基于MATLAB的PDC钻头布齿软件设计.pdf

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1、第6期一7一基于MATLAB的PDC钻头布齿软件设计王涛，杨迎新，黄奎林，周建(西南石油大学机电工程学院，四川成都610500)[摘要]PDC钻头结构形式变化多样，设计灵活性大，对地层变化的敏感性强，合理的布齿设计是保证PDc钻头工作性能的关键，目前采用的图解调整法设计PDC钻头存在着效率低、欠灵活、有误差等缺点本文在研究PDC钻头布齿设计理论和方法的基础上，开发了PDc钻头布齿设计软件。该软件用MATLAB语言编写，具备强大的数据处理和图形绘制功能，具有布齿设计速度快、精度高、可操作性强、使用方便等优点。[关键词]PDC钻头；

2、布齿；MATLAB；-~Mg-设计PDC钻头(PolycrystallineDiamondCompact础理论和以往的设计经验，权衡各种设计方案的Bit)自20世纪70年代问世以来，由于在软到中硬利弊。地层中具有破岩效率高、进尺多、钻速快、寿命布齿方案调整阶段，根据用户需要，按照保长、可靠性高、生产工艺相对简单等优点，在世证PDC钻头寿命、或保证PDC钻头的工作效率等界石油、天然气等钻井领域得到了广泛的应用。需求，调整原来的布齿方案。PDC钻头设计的重但是，目前国内在PDC钻头设计技术方面与国外点和难点是在布齿设计阶段、工作性能

3、分析阶段差距很大，还不具备独立设计新产品的能力，为和布齿方案调整阶段。此，开展PDC钻头布齿设计理论及方法的研究十分重要。本文在现有PDC钻头技术的基础上，开工布展了PDC钻头布齿设计理论和方法的研究，并开发了基于MATLAB语言的PDc钻头布齿设计软布作齿绘件，提高了PDC钻头设计工作的质量和效率。日IJ齿性方制期___●设—___■能___-．案----布1PDC钻头布齿方法研究准计预的齿PDC钻头在构造上很简单，整个钻头为一备方测调图整体，无运动部件。PDC钻头布齿设计从根本上案分整讲，始终离不开设计和使用中的经验，研究的

4、目析的是希望在设计过程中能最大限度地减少对经验的依赖程度，更合理地确定钻头各结构参数和切2布齿曲线的设计削齿的位置参数，最终获得高质量的设计方案。布齿曲线是指切削齿实际的布齿轨迹线，它本文将钻头设计分为前期准备、提出布齿方案设计、工作性能预测分析、布齿方案的调整和绘制绕轴线旋转与轴面或剖切平面相交形成的交线即布齿图五个阶段。为钻头的冠部形状，在井底平面的投影即为钻头的刀翼形状，布齿曲线的设计，归根结底是冠部前期准备工作阶段的重点是明确设计任务、形状和刀翼形状的设计。目标地层，针对目标地层，调研地层性质和以往2．1冠部形状的设计钻

5、头的使用资料和磨损分析资料，积累设计和使用中的经验。冠部形状设计是PDC钻头设计首先要考虑的问题，合理的冠部形状不仅能增加钻头的稳定布齿方案设计阶段要根据调研到的资料和经性，而且有利于井底的清洗及减小切削齿的磨验，确定钻头总体结构、切削齿大小、数目、出露损。PDC钻头冠部形状设计应遵循“易于布齿，高度、布齿方式、喷嘴数目等，然后按照一定的顺便于加工，保证质量，提高效率”的原则Ⅲ。序来确定每一颗切削齿在钻头胎体上的空间位置。工作性能预测分析阶段，首先计算出衡量布作者简介：王涛(1983一)，男，四川达县人，西南石油大齿设计方案的各

6、类数据，根据PDC钻头的布齿基学钻头研究所在读硕士研究生。研究方向PDC钻头布齿设计。J一■论文广场石20油和化工设备一11年第14卷定影响，合理的刀翼形状设计是PDC钻头布齿设YY计的关键。本文将PDC钻头的刀翼形状分为直线型刀翼、圆弧型刀翼和螺旋型刀翼。刀翼角指的是刀翼在圆周上的位置角度，刀翼跨度角lfr指的是刀翼在圆周上所占据的角度，如图3所示；直线型刀翼是最简单的刀翼，只有刀翼角；圆弧型刀翼设计有两种模式，一是跨度模式，即给定刀翼角和刀翼跨度角，二是半径(a)双锥形直线一圆弧一直线模式，即给定刀翼角和刀翼半径；螺旋型刀翼

7、分YY为等距螺旋线和变距螺旋线，它们的极坐标形式分别为：／-=oa9+Oo(1)r=(+0o)(0<力<1)(2)将特殊点坐标值代入上式后解方程组便可得到螺旋线方程的具体形式，其中R为钻头半径。(b)双圆弧形直线一圆弧一圆弧R／i'(3)r：一一一YY，：(一+)(0<／／<1)(4)XX(c)单圆弧形直线一圆弧YYXX(d)平底形直线一直线图2四大类典型冠部轮廓曲线图3刀翼角和刀翼跨度角文献忙中推导出了等切削、等磨损和等功率原则下冠部曲线的理论方程，但在PDC钻头实际设3切削齿周向布齿设计计中，为了加工方便和简化磨具，常将理论

8、冠部切削齿的周向布齿设计是在垂直于钻头轴线曲线拟合成一些典型冠部形状。本文为了适应不的平面内按一定方式确定各个切削齿的周向位置同的底层和钻井条件推导了四大类典型的冠部轮角0i~-t]主切削齿的定位半径Rc(i)，周向布齿得到廓曲线，每一类又有倒角和无倒角之分，如