原则的目标函数为使钻头每个切削齿的磨损速度一致。由于影响磨损速度的因素众多，目前还没有合理的函数表达式。传统PDC钻头设计理论的局限性传统PDC钻头设计理论与方法，对于PDC钻头的设计有一定的指导意义，但在实际应用过程中还存在许多问题，特别对于刮刀式PDC钻头的设计，理论与实际差距更大。原因在以下几个方面：①等切削体积布齿原则可以用于PDC钻头的实际设计。但是实际应用表明，按等切削原则设计时，靠近钻头规径部位布齿密度不够，外缘部分切削齿的磨损比中心区域切削齿大三倍

4、左右。同时等切削体积布齿原则没有考虑齿与地层的相互作用，不能准确反映切削齿受力以及磨损的规律。②对于等功率、等磨损原则，由于对钻头齿与地层相互作用的规律的研究不够系统完善，还不能用于实际钻头设计。③传统的PDC钻头设计理论用于“满天星”式PDC钻头结构设计精度较高，但刮刀式PDC钻头的结构与“满天星”式PDC钻头结构形式差别巨大，其设计理论在传统理论的基础上发展完善。图1PDC钻头的不平衡力二）PDC钻头设计理论的最新研究成果1）平衡力设计由于钻头齿的受力的合力不平衡（如图1），在旋转过程中使钻头的旋转中心偏离井眼中心，造成钻头在公转的同时伴有间断性自转，从而形成涡动。平衡力设计的方法①

5、改变切削齿的空间角度消除不平衡力；②采用不对称刀翼设计消除不平衡力；③采用低摩擦保径设计抵消不平衡力。④采用轨道式布齿形成的沟槽限制钻头的涡动。图2钻头切削的井底A—常规B—涡动图3平衡力设计示意改变切削齿的角度及位置不对称刀翼设计图4轨道布齿示意图同轨道部齿图5轨道布齿切削的井底图5低摩擦保径2）减振齿设计钻头受钻柱运动的影响以及与地层的相互作用，纵向振动不可避免。钻头的纵向振动使的切削齿受到不规则的冲击作用，造成切削齿的破坏。为减小切削齿的冲击破坏，提出了减振设计的方法。该方法主要有两种形式：图6冲击抑制器示意图图8减振齿设计3)具有自主知识产权的设计理论根据刮刀PDC钻头的结构特点

6、，以钻头实际应用的磨损情况为依据，结合PDC钻头设计的基本理论，提出了刮刀PDC钻头设计的新理论：局部强化设计理论。问题的提出现有的PDC钻头，虽然在传统设计理论为基础设计引入新的设计理论，但是在实际应用过程中，在正常磨损的情况下远没有达到等磨损的程度，在鼻部至侧部存在明显的偏磨现象，如图所式：图7钻头容易破坏的部位图8钻头严重磨损部位严重磨损部位根据钻头受力差异在不同部位使用不同性能的齿钻头齿受力的有限元分析原因分析①由于对于切削齿与地层相互作用的规律认识不够，等功率与等磨损原则没有真正的由于实际钻头设计，而依据传统的等切削体积准则进行的设计存在明显的误差。②钻头的冠部形状对钻头不同部

7、位切削齿受力与磨损的影响巨大，而至今对于其影响规律没有明确的结论。③刮刀式PDC钻头的结构形式使钻头的流道畅通无阻，极大的改善了水力携岩的条件，但其结构形状也使布齿的空间受到了限制，难以实现等磨损布齿。由于切削齿与地层相互作用的规律不可能在短时间内认识清楚，上述问题从根本上解决条件还不成熟。对于刮刀式钻头结构，实际应用结果表明刮刀式PDC钻头的宏观结构是理想的PDC钻头结构形式，钻头的设计应当以这种结构形式为基础。那么，如何解决现有