（油气井工程专业论文）定向井pdc钻头受力模型及优化设计研究.pdf

m e c h a n i c a lm o d e la n do p t i m i z i n g d e s i g n o fo r i e n t e dp d cb i t ) ( uy u c h a o ( o i l & g a s 、v e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o fz h o ug u a n g c h e n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep e t r o l e u mi n d u s t 巧，t h e 印p l i c a t i o no fd i r e c t e dd d l l i n g t e c q u ei nt h ep e t r o l e u md r i l l i n ge n g i n e e r i n gi n c r e a s e sq u i c k l ya n dt h eq u a n t i t yo fd i r e c t i o n w e l li n c r e a s eq u i c k l yt 0 0 d 嘶n gt h ed r i l l i n go fd i r e c t i o n a lw e l l ，t h ew e l l 仃a c ki so b t a i n e d b y r o t a r y ( 1 r i u i n ga n ds l i d ed r i u i n ga l t e m a t e l yg o i n g m o r e 甜l dm o r ep d cb i t sa r eu s e di nt h ep e t r o l e u md r i l l i n gp r o j e c tf o r t h ep d cb i th a v e m o r el o n g 、o r k i n gl i f ea j l df i 强t e rb i tp e n e t r a t i o nt h 肌t l ：l er 0 1 l e rb i t b u t 、h e nt h ep d cb i ti s u s e dd r i l l i n gi nt h ed i r e c t i o n 、e l l ，m ed i r c c t i n gp r o p e n yo fm eb i ti sd e s t a b i l i z a t i o na n dt h e t o o lf a c eo r i e n t a t i o nw i l ls t r e n u o u s l yc h a n g e n em u dm o t o fs o m e t i m e sw i us t a uf o rm i s 陀a s o n 1 1 1 i sm a d et h ed i r e c t i o n a lc o n t r 0 1b e c o m ev e 巧d i m c u l ta 1 1 dm ep r o c e s s 、v a s t eal o to f t i m e t h e r e f o r er e s e a r c l l i n gr e l a t i o n s h i pb e t 、牦e nt h ec r o w ns k e t c ha n dt h ec u t t i n gs t n j c t u r eo f t h ep d cb i ta n dt h et o o lf a c en u c t u a t i o ni sv e 巧i m p o 吨m t t h et h e o r ) ，a i l df e a n l r eo fm ep d cb i t ，s u c ha sc r o w ns k e t c h ，h y d r a u l i c st 1 1 e o 巧a i l d c o g g i n g 猢g i n ga r eg e n e r a l i z e di nt h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l y t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s m e t h o da r eu s e dt h em e c h a n i c a la i l a l y s i so fp d cb i t 嘶l l i n gt h ed i r e c t i o nw e l l n l ec r o w n s k e t c hw h i c ha d 印tt h ed i r e c t i o n 、v e nd r i l l i n gi sd e f i n e d ，啦e rs e v e r a ld i f f e r e n tc r o w ns k e t c h a r er e s e a r c h e du s e dt i l ef i n i t ee l e m e n ta 1 1 a l y s i sm e t h o d t h ea n a l y s i sr e s u l tc a nh e l ph o wt o d e s i g nc o g g i n gs t l l l c t u r eo fo r i e n t e dp d c b i t t h en u i da n a l y s i so fs e v e r a ls c r e wa n g l eg a u g e p r o t e c t i o n a r er e s e a r c h e da i l dt h ea d 印t a b l es c r e wa n g l eg a u g ep r o t e c t i o na r ed e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ea b o v e - m e n t i o n e dc o n c l u s i o n ，o n en e wo r i e n t e dp d c b i ta r ed e s i g n e dw h i c h w i l lb eu s e dt h ed i r e c t i o nw e l lo fc h m 培q i n go i lf i e l d t h eb o t t o mh 0 1 en o wf i e l do ft h en e w o r i e n t e dp d cb i ti so p t i m i z e du s e dt h en u i da n a l y s i ss o r w a r e k e yw o r d s ：d i r e c t i o n a l 、v e u ，p d cb i t ，f e a ，n u i da n a l y s i s 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己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：籀! 里：蜜色 日期：d 孑年s 月2 6 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。 学位论文作者签名：缝盐垡 指导教师签名：j 孽3 互互卜 日期：d 孑年孓月2 日 日期：p 孑年s 月z 7 日 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 第一章绪论 1 1 定向井p d c 钻头研制的目的及意义 目前p d c 钻头的设计理论主要包括破岩机理研究、切削力学研究、钻进过程中的 振动和涡动现象动力学研究、水力学研究以及有限元强度分析和工作性能预测研究。在 这些新理论的指导下出现了许多新型的p d c 钻头。如新型的防涡动p d c 钻头，适用于 特殊地层的p d c 钻头等，在设计中采用了一些非常规的设计方法。 1 2 1p d c 钻头的破岩机理的研究【1 】 p d c 钻头的破岩机理就是切削齿的破岩机理，破岩机理研究包括切削齿的破岩过 程、破岩方式、特点及规律、破岩载荷与破岩效果的关系、提高破岩效率的途径等内容。 国内外在这方面的已有的研究工作如下： s a n d i a 实验室常压下对p d c 切削齿破岩机理的研究。1 9 7 8 年，s a n d i a 实验室的h u f ! f 等人用p d c 单齿进行了广泛的试验，在切削齿上测定了垂直力、水平力、切向力和法 向力。试验在五种岩石上进行。通过试验，h u f f 等人发现后倾角小于2 0 0 会引起金刚石 层的损坏，增大后倾角会加快法向磨损速度，但能减小金刚石工作面的碎裂。 d h z e u c h 等人和j t f i n g e r 在1 9 8 5 年s p e 年会上发表论文叙述了通过对p d c 钻头切削花岗岩、大理石的实验研究了p d c 钻头切削齿的破岩机理。得出以下主要结 论：( 1 ) 根据岩屑的形状、岩屑的粒度分布、切削过的岩样的破裂面和破裂面以下的 岩样中的残留裂纹的分析，对于不同类型的岩石和不同形状的切削齿，岩屑形成的机理 是极其相似的。( 2 ) 岩石类型不同、切削齿形状不同，破岩效率是不同的。在预先有 损坏的岩样中切削单位体积岩石，比在无损坏的岩样中切削单位体积岩石所需要的切削 功小。( 3 ) 完成一个切削过程后，在切削齿前方岩样上留下一个下凹的台肩，台肩在 切削齿尖停止运动的位置上，台肩前方出现裂纹。各方面的分析都说明，大的岩屑在切 削齿前方形成，因而布置喷嘴时，将水射流冲向切削齿前方是增强切削效果的一项有效 措施。 c h e a t h a 和d a l l i e l s19 7 8 年在美国a s m e 能源技术会议上发表了关于通过p d c 切削 齿在围压下破碎页岩的实验研究影响页岩可钻性因素的文章。通过实验研究，他们得出 了下列结论：( 1 ) 围压下页岩的切屑形状特征与常压下金属铅的切屑几乎一样，说明可以 使用金属切削的模式作为页岩切削的理论模式。( 2 ) 泥浆压力( 井筒内围压) 对页岩切削破 1 第一章绪论 碎影响很大，当压力超过1 4 m p a 时，可使用金属理论公式计算切削力。( 3 ) 当泥浆压力 大于1 4 m p a ，后倾角小于或等于0 0 时，切削力的测量结果与理论公式计算结果十分吻合。 当后倾角大于o o 时，切削力的测量值高于计算值。( 4 ) 通过三种齿形的切削齿在1 4 m p a 泥浆压力下切削两种页岩的实验以及实验结果分析后表明，切削力与岩石抗压强度的比 值与切削面积成正比，与齿形无关。( 5 ) 通过对岩屑的物性研究以及以上各方面的总结， 可以认为：当泥浆压力超过一定值时，切削页岩基本上和在大气压下切削软金属铅的特 性相同。( 6 ) 围压下切削页岩时，岩屑容易堆积在切削齿的前方，应注意防止钻头泥包。 翟应虎 2 j 研究了单齿在平面上的定深切削时，切削齿的受力规律、后倾角对破岩载 荷的影响规律以及合理的后倾角角度问题。用白砂岩、黄砂岩及红砂岩三种岩石进行试 验，试验在车床上进行，试验结果表明：( 1 ) 切向力与轴向力成正比。切削力及轴向力与 切削深度成幂函数关系。( 2 ) 同一切削齿对于相同的岩石，切削比功随切削深度增加而减 小。( 3 ) 切削齿后倾角在5 0 与3 0 0 范围内变化时，上述三个结果都成立。( 4 ) 后倾角在1 0 0 与1 5 0 之间时，切削力及轴向力最小；当后倾角大于2 0 0 时，随着后倾角的增大，切削力 及轴向力迅速增大。 翟应虎研究了在重叠和覆盖条件下切削齿的破岩规律和影响切削载荷的因素及载 荷计算问题j 实验在常压下进行，试验条件与上面的相同。试验结果表明：( 1 ) 在岩石、 切削齿性能等条件相同的情况下，切削断面形状和面积大小是影响切削载荷的主要因 素。在切削面积不变的情况下，改变切削断面的几何形状可以减小或增大切削载荷。( 2 ) 在岩石、切削齿性能等条件相同的情况下，切削面积不变时，切削载荷、切削比功以及 切削单位面积岩石所需的切削力和轴向力都随切削齿刃接触岩石的弧长s 的增大而增 大：当s 不变时，切削载荷随a 的增大而增大，而切削比功和切削单位面积岩石所需的 切削力和轴向力都随a 的增大而减小。 1 2 2p d c 钻头冠部形状及布齿设计研究 1 冠部剖面设计研究 p d c 钻头常用钻头冠部形状主要有：浅锥型、双锥型和抛物线型三种。目前，国内 外一般都根据经验( 实验室实验结果、实钻资料的统计分析结果) 来选择“合适”的钻 头冠部形状。由于缺少设计模型和设计方法，剖面设计具有一定的盲目性。 彭烨、王福修【3 】提出了金刚石钻头的四种基本剖面形状( 浅锥型、双锥型、抛物线 型和“b ”型) 的设计模式，对p d c 钻头的剖面设计具有一定的指导意义。但是没有给 2 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 出具体的针对不l 司地层冠部轮廓的设计设计方法。 李树盛【4 1 等人根据p d c 钻头冠部形状设计的基本要求，推导出了理论冠部曲线方程 式，建立了计算机辅助冠部形状设计的方法和相应的计算机程序。用来进行冠部形状设 计，根据不同的钻头设计原则，建立钻头的理论冠部曲线方程式，确定冠部结构参数。 ( 1 ) 按等切削原则设计根据等切削原则，两颗切削齿的切削量应相等，即： 置c o s 形= e l c o s 乃 ( 1 一1 ) 取钻头冠顶处的切削齿作为参考基准，该切削齿的坐标为乃= o ，置= 咒，通常切 削齿沿刀翼等间距布置，所以式( 1 - 1 ) 可写为通式( 1 2 ) ： c o s 厂= 鲁 ( 1 - 2 ) 根据式( 1 2 ) 可得出冠部曲线在尺处的斜率为： 芸嘲= 庙2 。 m 3 ， 式中厅冠部曲线。 式( 1 - 3 ) 积分得冠部曲线方程( 1 - 4 ) ： 拈耻残) 2 _ 1 m c ( 1 - 4 ) 式( 1 4 ) 积分得到按等功率设计的p d c 钻头冠部曲线方程( 1 5 ) ： 厅= 去厅哥一譬- n ( r + 厢) + c ( r 圳 ( 1 5 ) 式中c 一积分常数。如过假设冠顶处办= o 。 ( 2 ) 按等磨损原则设计 根据等磨损原则的要求，钻头表面各个切削齿的磨损速率应相等，而磨损速率与单 位曲线长度上的正压力，和运动速度成正比。得如下关系： 睁= 墨等 。m 6 ， 式中e ，f 一第f ，两个切削齿上的切削正压力。 正压力和切削深度之阳i 的关系为： 3 第一章绪论 p g 9 以匕， ( 1 - 7 ) i 巧= c l ( 万c 。s 乃) 、 将式( 1 7 ) 带入式( 1 6 ) 得： 毗) 吩等= ( 跏s 乃) 等 ( 1 _ 8 ) 式中，z ，一切削正压力与切削深度关系的实验指数，主要与岩石性质有关。 根据式( 1 - 8 ) 可得到按等磨损设计的p d c 钻头冠部曲线方程： j i z ：，瓜两征砀+ c ( r 民) ( 1 9 ) ( 3 ) 等功率原则设计 等功率设计原则要求冠部表面每个切削齿的切削功率应相等，而切削功率正比于周 向切削力与周向运动速度的乘积，采用与上述相同的推导过程，可以得出按等功率设计 的p d c 钻头冠部曲线方程： 办= ，( 叫r ) 纠”一l 积+ c ( 尺 r ) ： ( 1 1 0 ) 式中玩一周向切削力与切削深度关系的实验指数，主要与岩石性质有关。 式( 1 - 1 0 ) 就是按等功率原则设计的理论冠部曲线方程的一般表达式，它在形式上与 按等磨损设计是一样的，只是实验指数怫与吃可能不相同。作为特殊情况，如果正压力 与周向切削力成正比，必有即，= ，此时( 1 - 9 ) 和( 卜1 0 ) 两式结果相同。 综合以上三种情况，可以得出理论冠部曲线方程的通式： 日= 厄再+ c ( r r ) ( 1 - l1 ) 通常，设计钻头时首先是根据目标地层选择和确定合适的钻头型号。在i a d c 钻头 分类编号规范中，冠部外锥高度与钻头直径的比值是p d c 钻头分类编号和选型的重要 参数之一，根据钻头型号，就可以确定冠部外锥高度与钻头直径之比的取值范围，进而 确定出冠部外锥高度。 p d c 钻头和金刚石钻头冠部剖面形状的设计参数，历来都是靠经验和类比同型钻头 来确定。这只是一些定性的认识和经验积累，还有待于定量化和上升为规律性认识，以 便使p d c 钻头的设计理论更加完善，使钻头设计过程适合于用计算机来完成。 这种方法优点是为p d c 钻头冠部轮廓设计提供了一种理论基础，可以按照等切削 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 等功率等磨损的原则进行钻头的冠部轮廓设计。缺点是没有考虑钻头冠部轮廓对不同地 层的适应性问题，利用公式推导出来的冠部轮廓未必能够对每一种地层都有好的效果。 未考虑到钻头在钻进过程中的冲击问题，可能导致冲击最严重的齿先期损坏。 2 切削齿布置设计研究 p d c 钻头布齿设计包括径向布齿设计和周向布齿设计。径向布齿设计即井底覆盖设 计，将所有的切削齿按照一定的方式沿井眼径向排列，形成对井底的覆盖。周向布齿设 计就是按一定的方式将切削齿分布在钻头冠部表面上。 ( 1 ) 径向布齿设计 目前己提出的径向布齿方法有等体积布齿、等功率布齿和等磨损布齿三种。 等体积布齿法 其中心思想是使钻头上的每个切削齿切削岩石的体积相等，即： 杉= 2 万以= c ( 1 一1 2 ) 等功率布齿原则 其核心是使钻头上每个齿的切削功率均等，即： 尸= 乃2 万小= c( 1 - 1 3 ) 式中，乃为切削力。 等磨损布齿原则 其要旨是使钻头上每个切削齿磨损速度相等，以达到均匀磨损的目的，即： 华：c ( 1 1 4 ) n l 由于等功率布齿和等磨损布齿都涉及到切削齿受力的计算，而切削齿受力又与切削 齿在钻头上的位置有关，设计十分复杂。因此，国内外各钻头厂家主要采用等切削体积 布齿原则。但是，按等体积原则布齿时，未考虑钻头不同部位切削齿受力和运动速度等 因素对切削齿磨损的影响，设计出来的钻头表现为不同部位切削齿磨损不均匀，钻头外 缘上齿磨损严重，而钻头中心部位的齿磨损很轻，使价格昂贵的p d c 切削齿得不到充 分有效的利用。 ( 2 ) 周向布齿设计 周向布齿方法与切削齿布置方式有关。目前采用的切削齿布置方式主要有两种：刀 翼式和散布式。刀翼式钻头的水槽深，流道面积大，容易清洗和排屑，不易“泥包”钻 5 第一章绪论 头。散布式布齿能充分利用钻头表面积，布齿密度高，但容易泥包钻头。因p d c 钻头 主要用于软到中硬地层，故目前国内外偏重于刀翼式布齿方式。 对散布式布齿，目前主要采用螺旋线布齿法。常用的布齿螺线分为等距螺线和不等 距螺线两种。对刀翼式布齿，目前的一般做法是先确定刀翼的数量、周向位置和结构， 然后结合径向布齿原则来确定各个切削齿在钻头上的周向位置和径向位置。相关设计模 型及设计方法尚未公开报道。 ( 3 ) 切削齿工作角设计【5 】 切削齿的工作角是指切削齿的后倾角口和侧转角。后倾角的大小直接影响齿的破 岩效率和寿命。较小的切削角有利于切削齿吃入岩石，破岩效率较高。较大的后倾角有 利于保护切削齿，工作寿命长。侧转角主要影响岩屑清除效果。 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 。2 0 。，e r h o o v e r & j n 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 。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 曲在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。 侧转角的主要作用是使切削齿对齿前岩屑产生一个外推力，防止“泥包钻头。其 经验取值范围为1 0 。1 5 。 1 2 3 p d c 钻头水力结构设计研究 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 【6 】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。 6 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【7 矗9 1 等也对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，以及数值模拟方法的不完善性，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。 1 2 4p d c 钻头切削结构与动力学研究 p d c 钻头的特点是它的结构变化多，设计灵活性大，对适用地层和使用条件敏感性 很强。因而，针对地层和使用条件进行设计是p d c 钻头的一项关键技术。这是一个综 合性的系统工程，包括钻头的冠部轮廓选择、结构设计、布齿设计、切削角度设计、钻 头水力设计、胎体配方的选择和超硬材料的优选等。实际上，不可能设想有适应各种地 层和各种钻井条件的万能钻头。其发展方向是建立一个钻井专家数据库和地质资料数据 库系统，编制一套计算机软件，输入所钻地层参数和钻井设计数据，由计算机输出推荐 的钻头优化设计方案。 1 p d c 钻头切削结构的研究 p d c 钻头的布齿方式从点式到螺旋水槽式，再到超深宽水槽刮刀式。布齿结构的变 化从标准片到大片，再到大小片混布；从单排齿到双排齿，或者前排复合片后排聚晶金 刚石或孕镶块切削齿。还有在后排增加球状减震托，有人称之为冲击抑制器等等，以及 所谓的抗夹层p d c 钻头等都在探索的过程之中。 设计结构更新的另一重要内容是针对不同的地层和钻头的不同工作状态以及钻头 的不同工作部位采用不同的切削元件，可以更好地发挥切削元件的性能和提高钻头的针 对性。 2 p d c 钻头的受力分析及动力学研究 一般情况下，p d c 钻头的运动由3 个基本运动组成，钻头绕自身轴线的旋转运动； 钻头向下钻进的平动；钻头在井底平面内的回旋运动。 1 9 8 9 年，j f b r e t t 等提出了涡动是p d c 钻头早期损坏的主要原因的观点，为p d c 钻头设计奠定了新的理论基础。 回旋主要指瞬时旋转中心为钻头保径。钻头发生回旋时，钻头设计的几何中心使钻 头的旋转中心不再成立。回旋运动改变了p d c 钻头切削齿的工作状态，切削齿有时正 7 第一章绪论 向运动、有时侧向运动、有时反向运动，每个p d c 钻头切削齿都承受着较大的冲击载 荷。 发生扭转振动时，钻头会发生卡滑现象，导致钻头转速时大时小，甚至静止不动， 或反向旋转。这样会使p d c 切削齿承受很大的冲击载荷，加速切削齿的磨损甚至引起 金刚石层脱落，尤其是钻头反向旋转更容易导致p d c 金刚石层的碎裂或脱落。 在钻进时，钻头转动会引起钻柱的纵向振动，当纵向振动的周期和钻柱本身固有的 振动相同时，就会出现“跳钻”现象，严重的跳钻常常造成钻头损坏、钻柱磨损加剧以 及疲劳破坏。 钻头侧向不平衡力是引起钻头涡动的主要原因。通过合理的布齿设计，可以有效地 控制钻头侧向力的大小。如果能准确地计算侧向力的大小和作用方向，可以通过设计低 摩擦保径块，以减小钻头与井壁的接触力，从而减轻钻头的涡振。 国内高德利等人对取心钻头的涡动进行了研究，提出取心钻头涡动的特点：( 1 ) 涡动 钻头瞬时切削是不均匀的。( 2 ) 钻头涡动是稳定的运动状态。稳定性体现在两个方面，一 是钻头沿井眼径向各个方向切削均匀，使岩心虽然变细但仍处于井眼中心，钻头磨损均 匀；二是涡动起来很难停止，不论涡动严重与否，一旦开始，就可以持续很久。 王福修，田京燕1 1 1 等人通过对钻头稳定性的技术研究，结合制造工艺及钻井现场实 际情况，开发的p d c 钻头新产品采用了多项稳定性技术措施，增强了钻头的稳定性， 提高了钻头的工作性能。 d a g l o w k a 、蔡镜仑和翟应虎通过切削岩石试验得出了切削齿受力模型，但模型 中都没有考虑岩石抗钻强度的影响。 邹德永1 2 1 对p d c 钻头不平衡力进行研究，给出p d c 钻头的侧向力平衡设计方法， 利用在车床上的切削试验，建立了p d c 切削齿的综合受力模型，认为后倾角为1 0 0 左右 时，p d c 切削齿受力最小。随着后倾角的增大，切削齿的正压力和切削力都呈增大的趋 势。对p d c 钻头优化设计和性能模拟具有很好的参考价值，但是没有考虑岩石在围压 下的情况。 在增加钻头的稳定性能方面主要的研究有以下几个方面：( 1 ) 低摩阻保径，低摩阻保 径是利用一个无切削作用，且摩擦力很小的保径块来平衡钻头上的不平衡力。( 2 ) 轨径布 齿是将全部或部分p d c 切削齿分布在钻头冠部表面不同的同心圆环上。这种径向布齿 方式使p d c 钻头在钻进过程中产生不平滑的井底，使相邻的同心圆环之间形成地层岩 石凸起环带。( 3 ) 力平衡设计，将钻头在钻进过程中，p d c 切削齿通常承受径向力、切 8 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 向力、轴向力和弯矩等作用力利用计算机进行计算，将不平衡力设计为最小。( 4 ) 螺旋状 刀翼p d c 钻头多采用螺旋状刀翼结构，分散了指向井壁的切削力，减小了钻头保径部 分与井壁之间的接触应力，因而减小了钻头发生回旋运动的几率。( 5 ) 保径环结构在3 6 0 。圆周上，钻头的保径齿部分形成一个整体圆环，防止最外排p d c 切削齿间歇地冲击 井壁地层。这种结构减小了扭矩波动和扭矩绝对值，较大程度地限制了钻头无控制地横 向运动，可钻出光滑的井眼，减小了钻头发生回旋振动与扭转振动的可能性。对于定向 钻井：具有该结构的p d c 钻头可导性强，方位易于控制。 1 2 5p d c 钻头设计技术的研究与发展 p d c 钻头设计技术的发展，可划分为初始设计( 1 9 7 0 s ) 、经验设计( 1 9 8 0 s ) 和科 学化设计( 1 9 9 0 s ) 三个阶段。 在初始设计阶段，p d c 钻头设计完全套用金刚石钻头的设计概念，设计与天然金刚 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原设计钻头 结构进行改进。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认识水平的提高和设计理 论及方法研究的深入和c a d c a e c a m 技术的不断应用，钻头设计进入了科学化设计 阶段。钻头的设计水平上台阶，开发钻头专用设计软件和分析软件，实现真正意义上的 计算机辅助设计和计算机优化设计，从根本上改变过去传统的两维设计，采用现代化的 三维立体设计方法进行产品设计。 进一步发展钻头的实体仿真和工作状态仿真技术。对现有钻头或虚拟钻头进行力学 分析和工作状态分析，进行使用效果预测和提供数据，进行改进和优化设计。避免由于 设计上的差距造成实物损失和时间浪费，极大地减少现场试验的费用、时间和风险。 美国s a n d i a 国家实验室r f a s l l i l l o r e 等人早在1 9 7 8 年就研制了一个名为 “s t r a t a p a x c o m p u t e rp r o g 瑚n ”的p d c 钻头设计软件。1 9 8 2 年，e a a r o n s o n 等 人又对该软件进行了升级。据调查，目前国外比较大的钻头公司，如h u 曲e s c m s t e n s e n 、 h y c a l o g 、d b s 、s m i t h 、r e e d 等，都己采用计算机设计与自动绘图技术对p d c 钻头进 行优化设计。大大提高了p d c 钻头的设计水平和质量。 9 第一常绪论 国内李树盛3 1 等人对p d c 钻头优化设计及自动绘图技术进行初步研究，以 w i n d o w s3l 为开发平台，丌发出p d c 钻头c a d 设计。i 绘图软件，基本实现了p d c 钻头设计和绘图过程的电算化。 综上所述，国内外在p d c 钻头优化设计理沧与方法疗面做了很多的研究j 一作，并 取得了一定的进展。这些研究成果对p d c 钻头的发展起到了积极的推动作用，钻头设 计由原始的套用传统金刚石钻头设计模式逐步向建立自己的设计体系发展，人大提高了 p d c 钻头的设计水平，使钻头性能和质量有了明显的改善。 1 3 定向用p d c 钻头的设计发展与应用状况 由于p d c 钻头主要以剪切破坏的方式破碎岩石，凶此使得在钻井过程中，：生的扭 矩较高，这对直井的钻进影响较小，然而对r 定向钻井来说，就会导致存定向井钻进中 t 具面不稳定，要不断的调整工具面，大大耽误了 钻井的速度，增加了钻井成本。凼此同内外对适用 于定向钻井的p d c 钻头展丌了相关的研究但是目 前主要采用试验与试j ；| 的方式进 r 研究，理沧研究 还比较少。t s r o b e d “l 论述了一种新系列的聚品 盒刚石复合片p d c 钻头( 如图1 一l 所示) 的丌发。 一 这种新型的p d c 钻头具有牙轮钻头的稳定扭矩灵 敏度，却保持着p d c 钻头可实现的机械钻速高与使 图1 - l 带有3 砷。保径的p d c 钻头 用寿命长等特性。这类设计”个特征脯一个 n 9 1 4 = 竺兰怒“h 3 种。 3 6 0 。的全径接触保径豳，防止外排切削齿侵入规 径处的地层。这种对侧向运动的限制减少了钻头的回旋，进而提高了切削结构的使用寿 命。钻头钻井平滑，扭矩波动率就较低产生的井眼也就更平滑，使钻压传递更具可预 测性。这些优势使得滑动时机械钻速更高，因此用在钻头定向上的时间更少。 该钻头的的设计特点是：( 1 ) 带整体3 6 0 。接触保径圈的一体式p d c 钻头降低扭矩 的切削结构。( 2 ) p d c 切削齿一般阻低后倾角布置，钻头外侧采用高后倾角设计。( 3 ) 缩 短外形柬提高定向灵敏度。外锥较短的钻头更适合于定向钻井。实验室试验显示出全接 触保径圈设计产生的井眼很平稳( 如图l 之所示) 。在现场中消除井眼中的波及台阶将 会促进钻压顺利地传递到钻头。现场试验已经顺利完成。与常规钻头相比，无论是可转 向性还是机械钻速都得到了提高。现场钝钻头情况显示切削结构均匀磨损但没有冲击损 中冈“油人学( 毕东) 碳i 。学位论文 伤迹象，说明钻头振动与回旋现象已经消除。 在0m e n 蛆w i l m o 】论述了保径块的设计，保径 长度，几何形状以及侧向切削在p d c 钻头的稳定 性、可导向性以及井眼质晕的关系，对于旋转导 向钻井系统如粜驱动方式不同，尽管其他方面都 样，但是要求的钻头侧向切削力也是不 围1 2 新型钻头与普通钻头所钻井眼对比 同的。田此为了保证导向功能i 叮靠有效需 8 9 1 。27 “伽呻。“t w ob 0 。“o 。”t h d 憾m n t p d cb n 要对不司的导向工具要设计和使用不 司的 专用钻头。 p p 吲u s e 6 1 通过实验研究了p d c 钻头在侧向力的作用下钻进时，不同钻头保径长 度与造斜率的关系( 如图1 - 3 所示) 分别选用了保径长度为1 英寸、25 英寸和6 英、j ，的 p d c 钻头做实验结果得出以下结硷； ：。 钻头的保径长度与钻头的侧向切削能力有非： ， ： 。 常密切的关系，保径越短，侧向切削能力越强， i p - 反之，则越弱。短的切削能力强的保径会造成 了 l ，趸0 过度切削，因此要选择适当长度和切削能力的图1 0 带有不同保径长度的p d c 钻头 保径与b h a 配合。 9 9 1 。8 。“50 f 即。? + 扭”n ho 疵m 叭 9 4 u # p i m a 1 一h a u i 介绍了种特快钻井的钻头，这种 命名为“a u g e r ”，四刮刀p d c 钻头分别在扶岩与页岩上进行试验，同时与其它钻头进 行比较。体现出了速度快、所需钻压低、以及扭矩低，钻进时甲稳的优点。同时对不同 保径长度、保径齿的锋利程度对井筒质晕的影响进行了实验( 如图1 _ 4 ) 所示。得出结沦为： ( 1 ) 保径长度越短，钻头侧向震动就越大，对井筒质量造成不良的影响。( 2 ) 保径齿过 于锋利，井筒质量变差。实验对比图( 如图( 1 5 ) 所示。 第一章绪论 灏中铃畿化，侏静k 艘盼x 窳 01 0 2 0 0 05 纾摊棚鲫 重 逋蹦穗 图l - 4 不同保径长度与井径的变化关系图 f i 9 1 - 4 t h ea l t e r n a t i o no fb o r eb o l er a d i u s w i t hd i f f b r e n tl e n g t hg a g e 瓣 缸二 鼍 图1 5 不同角度布齿钻压与钻速对比图 f i 9 1 5 t h ec o m p a r i s o no fp e n e t r a t e r a t eo fp d cb i tw i t hd i f 茧e r e n ta n g l eo f r a k e 国内石油大学钻头研究室在“七五期间承担了“定向井金刚石钻头的研制 任务， 设计的钻头采用浅内锥，6 刀翼布齿设计以及较短的保径长度设计，有利于p d c 钻头的 定向钻进【1 7 j 。 四j i i 石油管理局钻井工艺研究院定向井公司在研制了一种定向用p d c 钻头【1 8 】，采 用短抛物线冠部，设计了磨损节，以限制切削深度，减少扭矩波功，螺旋和不对称刀翼 设计，以增加钻头的稳定性。 综合以上分析，国内外对定向井p d c 钻头已经开始研究，并设计制造了一些定向 井p d c 钻头，并进行了现场试验取得了一定的成果，但是在定向井p d c 钻头设计中还 没有比较成熟的设计理论，尤其是对p d c 钻头在定向钻进中的受力状况还没有更深入 的研究，现在的定向井p d c 钻头的设计主要是通过实验室实验以及现场试用的方法进 行设计。对于现场试验还有很多不足因此需要对p d c 钻头在定向钻进中的问题进行进 一步的现场试验，优选出p d c 钻头定向井钻井参数。 1 4 影响p d c 钻头在定向井中性能的原因分析 1 4 1 钻进方式不同影响p d c 钻头在定向井中的性能 同一种p d c 钻头在定向井中的性能表现不如在其他条件都相同的直井中的表现， 是由于定向井本身的特点决定的。传统的定向井导向系统包括一个起稳定作用的马达及 一个紧靠钻头的弯管接头。弯接头所提供的倾斜和钻头偏移，限定了马达系统的几何设 计形状及最b u r ( 造斜率) 。如果该马达能用于滑动和旋转方式，则系统是可旋转的。在 滑动方式中，钻头只能由马达带动旋转，由于钻柱不旋转，工具面由弯接头的定位而确 定，工具面应保持理想的，恒定的允许偏斜轨迹。并沿理想的方向钻井。在转盘钻井方 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 式中，整个钻柱是旋转的，允许钻出直井眼，由于倾斜和水平位移增加，钻柱上磨擦阻 力变大，尤其是在滑动方式中，传输到钻头的钻压最终变得无效，滑动比旋转困难得多， 因为这两种操作的功力大小，方向和静摩擦力是不同的。旋转方式的典型钻进过程中， 大多数钻具运动呈切线方式的，其结果是，大多数的摩擦阻力提供所需的扭矩，用以旋 转钻柱，与先前钻井所需的轴向力相反，由于滑动运动中没有旋转，所有的摩擦力与钻 柱轴向力方向相反。由于轴向“卡钻一滑动”，导致不同的钻压传递给钻头，在此期 间，成千磅的钻压突然施加给钻头，根据钻头的侵入性，突然增加的载荷可能引起钻头 扭矩的剧烈增加。钻压的大幅改变对牙轮钻头而言，只能增加较小的扭矩，另一方面， 对p d c 钻头来说，钻压的相同变量可能产生两倍多的扭矩，这使得工具面控制非常困 难并使马达停止。不规则、凸缘井眼中钻柱组合的机械粘钻形成了摩擦效应，由于钻头 振动，钻井液和地层之间的相互作用导致有些井眼不规则，但是在滑动和旋转方式中， 多数是导向钻具组合特点造成的。导向钻具组合必须变形，方能匹配所要求的规径井眼 中，通过调整造斜接头( a k o ) 位置和部件几何形状，确定在钻头和扶正器上产生的侧向 力多种尺寸的钻具组合侧向载荷见表1 1 。 表1 1 典型的导向钻具组合的侧向载荷 t a b i e l - 1t h ei a t e r a li o a d i n go fd i f f e r e n tm a k eu po fs t r i n g 6z i n 井眼9 彳i n 井眼1 2 彳i n 井眼1 7 么i n 井眼 弯结头 4 彳i n 井眼 6z i n 井眼9 么i n 井眼1 1 彳i n 井眼 o 5 03 4 6 n1 8 3 6 n2 2 5 5n1 9 9 ln 1 0 01 1 8 5n4 7 5 4 n 8 5 1 2n8 7 7 9 n 1 5 01 9 6 4 n7 3 3 5n1 3 6 8 0 n1 5 5 6 8n 一旦循环开始，钻头开始旋转，侧向载荷是典型的“试钻 ，如果钻具组合在滑动 方式下运动，在此同时，井眼轨迹开始平滑偏斜。然而，若侧向切削侵蚀过大，凸缘则 产生，由于轴承箱稳定器接触凸缘，改变了钻具组合的中心线，改变了钻头上的侧向载 荷，并产生另外的凸缘，当井底马达顶部的扶正器接触凸缘时，在小范围内会产生同样 的趋势，井眼的不规则往往是由于在滑动方式中扩散造成的。 当钻柱旋转开始，钻头上的侧向力由于井眼加大而减少，随着钻具组合在前进移动， 这一情况持续到低部位稳定器到达大井眼位置为止，在大井眼位置，扶正器有间隙，所 以它横向运动，减轻了钻头上的侧向载荷，在扶正器碰到规径的井眼之前，所以井眼一 13 第一帝绪论 直向舰径尺寸靠近。山于问隙减少，钻头上的侧向载荷增加，井眼再次被扩大，这个过 程是自我维护的，产生砂漏杯式井眼，井能观察到波纹式和螺旋状井限模型，如图1 6 所示。 惑鹃悫 图l 与带有弯接头钻井的井眼形状 f i g i 6t h eb o 仲h o l es h a p ed 圳e d w j f hb e d i n gs u b 142p d c 钻头的振动影响其在定向井中的应用 钻头的振动形式主要有回旋振动、扭转振动及轴向振动，其q j 回旋振动和扭转振动 对于p d c 钻头在定向井中的影响最大。振动会造成钻头的稳定性能较蔫，稳定性能小 好的钻头会对井壁造威严重的破坏，从而导致井径变化大，井壁质量差。在这种环境下， 会导致钻头j 一的扭矩变化巨大，在滑动钻进时，使得t 具面控制变得异常凼难。因此必 须要加强钻头的稳定性，减小钻头的振动。 1 回旋振动 回旋主要指钻头的瞬时旋转中心为钻头保径。钻头发生回旋时，钻头设计的几何中 心使钻头的旋转中心不再成立( 如图1 7 所示) ，冈而钻头的几何结构、p d c 切削齿的布 置变得不合理。回旋运动改变了p d c 钻头切削齿的工作状杏，切削齿有时正向运动、 有时侧向运动、有时反向运动，每个p d c 钻头切削齿都承受着较大的冲击载荷。p d c 钻头旋生正向回旋时，由于钻头瞬时旋转中心距原井眼中心较近，多数p d c 切削齿的 运动状态与受力状态属于正常，危害较小。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图1 7p d c 切削齿的运动学分析 f i 9 1 7 t h ep d cb i tc o g g i n gl 【i n o i o g ya n a l y s i s 在图1 7 中，d 一井眼中心；q 一钻头中心；q 钻头瞬时旋转中心，p d c 钻头 切削齿的瞬时速度为v = 彩，2 + r 2 2 旭c o s 秒，式中v 为p d c 切削齿运动线速度；国为 钻头运动角速度；，为p d c 切削齿与钻头中心轴线之间的距离；r 为钻头半径；汐为 。? p d c 切削齿所在的钻头半径线与o d ，线之间的夹角。 从上式看出，p d c 钻头切削齿的运动速度和方向无时不在变化，尤其是每时每刻总 有部分p d c 切削齿的切向运动速度与设计要求的方向相反，这叫瞬时局部反向旋转现 象，对p d c 切削齿的破坏特别严重。通过对瞬时局部反向旋转现象作进一步分析研究。