（油气井工程专业论文）pdc钻头关键设计参数优化研究.pdf

o p t i m i z a t i o no fk e y p a r a m e t e r sf o rp d cb i t sd e s i g n c a ih u a n ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z o ud e y o n g a b s t r a c t i nv i e wo ft h er e s e a r c ho fp d c k e yp a r a m e t e rr e l a t i v el a g ，l i t t l ec e r t a i nr e g u l a r i t ya n d t h ed e s i g n so f t e nd e p e n d i n go ne x p e r i e n c eo ra n a l o g yt oo t h e r s ，t h ea u t h o rh a ss t u d i e da s e r i e so fk e yp a r a m e t e r st h a ti m p a c to np d cd r i l lb i tt h r o u g ht h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n ta n d t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s u c ha st h es h a p eo fc r o w n , d e g r e eo fb a c kr a k ea n g l e ，t h ec o g g i n g s i z e ，t h et o o t hd e n s i t y , t h ed e g r e eo fi n n e rc o n e ，t h eh e i g h to fi n n e r | o u t e rc o n ea n dt h e p o s i t i o no fc r o w n t h er e s u l t so fs t u d ys h o wt h a t ：( 1 ) t h ec o g g i n gs i z e i si ni n v e r s e p r o p o r t i o nt of o r m a t i o nh a r d n e s so nb r o k e nr o c ke f f i c i e n c y w h e nt h e 幻i sl e s st h a n3 4 8 ，a n d t h ed i a m e t e ro fc o g g i n gi s l9 0 5 m m ，i ts h o u l do b t a i nh i g h e rd r i l l i n gr a t e a l s ot h ed r i l l i n gr a t e w i l lb eh i g h e rw h e n 幻i s3 4 8 5 7 8 ，a n dt h ed i a m e t e ri s1 6 1 0 m m ( 2 ) t h ed r i l l i n gr o t ec a n i n c r e a s ei f t h eb a c kr a k ea n g l ei sb e t w e e n1 0 0a n d1 5 0w h e n 肠i sl e s st h a n3 4 8 ，a l s oi tw i l l b eh i g h e rw h e nt h eb a c kr a k ea n g l ei s15 0a n d2 0 0a n d 幻i s3 4 8 5 7 8 ( 3 ) t h ec o g g i n g d e n s i t yi si ni n v e r s ep r o p o r t i o nt ot h ed r i l l i n gs p e e d ( 4 ) h i g h e rd r i l l i n gs p e e dc a nb eg o t t h r o u g ht h e “s t r a i g h tl i n e a r c - s t r a i g h tl i n e ”s e c t i o nw h e n 幻i s l e s st h a n3 5 a n di ta l s oc a n b eg o tt h r o u g h “s t r a i g h tl i n e - a r c - a r c s e c t i o nw h e n 幻i sb e t w e e n3 4 8 - 4 6 ( 5 ) t h ed e s i g no f d e 印i n n e rc o n ec 趾i m p r o v eb i ts t a b i l i t ya n dc o g g i n gl i f e w h e nt h ed e g r e eo fi n n e rc o n e c h a n g e si n9 0 0 一16 0 0 ，t h ef o r c eo fc r o w nt e n d st oe v e n l yu n d e rt h ef u n c t i o no fd r i l lp r e s s u r e 谢也t h ed e g r e eo fi n n e rc o n ei n c r e a s i n g ，a l s ot h et o r q u ei sn o to b v i o u st ot h ef o r c eo ft h e c r o w i l ( 6 ) t h ed e s i g no fh i g ho u t e rg o n em a ye n h a n c ed r i l lm t ee f f e c t i v e l y t h es t r e s so f o u t e rc o n ei n c r e a s e sg r a d u a l l yw i t ht h ea n g l el o n g e ra n dl o n g e r , s i m u l t a n e i t yt h eb i tp r e s s u r e a n dt h et o r q u ea r eo b v i o u st ot h eo u t e rc o n ew h e nt h eo u t e rc o n ec h a n g e sf r o m2 5 0t o4 5 0 ( 7 ) w h e nt h er a t i oo fc r o w nr a d i u sa n db i tr a d i u si s0 6 4 ，t h ec e n t r a l i z e dp h e n o m e n o no fs t r e s s o fc r o w ni so b v i o u s l yr e d u c e d t h er e s e a r c hr e s u l t sh a v ec e r t a i nd i r e c t i v es i g n i f i c a n c et o i n d i v i d u a l i z e dd e s i g no fp d cb i t k e yw o r d s ：p d cb i t ，d e s i g np a r a m e t e r , l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t , n u m e r i c a la n a l o g u e ， r e g u l a rp a t t e r n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：日期：少啭年r, e l 砷日 | 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 哆力厂 月 月 r ， 年 年舢御 期 期 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究的目的及意义 第一章前言 钻头做为钻进过程中主要的岩石破碎工具，其质量的优劣、与岩性和其它钻井工艺 条件是否适应，将直接影响钻井速度、钻井质量和钻井成本。目前钻井中使用的钻头有 牙轮钻头、金刚石材料钻头及刮刀钻头三大类。p d c 钻头是金刚石材料钻头的一类， 由于其能在低钻压下获得较高的钻速和进尺，已受到广泛重视。 多年来的钻井实践表明，钻头设计直接影响钻头的性能。在性质相近的地层中使用 不同结构的钻头时，使用效果有着很大的差别；相同设计的钻头钻进不同性质的地层时 也有着截然不同的表现。因此，根据所钻地层性质设计高性能的p d c 钻头，对p d c 钻 头实行适应地层特点的个性化设计成为国内外业内人士极为关注并为之努力的研究课 题。 纵观p d c 钻头设计的发展历程，可以将其划分为模仿设计( 1 9 7 0 s ) 、经验设计( 1 9 8 0 s ) 和半经验设计( 1 9 9 0 s ) - - 个阶段。在模仿设计阶段，p d c 钻头设计完全套用金刚石钻头 的设计概念，钻头冠部形状、布齿结构及水力结构等都与天然金刚石钻头基本相同，只 是简单地用p d c 复合片替代了天然金刚石作为切削刃。设计出来的钻头的现场试验效 果很差，突出表现为钻速低，钻头泥包严重及切削齿脱落和折断等。在经验设计阶段， p d c 钻头设计主要是根据实验室和现场试验的经验对钻头结构进行设计和改进。主要 做法是：凭经验完成初步设计，进行实验室或现场试验，分析钻头设计存在的问题，对 原设计进行改进。钻头设计上的改进，使钻头性能有了明显的提高，对p d c 钻头的发 展起到了很大的促进作用。但由于缺乏系统的理论和科学的设计方法，钻头设计具有一 定的盲目性和局限性，且新产品开发周期较长，钻头性能不稳定。九十年代以来，随着 对p d c 钻头的破岩机理及磨损规律的认识和设计理论及设计方法研究的深入，钻头设 计进入了半经验、半科学化设计阶段。国外钻头厂家和公司都相继开发出自己的p d c 钻头设计软件，大大提高了p d c 钻头的设计水平和性能，缩短了新产品开发的周期。 针对特定地层的p d c 个性化设计可以解决在常规p d c 钻头的设计中的不足。本课 题即是以此为立足点，选择p d c 钻头冠部剖面形状、切削齿尺寸大小、布齿密度、后 倾角角度、内外锥高度、内锥角度及冠顶位置等钻头关键设计参数作为研究对象，利用 实验研究与数值模拟分析相结合的方法，研究其在特定地层中对钻头破岩效率的影响规 第一章前言 律，并对其进行优化，建立优化设计模型，使之为p d c 钻头设计提供一定的参考。 1 2 国内外研究现状及存在的主要问题 p d c 钻头设计伴随着p d c 钻头大面积推广而不断的发展。通常的做法是由研究人员 提供设计思路，合作制造单位根据思路设计钻头的原理图，然后根据原理图制作实物模 型进行实验。这个过程的存在的缺点有3 点：设计周期长；修改非常困难；设计成本高。 针对p d c 钻头传统设计方法存在的不足，国内外许多学者提出了自己的设计方法， 并取得了一定成绩。 李树盛、侯季康【1 1 、林玉龙、王福修、彭烨1 2 1 针对传统设计周期长的缺点，在p d c 钻头几何学、运动学、切削力学和岩石破碎学的基础上，运用c a d 、优化设计和计算机 仿真等现代设计方法，提出了p d c 钻头优化设计思想。由此开发出一套专用设计软件， 实现p d c 钻头设计全过程的电算化。 杨丽、陈康民 3 1 通过实践，探索了一条数字化设计p d c 钻头的方法( 三维设计方法) ， 不仅可以直接从原理生成三维钻头模型，而且可以根据设计平面图直接生成三维钻头模 型，由三维钻头模型直接转换到n u m e c a 这样的大型分析软件进行网格生成并进行分析 计算，经过后处理分析发现问题，及时修改钻头的设计参数，然后再进行设计分析直至 得到满意的设计结果。这样就省略了8 0 的中间过程，大大地提高了设计的效率。 p d c 钻头在设计手段和方法上的发展大大提高了设计效率，缩短了设计周期，节约 了设计成本。但是对钻头设计上的本质问题没有得到解决。即对p d c 钻头关键设计参数 在特定地层中对钻头的破岩规律研究没有到位。 ( 1 ) 冠部设计参数 钻头冠部形状设计参数，历来都是靠经验和类比同型钻头来确定。经过多年来的反 复实验与改进，形成了多种剖面形状设计。 李树盛、蔡镜仑、马德坤1 4 1 根据p d c 钻头冠部设计的基本要求，推导出了按等切削、 等磨损和等功率原则设计的理论冠部曲线方程式，解决了p d c 钻头设计中长期存在的理 论问题，并建立了计算机辅助冠部设计的方法和相应的计算机程序。 k e r rcj 类比金刚石钻头的冠部形状，提出了目前常见的几种典型冠部形状，即 浅锥型、双锥型、抛物线型和b 型。 1 9 9 2 年，国际钻井承包商协会( i a d c ) 将p d c 钻头冠部剖面形状归纳为四种基本类 型【5 1 ，即平底型、浅锥型、中锥型和长锥型。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 综合考虑冠部剖面形状对破岩效率、钻头磨损和钻头稳定性的影响，石油界通常选 择双锥型冠部剖面作为p d c 钻头的基本剖面形状。目前成功地应用于石油钻井的此类剖 面可归纳为四种形状，即“直线一圆弧一直线 型、“直线一圆弧型、“直线一双圆弧 型 和“直线一圆弧一抛物线弦型。 ( 2 ) 切削齿工作角 切削齿的工作角包括后倾角和侧转角。切削齿的后倾角是p d c 钻头的一个重要的 设计参数，对钻头性能有着很大的影响。其可以减少齿在工作时震动，延长使用寿命。 h i b b s 6 1 于1 9 7 8 年研究提出，p d c 钻头切削齿的合理后倾角为1 0 。一2 0 。 e i lh o o v e r & j n m i d d l e t o n 7 1 在1 9 8 1 年报道了他们的台架实验结果，结论是切削 齿后倾角为2 0 。的钻头在砂岩中的钻进性能最好，而在硬的花岗岩中，2 5 。切削齿的 碎裂和磨损程度明显小于2 0 。的切削齿。 c l h o u g h i 8 】在1 9 8 6 研究得出的结论是，在页岩中，切削齿后倾角为1 5 。、2 0 。 或2 5 。的p d c 钻头的钻进速度没有明显的差别，优于后倾角为7 。的钻头。 根据这些研究成果，在目前的p d c 钻头设计中形成了这样一种共识，即软地层的 p d c 钻头应采用1 0 - 2 0 。后倾角，而硬地层钻头采用2 0 - - 2 5 。后倾角为宜，并以2 0 。作 为p d c 切削齿的标准后倾角。 近年来，随着冲击碎裂和热加速磨损理论的发展，人们开始怀疑早期设计经验的合 理性。 k a r a s a w - 9 和xl i t l o 】等用后倾角为1 0 。、1 5 。、2 0 。、2 5 。、3 0 。和4 0 。的切削 齿切削花岗岩，发现切削齿的受力随着后倾角的增大而增大，而且切削角较小的切削齿 反而不容易碎裂。 中国石油大学邹德永【l l 】等在石灰岩中进行了5 。、1 0 。、1 5 。、2 0 。和2 5 。切削齿 的受力实验，得出的结论是：1 0 。时切削齿的受力最小，旋转扭矩也最小，随着切削角 的增大，纵向力、切削力和扭矩都呈增大的趋势。 s i n o r 1 2 1 等用后倾角分别为1 0 。、2 0 。、3 0 。和4 0 。的直径2 1 6 n n n 的p d c 钻头在灰 岩和页岩中进行了台架实验，结果表明：在相同的钻压和扭矩下，后倾角越小的钻头， 钻进速度越快；在相同的钻速水平( 如1 2 m h ) ，钻压和扭矩随着后倾角的增大而增大。 从这些实验结果中可以归纳出以下2 个重要的结论：后倾角越小( 最小1 0 。) ，切 削齿越容易吃入地层，钻进速度越快；在相同的钻速水平，后倾角越小，切削齿受力越 小，钻压和扭矩越小。 3 第一章前言 切削齿的侧转角的作用主要是提高切削齿排屑能力，提高清岩效果，防止泥包。切 削齿的侧转角一般控制在5 0 , - - 1 5 0 。 ( 3 ) 布齿密度 钻头的布齿密度是根据所钻地层的硬度、研磨性及钻井条件而决定。布齿数量越多， 各个齿承担的切削载荷越低，钻头寿命越长，但对于机械钻速也相应降低。对于深井、 海洋钻井、研磨性较强的地层用的p d c 钻头，布齿密度应高一些。对软地层、中深井 等，布齿密度应低一些。 在布齿密度影响切削齿承担载荷方面，罗超、王镇泉、蔡镜仑等【1 3 1 人的研究表明切 削齿的轴向力、切向力均随布齿密度的增大而增大，呈不同程度的幂函数关系；轴向力 大于切向力，且轴向力随布齿密度的增大幅度较切向力大，侧向力随布齿密度的增大略 有下降。 ( 4 ) 切削齿尺寸 国内外生产厂家提供了很多尺寸的p d c 切削齿供钻头设计者选用。目前应用比较 多的切削齿主要有0 1 9 、0 1 6 、加3 和8 四种规格。多年来的实践经验表明，矽1 9 切削 齿适合于软到中软的地层，0 1 6 适合于中软到中的地层，1 3 切削齿适合于中到中硬地 层。8 切削齿设计用于较硬地层。 ( 5 ) 水力参数 在机泵条件一定的情况下，水力参数设计的主要任务是确定钻头的喷嘴直径和钻井 泵的压力和排量。水力结构设计一直是p d c 钻头设计中的一大难题，原因是流体在p d c 钻头的形状复杂的几何表面上的流动是一个非常复杂的问题，很难找到一种能够描述任 意几何形状钻头的水力问题的通解。 g l o w k a i l 4 ( 1 9 8 1 ) 在美国s a n d i a 国家实验室采用染色液和示踪颗粒高速摄影的方法， 对三种不同水力结构的p d c 钻头流场进行了实验研究，分析了喷嘴组合及布置对p d c 钻头切削齿的清洗和冷却效果的影响。他的研究表明，在所研究的三种水力结构钻头中， 采用1 个中心喷嘴和三个集中在钻头中心附近的喷嘴，构成由钻头中心向外围冲刷的水 力结构，具有较好清洗、冷却效果。 d g a r c i a g a v i t 0 【1 5 1 ( 1 9 9 0 ) 等对不同结构的p d c 钻头的井底压力场进行了实验研 究，并指出：减小喷嘴总面积比增大排量更有利于提高水力作用和井底清岩效果；喷嘴 位置对井底清岩和提高钻速有重要的影响；锥型钻头有利于井底岩屑清除和提高钻速。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 国内的管志川、高振果、刘刚等f l “1 羽也对p d c 钻头的井底流场和水力结构优化设 计进行了实验和模拟研究，对喷嘴位置、倾角、方位、出口速度等对清洗和冷却能力的 影响规律进行了分析和探讨。 由于井底流场实验研究的复杂性和高难度，迄今为止尚未形成有效实用的p d c 钻 头水力结构优化设计方法。目前，p d c 钻头水力结构仍处于经验设计阶段，即根据已 经取得的实验室结果和实践经验进行设计。 综上所述，在p d c 钻头结构设计方面，做的只是定性的研究，缺乏理论依据，随 意性较大，多凭经验设计。即对结构设计中几个关键参数，在设计中存在不确定性，并 且对剖面形状影响钻头破岩效率和钻头磨损的规律尚未有具体研究。正是由于在p d c 钻头结构设计中缺乏基础研究，无理论支撑，造成不能根据地层特点进行钻头个性化设 计。 1 3 论文主要研究内容 本课题的研究目标是通过对p d c 钻头关键设计参数进行分析研究，总结出后倾角 大小、切削齿尺寸大小及布齿密度等对p d c 钻头破岩效率的影响规律；优化冠顶位置、 内外锥高度和角度，找出能够使p d c 钻头切削齿受力均匀的钻头冠部参数变化规律， 优化参数组合，使设计的p d c 钻头既有高破岩效率又能实现等磨损，具有较长的寿命， 为在p d c 钻头设计时选择参数提供一定理论依据。 本文主要研究内容： ( 1 ) p d c 钻头关键设计参数优选实验研究 通过室内钻进试验，研究剖面形状、后倾角、切削齿尺寸、布齿密度等对p d c 钻 头破岩效率的影响规律，优选适合不同地层的设计参数。 ( 2 ) p d c 钻头受力分布规律研究 利用有限元分析软件，通过数值模拟，分析不同剖面形状的应力分布规律，优化剖 面形状设计。 具体技术路线如下： 5 第一章前言 图1 - 1 技术路线图 f i g l - 1t e c h n o l o g i c a lr o u t es h e e t 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章实验钻头设计 p d c 钻头设计主要为冠部形状设计和布齿结构设计。冠部形状设计和布齿结构设 计的优劣，不仅影响钻头钻进速度的快慢，而且影响钻头使用寿命的长短。 本文使用钻头为3 刀翼4 寸钻头，利用a u t oc a d 软件完成钻头设计工作。设计的 钻头体现切削齿尺寸、后倾角角度、布齿密度和剖面形状的要求。 2 1 冠部剖面形状设计 p d c 钻头的钻井实践证明，冠部剖面形状对破岩效率及切削齿磨损有着明显的影 响。因此，冠部剖面形状设计是p d c 钻头设计的关键技术之一。 2 1 1 冠部剖面组成及作用 p d c 钻头工作面形状一般包括内锥、冠顶、外锥、 肩部和保径五个基本要素组成。如图( 2 1 ) 所示。 内锥的主要作用是抵抗钻头横向力，防止钻头横移， 维持钻头稳定旋转。传统理论认为在软地层内锥应设计深 一些；在硬地层内锥设计应浅一些。 冠顶是钻头最先吃入地层的部位，而且总是最先接触图2 - 1 钻头冠部形状 地层的变化，由地层的变化而引起的意外受损的可能性也f i 9 2 1c r o w ns h a p eo f d r i l lb i t 最大。传统理论认为，在软地层，冠顶半径应小一些，以提高钻头吃入地层的能力；而 硬地层或软硬交错地层，冠顶半径应大一些，以使切削齿受力较均匀，避免单齿受力过 大而先期损坏。 外锥对钻头旋转起稳定作用，其长度受布齿密度控制。传统理论认为，在较硬地层， 需要较多切削齿，外锥应长一些；在较软地层，外锥可短一些。 肩部是从侧翼向保径过渡的部位。它是钻头冠部旋转半径最大的部位，在同一旋转 速度下，经历的路程最长，磨损也就最严重。另外由于钻头的振动( 横振、涡动、扭转 振动) ，该部位切削齿往往承受较大的冲击载荷，容易碎裂。 保径部位主要起保证钻头直径的作用。另外，保径还对钻头稳定性起很大的作用。 传统理论认为，增长保径长度可提高钻头的井斜控制能力；反之，对造斜用钻头应缩短 保径的长度。 7 第二章实验钻头设计 2 1 2 常用剖面形状类型及特点 在1 9 9 2 年，国际钻井承包商协会( i a d c ) 根据钻头的剖面组成，将p d c 钻头冠部剖 面形状归纳为四种基本类型，即平底型、浅锥形、中锥型和长锥型【5 】，如图( 2 2 ) 所示。 四种冠部剖面类型各有特点，对钻头性能影响角度均不相同。 内锥 冠顶 内锥 冠顶 图2 - 2p d c 钻头冠部剖面形状i a d c 分类 f i 9 2 - 2 i a d cc l a s s i f i c a t i o no fp d cb i tc r o w ns h a p e ( 1 ) 稳定性 平底型、浅锥型和长锥型剖面形状内锥较浅，起不到稳定钻头的作用，钻头工作时 很容易产生横向振动。 中锥型冠部剖面形状具有一定深度的内锥，提高了钻头的稳定性。 ( 2 ) 钻头寿命 平底型和浅锥型剖面形状钻头冠部比较平缓，内锥较浅，产生横向振动易造成切削 齿的冲击损坏。并且切削齿磨损也不均匀，从钻头中心到外径，切削齿的磨损由轻变重。 尤其钻遇硬夹层时，不均匀磨损现象更为严重，常常因冠项齿和外锥齿的先期磨损而导 致钻头失效，钻头中心附近的切削齿得不到最有效的利用。 中锥型冠部剖面形状外部区域可布置较多的切削齿，钻头磨损更加均匀，钻头中心 附近的切削齿得到了比较有效的利用，使用寿命较长。 长锥型钻头冠部具有较长的外锥，剖面形状通常为近抛物线形( 类似抛物线，非真 正的抛物线) 。长外锥体提供了较大的布齿面积，可以布置比较多的切削齿，提高钻头 外部区域的耐磨性。光滑的近抛物线外形消除了尖锐的棱角，使载荷分布比较平缓，可 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 避免因应力集中而引起切削齿的先期损坏。钻头使用寿命较长。 ( 3 ) 钻速 平底型和浅锥型剖面形状的布齿面积较小，切削齿用量少且平缓冠部使钻压在各切 削齿上的分配比较均匀，各切削齿的切削深度近似相等。因此，此类冠部形状的钻头， 破岩效率高，钻进速度快。 中锥型和长锥型钻头冠部对钻头钻速影响不大。 ( 4 ) 水力效果 在四种冠部外形中浅锥形钻头的冠部面积最小，也较平坦，水力能量集中，清洗效 果较好，有利于消除泥包。长锥型钻头有着巨大冠部表面，要求较高的流量和水力能量 来实现清洗和冷却。 ( 5 ) 适应地层 在四种冠部外形中，中锥型冠部剖面形状具有一定深度的内锥和较大的布齿面积。 具有较强钻进硬夹层的能力。钻遇硬夹层时，钻压的分配更集中于钻头冠顶部位，使冠 项切削齿更容易吃入较硬的地层地层，产生有效的剪切作用。 从以上五个角度可以看出： 冠部剖面长度影响钻头的钻进速度。冠部剖面短，布齿数量少，单齿受力大， 钻进效率高；反之，钻进效率低； 内锥设计有利于提高钻头的稳定性； 加长外锥面，可在钻头外部区域布置更多的切削齿，使钻头磨损更加均匀； 光滑的剖面曲线可实现从冠顶到保径的圆滑过渡，避免因应力集中而引起局部 切削齿的先期损坏； 平坦冠部有利于提高井底清洗效果，减少泥包的产生几率； 剖面设计越接近短抛物线形，越利于钻进硬夹层的地层； 较小半径的顶部结构利于提高钻头吃入地层能力。 2 1 3 冠部剖面形状设计模式 综合考虑冠部剖面形状对破岩效率、钻头寿命和稳定性的影响，选择双锥型冠部剖 面作为p d c 钻头的基本剖面形状。其冠部形状一般包括内锥、冠顶和外锥三部分组成。 传统设计理论认为，内锥部位剖面线一般采用直线形状，冠顶剖面线一般采用圆弧形状， 外锥部分剖面线有直线和圆弧两种。本文选择“直线圆弧直线 、“直线圆弧和 “直线圆弧圆弧 型作为基本冠部轮廓曲线设计模式。 9 第二章实验钻头设计 ( 1 ) “直线圆弧一直线”型设计模式 “直线圆弧直线”型剖面由直线段、圆弧段和直线段组成，剖面部分两直线段与圆 弧两端相切。如图( 2 - 3 ) 所示： li k 而 一 一y ， 月 j 。 r o 一 一一 ， d 口 2 图2 - 3 “直线- 圆弧- 直线”型剖面设计图 f i 9 2 - 3p r o f i l ed e s i g n sd i a g r a mo ft h e s t r a i g h tl i n e - a r c s t r a i g h tl i n e t y p e 在图( 2 - 3 ) 所示坐标系中，“直线圆弧直线”型剖面可表示为： i h = 毛，+ h 1 ( r - r o ) 2 + ( 乃一r ) 2 = r 2 ( 2 - 1 ) i h = k 2 r + 6 剖面参数按下式计算： k l = - - c t g ( 口) 七一盥二! ! ! ! 垒 2 c 2 ( 2 - 2 ) h l = r 【1 一s i n ( a ) - c o s ( a ) t g ( a ) 】+ r o t g ( a ) b = h 2 一k 2 d p 2 式中：c o = 研- 2 r h 2 c l = 2 ( r h 2 x d p 2 一r o ) c 2 = ( 嘭2 - r o ) 2 - r 2 式( 2 - 1 ) 和式( 2 - 2 ) 中各参数的意义如下： 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 d 。冠部外径，m m ； 民冠顶半径，n 1 i n ； 口内锥半角，度； r 圆弧半径，m i l l ； 日，外锥高度，m m ； e 内锥高度，m m 。 利用式( 2 1 ) 和( 2 2 ) ，给定钻头冠部外径d p 、冠顶半径r o 、内锥半角口，圆弧半径 r 就可以确定出具体的冠部剖面形状。称d 口、r o 、口、r 为“直线圆弧直线”型剖面 的设计参数。 ( 2 ) “直线- 圆弧”型设计模式 “直线一圆弧”型剖面由直线段和圆弧段组成，剖面部分直线与圆弧相切，圆弧与冠部 外径延长线相切。如图( 2 - 4 ) 所示： 图2 _ 4 “直线圆弧 型剖面设计图 f i 9 2 - 4 p r o f i l ed e s i g n sd i a g r a mo ft h e ”s t r a i g h t l i n e a r g t y p e 在图( 2 4 ) 所示坐标系中，“直线圆弧”型剖面可表示为： ( ，h = 一k r r 。+ ) 2 h + l ( 乃一r ) 2 ：r 2 ( 2 3 )l ( ，一r o ) 2 + ( 乃一r ) 2 = 2 卜。7 剖面参数按下式计算： 第二章实验钻头设计 i j = 一c 辔 ) i 尺= d p 2 一r o 1 h l ：r p - 1 _ s 畎口) c 。s ( a ) t g ( 口) 】+ r 。t g ( 口) ( 2 - 4 ) 【h 2 = r 式( 2 - 3 ) 和式( 2 4 ) 中各参数的意义如下： d 。冠部外径，i i l i l l ； 民冠顶半径，i i l i l l ； 口内锥半角，度； q 内锥高度，i t i i l l ； 日，外锥高度，m m | r 圆弧半径，1 t i i t i 。 利用式( 2 - 3 ) 和( 2 - 4 ) ，给定钻头冠部外径d 口、冠顶半径r 。、内锥半角口，就可以确 定出具体的冠部剖面形状。称d 口、r o 、口为“直线- 圆弧”型剖面的设计参数。 ( 3 ) “直线- 圆弧一圆弧”型设计模式 “直线圆弧- 圆弧”型剖面由直线段、圆弧段和圆弧段组成，剖面部分直线段与内圆 弧相切，两圆弧段相切，外圆弧与冠部外径延长线相切，如图( 2 5 ) 所示。 f i 9 2 5 p r o f i l ed e s i g n sd i a g r a mo ft h e s t r a i g h tl i n e - a r g - a r c ”t y p e 在图( 2 5 ) 所示坐标系中，“直线- 圆弧一圆弧”型剖面可表示为： 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 f h = k l r + h i p r ) 2 + ( 办一r 1 ) 2 = r 1 2 l ( r - ) 2 + ( 办一凰) 2 = r 2 2 剖面参数按下式计算： jk l = 一c 留( 口) i 且= r l 1 一s i n ( a ) - c o s ( 倪) t g ( a ) + r o 馆( i h 2 = 尺1 + ( r 2 一r 1 ) c o s ( 0 ) i = d p 2 一r 2 式中：0 = a r c t g ( t l 正- t 2 ) ，t = ( 凡- r 眈) ( r 2 - r 1 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 式( 2 - 5 ) 和式( 2 6 ) 中各参数的意义如下： d 。冠部外径，m i n ； 凡冠顶半径，r a i n ； 口内锥半角，度； 足内圆弧半径，m m ； 见外圆弧半径，m l n ； 日，外锥高度，m m ； 矗l 内锥高度，r a i n ； r 0 2 外圆弧圆心径向坐标，m i n 。 利用式( 2 5 ) 和( 2 6 ) ，给定钻头冠部外径d 矿冠项半径r o 、内锥半角口，内圆弧半 径墨，外圆弧半径r ：就可以确定出具体的冠部剖面形状。称d p 、r ”口、r i 、r ：为“直 线圆弧圆弧”型剖面的设计参数。 2 1 4 实验钻头冠部形状设计 根据以上理论，本文设计了4 寸3 刀翼p d c 钻头的冠部形状。并从节约成本、利 于加工及方便实验的角度出发，对刀翼部分做了一定的简化： 刀翼与钻头体的连接采用螺纹螺栓连接； 1 号刀翼过钻头中心线l r n m ；2 、3 号刀翼采用形同尺寸设计。 ( 1 ) “直线圆弧直线”型冠部 设计参数表和零件图如下所示： 1 3 第二章实验钻头设计 表2 - 1 “直线圆弧直线 型冠部参数表 t a b l e 2 1c r o w np a r a m e t e rf o r mo f t h es t r a i g h tl i n e - a 心- t h es t r a i g h tl i n e t y p e 高度 7 5 r a m 冠项半径 3 0 m m 厚度 2 5 m m 圆弧半径 1 3 m m 内锥角 1 3 0 0 内锥高度 1 2 6 m m 外锥角 1 5 0 外锥高度 2 2 5 m m 1 号刀翼宽度 4 6 8 m m2 、3 号刀翼宽度3 9 8 m m 1 号刀翼厚度 2 5 m m2 、3 号刀翼厚度2 5 m m 内沉孔数量 3 内沉孔直径 1 3 m m 内沉孔深度 l l m m 螺栓孔 m 8 以1 号刀翼为例，其主视图和左视图如下图所示： _ _ 葑 c o c u ， 、 v - 4 o ( 、_绦 v - q , q - 埯妙 0 3 _ 898 2 5 图2 - 61 号刀翼零件图 f i 9 2 - 6 p a r tp i c t u r eo fn o 1b l a d ec o n t o u r ( 2 ) “直线- 圆弧”型冠部 设计参数表及零件图如下所示： 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 - 2 “直线圆弧”型冠部参数表 t a b l e 2 - 2c r o w np a r a m e t e rf o r mo f ”t h es t r a i g h tl i n e - a r c t y p e 高度 7 5 m m 冠顶半径 3 0 m m 厚度 2 5 m m 圆弧半径 1 3 8 m m 内锥角 1 3 0 0 内锥高度 1 2 6 m m 外锥角 。 外锥高度1 5 1 m m 1 号刀翼宽度 4 6 8 m m2 、3 号刀翼宽度 3 9 8 m m l 号刀翼厚度 2 5 n u n2 、3 号刀翼厚度2 5 r a m 内沉孔数量 3 内沉孔直径 1 3 r a m 内沉孔深度 1 l m m 螺栓孔 m 8 以l 号刀翼为例，其主视图和左视图如下图所示： 勺与 、 _-_鞫 t u 厂心 f - i o 绦 h 叮 埯 89i8 己5 图2 71 号刀翼零件图 f i 9 2 - 7 p a r tp i c t u r eo fn o 1b l a d ec o n t o u r ( 3 ) “直线- 圆弧一圆弧”型冠部 设计参数表及零件图如下所示： 1 5 第二章实验钻头设计 表2 - 3 “直线圆弧圆弧”型冠部参数表 t a b l e 2 3 c r o w np a r a m e t e rf o r mo f t h es t r a i g h tl i n e a r c - a 比t y p e 高度 7 5 r a m 冠顶半径 3 0 m m 厚度 2 5 r a m 内圆弧半径 1 2 m m 外圆弧圆心径向坐标 1 5 7 5 m m 外圆弧半径 2 9 m m 内圆弧圆心径向坐标 2 9 9 1 m m 内锥高度 1 2 7 m m 内锥角1 3 0 0外锥高度2 4 2 m m 1 号刀翼宽度 4 6 8 m m2 、3 号刀翼宽度3 9 8 m m 1 号刀翼厚度 2 5 m m 2 、3 号刀翼厚度 2 5 m m 内沉孔数量 3 内沉孔直径 1 3 m m 内沉孔深度 1 1 m m 螺栓孔 m 8 以1 号刀翼为例，其主视图和左视图如下图所示： 2 2 切削齿尺寸设计 ! s 一一 三怛 己5 图2 - 81 号刀翼零件图 f i 9 2 - 8p a np i c t u r eo fn o 1b l a d ec o n t o u r p d c 钻头能在低钻压下能获得较高钻速的关键在于使用了高性能的p d c 片作为切 削齿。p d c 全称为聚晶金刚石复合片，是以金刚石粉为原料加入粘结剂在高温高压下 烧结而成。 目前应用比较多的切削齿主要有1 9 、1 6 、1 3 和8 四种规格。有资料显示， p d c 齿有朝大直径方向发展的趋势，最大的直径可达到5 0 8 m m ，而且金刚石层也有加 厚的趋势。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 经验认为，痧1 9 切削齿适合于软到中软的地层，1 6 适合于中软到中的地层，矽1 3 切削齿适合于中到中硬地层，矿8 切削齿设计用于较硬地层。s p e 8 4 3 5 4 t 1 9 1 报道了1 3 9 和1 3 1 1 妒9 两种混和布齿结构，在硬灰岩中取得的了比较好的钻进效果。 在本文中，选择国内常用的三种规格齿，即：妒1 3 4 4 、矽1 6 1 0 、1 9 0 5 三种切削 齿，齿厚分别为8 m m 、1 0 m m 和1 3 r a m 。 2 3 切削齿工作角度选择 复合片在钻头上安装时，具有后倾角口和侧转角。如图( 2 9 ) 所示。 乙、 图2 - 9p d c 钻头切削齿工作角 r i g2 - 9c o g g i n gw o r ka n g l eo fp d c b i t ( 1 ) 后倾角设计 切削齿的后倾角是p d c 钻头的一个重要设计参数，后倾角可以减少齿在工作时的 震动，延长使用寿命。 h i b b s 于1 9 7 8 年研究提出，p d c 钻头切削齿的合理后倾角为1 0 0 - 2 0 0 。h o o v e r & m i d d l e t o n 在1 9 8 1 年报道了他们的台架实验结果，结论是切削齿后倾角为2 0 0 的钻头在 砂岩中的钻进性能最好，而在硬的花岗岩中，2 5 0 切削齿的碎裂和磨损程度明显小于2 0 0 的切削齿。h o u g h 在1 9 8 6 研究得出的结论是，在页岩中，切削齿后倾角为1 5 0 、2 0 0 或 2 5 0 的p d c 钻头的钻进速度没有明显的差别，优于后倾角为7 0 的钻头。根据这些研究成 果，在早期的p d c 钻头设计中形成了这样一种共识，即软地层的p d c 钻头应采用1 0 0 2 0 0 后倾角，而硬地层钻头采用2 - - 2 5 0 后倾角为宜，并以2 0 0 作为p d c 切削齿的标准 后倾角。 1 7 第二章实验钻头设计 近年来，随着冲击碎裂和热加速磨损理论的发展，人们开始怀疑早期设计经验的合 理性。h k a r a s a w a & x l i 等用后倾角为1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 、2 5 0 、3 0 0 和4 0 0 的切削齿切削 花岗岩，发现切削齿的受力随着后倾角的增大而增大，而且切削角较小的切削齿反而不 易碎裂。s i n o r 等用后倾角分别为1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 和4 0 0 的直径2 1 6 m m 的p d c 钻头在灰 岩和页岩中进行了台架实验，结果表明：在相同的钻压和扭矩下，后倾角越小的钻头， 钻进速度越快；在相同的钻速水平( 如1 2 m h ) ，钻压和扭矩随着后倾角的增大而增大。 根据以上内容，本课题在钻头设计中选用5 0 、1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 、2 5 0 五种后倾角，钻 进三种不同的岩样，测试对于特定地层不同后倾角度对破岩效率的影响。 ( 2 ) 侧转角设计 切削齿侧转角【2 0 】的主要作用是使切削齿在切削地层时对齿前切削产生侧向推力，使 岩屑向钻头外缘移动，以利排出岩屑，防止钻头泥包。 研究和现场经验表明，随着水力清洗效果的提高，切削齿的侧转角对p d c 钻头的 性能没有明显的积极作用。因此，在现代p d c 钻头设计中，对直线刀翼结构的钻头， 其切削齿侧转角一般取零；对螺旋形布齿结构的钻头，切削齿侧转角随切削齿在螺旋线 的位置而变化，一般由内向外逐渐增大。 本文在钻头设计中采用直线刀翼结构，其切削齿侧转角取0 0 。 2 4 布齿密度设计 布齿密度的选择影响钻头的寿命和破岩速度。钻头布齿密度应视所钻的地层和钻井 条件而定。布齿数量越多，各个齿承担的切削载荷越低，钻头寿命越长，但机械钻速也 相应降低。传统理论认为，对于深井、海洋钻井、研磨性较强地层用的p d c 钻头，布 齿密度应该高一些。对于软地层、中深井等，布齿密度应低一些。 2 4 1 布齿密度理论 针对p d c 钻头布齿密度的研究一直处于定性阶段，难以从定量角度分析的问题， 本文引入“井底覆盖系数”和“当量齿数”两个概念，提出从定量的角度衡量p d c 钻头布 齿密度的标准。 ( 1 ) “井