PDC钻头设计课件解读

1、CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. PDC钻头设计理念介绍 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?理解钻头剖面结构 ?剖面结构对

2、钻头性能的影响 ?后倒角特点 ?力平衡设计 ?切削结构特点 ?新的设计软件的应用 - IDEAS 内容 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 钻头剖面 ?钻头剖面直接影响到以下性能: 钻头稳定性 钻头导向性 布齿密度 钻头寿命 ROP 清洗和冷却效果 ?注：钻头的剖面设计必须与钻井环境需要相匹配 CONFIDENTIAL: For Internal Use Onl

3、y. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 钻头剖面结构组成 ?钻头剖面包括: 顶点 锥形面 鼻部 肩部 外径弧面 保径部分 顶点 锥形面 鼻部 保径部分 外径弧面 肩部 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc

4、. 锥面角 ?顶点 钻头的几何中心点 ?锥面 通常用角度来表示特点： 深锥面 (90) 浅锥面 (150) CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 深锥面特点 ?优点： 较高的稳定性 中心区域的金刚石覆盖率大 ?不足之处： 导向性不好； 清洗效果不好； 攻击能力低。 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be di

5、sclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 浅锥面特点： ?优点： 导向性强； 清洗效果好； 攻击性强。 ?不足之处： 稳定性差； 金刚石覆盖率低。 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 鼻部位置定义 ?鼻部定义 L R CONFIDEN

6、TIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 鼻部曲面特点 ?大曲面 (R)：通过大的表面面积来达到很好的抗冲击能力，适合在硬且夹层多的地层中使用。 ?小或称尖曲面 (r)：可在切削片上形成较高的点式冲击，适合于软且均质性好的地层。得到较高的ROP. R r CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used o

7、r reproduced without written permission from Smith International, Inc. 鼻部与中心距离的关系 ?鼻部与中心距离小可提供给肩部更大的表面面积和布齿密度， 适合软但是研磨性强的地层 ?鼻部与保径部位距离近可给钻头冠部提供更大冠面面积 从而得到更好的冲击能力， ? 适合比较硬的地层 L L CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith Intern

8、ational, Inc. 肩部，外径曲面和保径 ?肩部 从鼻部外缘线到过渡面的曲面部分。 ?外径曲面 “外径曲面” 保持肩部和保径部分之间光滑的曲面。 ?保径 有助于钻头稳定和保持井眼尺寸。 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 钻头冠面的类型 ?4 种常规类型： 平抛面 短抛面 中抛面 长抛面 ?平抛面常用在较硬且研磨性弱的地层；而长抛面常用在较软而且研磨性很

9、强的地层。 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 平抛面 应用： ?硬，非研磨性地层 ?(Ej.: L石灰岩，白云岩) ? 强力定向作业 钻头冠面的类型 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission f

10、rom Smith International, Inc. 应用： ? 硬且中等研磨性地层 (Ej.: Calcareous sandstone, limestone, cherts) ? 典型的定向作业 短抛面 钻头冠面的类型 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 应用: ?中硬到硬且研磨性强的地层 (i.e.: Sandstone, limestone, ha

11、rd shales) ? 转盘或是马达钻井作业 中抛面 钻头冠面的类型 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 应用： ? 软且研磨性地层 (i.e.: 硅质 shales, silicious clays) ? 适合转盘钻进 长抛面 钻头冠面的类型 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed,

12、 used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 钻头冠面的类型 短抛面 中抛面 平抛面 长抛面 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 后倒角 ?这个角度的大小决定了PDC切削片攻击地层的能力。 ?大后倒角可以提高抗冲击能力和研磨能力。 ?小后倒角可以提高机械

13、钻速。 ?整个钻头上使用的后倒率是不一样的， ?这样可以得到不同的目的， ?比如ROP 和寿命。 B.R B.R CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 10 30 后倒角 ?攻击性较强，适合于软地层，可取得很高的机械钻速。 ?攻击性较弱，适合于较硬地层，机械钻速低。 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be d

14、isclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 典型使用的后倒角 ? 后倒角 5 to 10 15 20 30 ?地层硬度特性 非常软的粘土和泥岩。 高 ROP 适合所有地层。 最好的应用是在软地层中shale) 适合所有地层 切削片寿命长 最好是用在研磨性的砂岩地层 比较硬的地层 典型的应用在保径部位 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced withou

15、t written permission from Smith International, Inc. 6 blades / 16mm cutters 12.25” M616VPX, ER20091 Back Rake 30 15 20 25 后倒角的布置 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?钻头冠面特点 ?切削结构 多套切削特点 单套切削结构 - New I

16、DEAS2 ?力平衡 ?刀翼分布 ?刀翼和保径几何形状 ?Lo-Vibe (可选)特性 ?特殊切削结构 (e.g.: ARCS) 稳定性特性影响因素介绍 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?震动可能是由于钻头的特征产生的。 ?有些特征是可见的，而有些是不可见的。 ?可见的特征包括：刀翼形状和布置，保径形状，低磨阻块等； ?不可见特征包括：力平衡，复合片性能和结

17、构等。 加强稳定性特征 切削结构 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 定义: 通过独特的设计，来布置PDC 复合片从而达到预期的性能和寿命。 目标: 通过独特的井底覆盖模式来满足不同的需求（硬度，研磨性，潜在的震动等） ，达到用户满意。 切削结构 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed,

18、 used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?钻头的性能和钻井效率直接受切削齿的布置类型影响。 ?多种布齿特点可能达到理想的性能和寿命的目的。 重点 切削结构 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 主要有两种 类型: ? 单一模式 每一条曲面轨迹只对应一

19、颗PDC齿 ? 多元模式 每一条曲面轨迹对应着一颗以上的PDC齿 切削结构的类型 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?最早期的和最常用的切削齿布置模式。 ?切削齿沿着剖面分布，已达到完全的覆盖井底。 ?这种布置结构就是单一 ?模式，是每一颗齿都单一模式 1 1 1 1 1 1 1 1 切削结构 CONFIDENTIAL: For Internal Use On

20、ly. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. Single Set (No Redundancy) 6 bladed bit C L r1 1 2 3 4 5 6 . 切削结构 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International,

21、Inc. 顺时针旋转 逆时针旋转 单一模式布置类型 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 顺时针旋转 逆时针旋转 单一模式布置类型 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith I

22、nternational, Inc. 顺时针旋转 逆时针旋转. 单一模式布置类型 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?顺时针旋转 比逆时针旋转类型稳定性要差，很难达到要求的稳定性。 攻击性相对较强。 ?逆时针旋转 非常好的稳定性。 攻击性比顺时针旋转设计要弱。 单一模式布置类型 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May

23、not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 稳定性 脊高 Rh1 Rh2 Rh1 Rh2 = Rh1 更稳定 切削结构 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?钻头的性能（稳定性）和钻井效率（ROP）都直接的受切削齿布置

24、得影响。 ?在实际使用中，切削齿的不同的布置方式可能起到钻头性能和寿命的最佳效果。 多元化切削齿的布置 切削结构 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?所谓多元是指多套的切削齿结构； ?其中每一套都包含了一系列的切削齿 ?在每一套中的切削齿都有其各自的运动轨迹 Plural Set Single Set 2 2 2 3 3 5 7 10 1 1 1 1 1 1

25、1 1 1 3 5 7 2 4 6 8 C L Gauge 1 1 1 1 9 10 切削结构 多元化切削齿的布置 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?多元化的布置会形成比单一模式的更明显的脊结构 Plural Set Cn = 2 Single Set Cn = 1 2 4 6 8 1 3 5 7 2 4 6 8 切削结构 多元化切削齿的布置 CONFIDE

26、NTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 力平衡 ? 不可见的减小震动的特征 ?在各种特定的使用参数下，电脑模拟PDC齿和岩石的接触特征。 ? 该程序可计算力、扭矩、钻时和PDC齿磨损情况。 ? 这种程序可概括欠平衡力的大小、方向和相互关系。 切削结构 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used o

27、r reproduced without written permission from Smith International, Inc. 切削齿的位置由以下因素来确定： ? 径向位置 ? 剖面角度 ? 刀翼圆周角 ? 后倒角 ? 侧倒角 ? 切削齿外露高度 切削结构 力平衡 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 切削齿的分布和定位 ?径向位置 指钻头中心到复合

28、片面中心点的距离 。 ?倾角 指复合片沿着钻头剖面方向与钻头轴线垂直向的夹角。 R.PI.A力平衡 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?角位置 如图所示，钻头的 0基准线和通过复合片面中心线的角度 ?侧倒角 指复合片面部延长线和通过钻头中心线的夹角。 A.P?Ref.S.R0?力平衡 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. M

29、ay not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?纵向位置 从基准水平线到复合片面中心线间的垂直距离。 0 REF.L.P所有的上述数据输入电脑程序，将有助于利用先进的软件来模拟每一颗切削齿与地层的切削模式和受力分析。 力平衡 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Sm

30、ith International, Inc. 基本的复合片参数 力平衡 切削齿序号 径向位置 圆周角 齿高 剖面角度 后倒角 侧倒角 复合片尺寸 复合片尺寸 刀翼号 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 复合片受力图 Fv = Vertical Force (WOB) Fc = Circumferential Force (RPM) Fr = Radial Fo

31、rce Fn = Normal Force (Resultant) Fc Fn Fv Fr . 力平衡 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?切削的形状 ?切削地层形成的形状对钻头的稳定性有影响。 ?对称切削 (理想状态) 没有偏离的作用力产生 (径向力). ?非对称的切削形状会产生使钻头产生偏心运动偏离作用力 Total Radial Force = 0 Fn

32、1 Fn2 Fc2 Fc1 Fr1 Fv1 Fn Fv2 Fr2 力平衡 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?非对称的切削形状 ?实际切削状态是非对称的切削形状。 ?结果就是，偏心作用力迫使钻头横向运动。 Fn2 Fc2 Fv2 Fr2 Fn1 Fc1 Fr1 Fv1 Fn Total Radial Force 0 力平衡 CONFIDENTIAL: For

33、Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?欠平衡力 ?随着钻头的工作，钻压作用在切削齿上，总扭矩也就通过所有转动力（FC)产生了。 Fc Fc Fr Fr Fc Fc Fr Fr r WOB WOB X X 力平衡 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written

34、permission from Smith International, Inc. CIF2 ?所有的径向力和转动力累加起来就决定了欠平衡力的大小和方向。 ?两个欠平衡力的合力就是总的欠平衡力。 RIF TIF2 TIF CIF 力平衡 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?直刀翼和螺旋刀翼 ?刀翼的形状和布置对减少钻头震动，有一定的影响。 螺旋刀翼 ai ai

35、+1 直刀翼 刀翼形状 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?直刀翼和螺旋刀翼 ?对于直刀翼来说，切削齿的径向力完全累加到了保径上。 ?而螺旋刀翼，仅是部分的径向力作用在了保径上，是比直刀翼的影响小的。 Fr 1 Fr 2 Fr 3 Fr 4 Fr 5 Fr 6 Fr 1 Fr 2 Fr 3 Fr 4 Fr 5 Fr 6 S Fri S Fri cos ai S

36、 Fri S Fri cos ai 刀翼形状 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?直刀翼和螺旋刀翼(cont.) ?较低的保径应力减小了钻头随保径本身转动的几率。 ?同时，因为转动而产生的震动破坏了也降低到了最小化。 刀翼形状 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or

37、reproduced without written permission from Smith International, Inc. 螺旋刀翼 ?减小保径所受应力，最小化震动发生，提高稳定性。 ?是保证力平衡的主要结构。 刀翼形状 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?对称 与 非对称 ?对称刀翼是指在相邻的两个刀翼之间的角度是相等的。 ?由于是对称的，产生的震动是重复的且不断扩大 R s 刀翼布置 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smit