CN104818947A - Pdc钻头的布置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种PDC钻头的布置方法，它包括以下步骤：获取每个切削齿的切削齿厚度；进行切削测试，并得到每个切削齿的磨损程度；基于每个切削齿的磨损程度得到每个切削齿的调整系数；基于每个切削齿的调整系数和切削齿厚度得到每个切削齿的切削齿修正厚度，基于每个切削齿的切削齿修正厚度对PDC钻头进行布置。本发明采用以上方法，对PDC各刀翼上的切削齿在磨损过程中的磨损量进行分析，通过统计分析的方法找出磨损量最大的切削齿，进行强化加固，从而达到强化钻头薄弱点，延长钻头寿命的目的。

Description

PDC钻头的布置方法
技术领域
本发明涉及石油开采领域，尤其涉及了一种PDC钻头的布置方法。
背景技术
随着油气田勘探开发工作的不断深入，所钻遇的地层构造越来越复杂，钻井难度越来越大，为了提高钻井综合成本，对钻头的质量提出了更高的要求。自PDC钻头上世纪八十年代问世以来，因具有平均机械钻速高、进尺多、寿命长等特点，已逐渐成为石油、天然气工业广泛推广应用的一种高效破岩工具，随着人们对新一代PDC钻头认识的不断深入，它的生产技术也不断提高，使用量逐年增加。
PDC(Polycrystalline diamond compact)是一种将人造聚晶金刚石与碳化钨基座高温高压下焊接在一起的切削元件，以此为主要切削元件的PDC钻头自问世以来，设计技术与加工工艺不断进步，现在国外大公司已经形成从钻头设计到基体的数控加工程序全部由计算机完成。而国内至今无此能力，国内的钻头制造技术基本还停留在起步阶段，靠的是作坊式的手工制作，无法适应现代生产的需要。随着国内PDC产业的发展，先进的设计、制造技术及完善的质量保证体系将是在市场竞争中取胜的关键因素。
上世纪七十年代初，美国正式发明成功PDC钻头，此后该钻头在世界范围内得到了非常普遍的应用。后来，国内许多科研院校、石油企业厂矿、石油工具厂先后投入了大量的人力物力，进行PDC钻头的设计、研究、试验、开发，从上世纪八十年代中期开始，有多个厂家的不同PDC钻头产品在国内各大油田得到试验和应用。
图1中示出了一种现有技术中的PDC钻头。该PDC钻头包括六个刀翼，每个刀翼上包括十一个切削齿。
对于PDC钻头，鉴于各企业对这一技术的自我保护和封锁，可供借鉴的资料、数据比较缺乏，就其总体设计而言，主要涉及如下四个方面：即：钻头切削齿的布置方法；钻头冠部剖面的设计方法；钻头水力设计；钻头稳定性设计。
目前切削齿的布置方法的主要思路是应能够覆盖全部井底的原则：即井底每一点都能受到钻头切削齿的切削，并且在钻头旋转一周的过程中，每一个切削齿都起到切削地层岩石的作用，这样可以提高所有切削齿的切削效率。
目前主要的设计方法包括：等体积破岩法、切削齿等磨损法、等功率法等。从实际钻井过程中发现钻头设计存在的问题是，各切削赤磨损程度相差较大，部分切削齿磨损严重，钻头被迫提前起钻，从而影响钻头的寿命。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供了一种PDC钻头的布置方法，其可以使各个切削齿磨损程度相同，从而达到延长PDC钻头寿命的目的。
本发明的具体技术方案是：
一种PDC钻头的布置方法，其特征在于，它包括以下步骤：
获取每个切削齿的切削齿厚度；
进行切削测试，并得到每个切削齿的磨损程度；
基于每个切削齿的磨损程度得到每个切削齿的调整系数；
基于每个切削齿的调整系数和切削齿厚度得到每个切削齿的切削齿修正厚度，
基于每个切削齿的切削齿修正厚度对PDC钻头进行布置。
优选地，它还包括，测量得到每个切削齿的切削齿厚度。
优选地，它还包括，通过钻头测量规得到每个切削齿的切削齿厚度。
优选地，它还包括，通过分别测量切削测试前后的切削齿高度得到磨损程度。
优选地，它还包括，通过钻头测量规得到切削齿的高度。
优选地，它还包括选取磨损程度较高的切削齿进行调整，以使得该切削齿的磨损程度与其他切削齿相近。
优选地，所述PDC钻头包括多个刀翼，每个刀翼具有多个相对应的切削齿，其中，
获取各个相对应的切削齿的平均切削齿厚度；
进行切削测试，并得到各个相对应的切削齿的平均磨损程度；
基于各个相对应切削齿的磨损程度得到各个相对应切削齿的平均调整系数；
基于各个相对应切削齿的平均调整系数和平均切削齿厚度得到各个相对应切削齿的切削齿平均修正厚度。
优选地，在基于每个切削齿的磨损程度得到每个切削齿的调整系数步骤中，它还包括：选择其中一个切削齿的磨损程度作为基准，计算每个切削齿的调整系数。
优选地，获取基准切削齿的距离钻头中心的距离R基、调整切削齿的距离钻头中心的距离R调、以及切削齿半径，并得到调整切削齿的调整系数。
本发明采用以上方法，对PDC各刀翼上的切削齿在磨损过程中的磨损量进行分析，通过统计分析的方法找出磨损量最大的切削齿，进行强化加固，从而达到强化钻头薄弱点，延长钻头寿命的目的。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
图1显示了现有技术中的PDC钻头的结构示意图。
图2显示了未采用本发明的钻头起出后各个切削齿的磨损程度。
图3显示了采用本发明布置方法的钻头的各个切削齿的磨损程度。
图4显示了本发明PDC钻头的布置方法的流程图。
以上附图的附图标记：100、钻头；1、刀翼；2、切削齿。
具体实施方式
结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
参照图4所示，本发明公开了一种PDC钻头100的布置方法，它包括以下步骤：
获取每个切削齿2的切削齿厚度；
进行切削测试，并得到每个切削齿2的磨损程度；
基于每个切削齿2的磨损程度得到每个切削齿2的调整系数；
基于每个切削齿2的调整系数和切削齿厚度得到每个切削齿2的切削齿修正厚度；
基于每个切削齿2的切削齿修正厚度对PDC钻头进行布置。
具体的，如图1中的PDC钻头100，该PDC钻头100具有六个刀翼1，每个刀翼1具有十一个切削齿2，将每个刀翼1的切削齿2自外向内依次编号为1至11，在本发明中，编号相同的切削齿2相对应。
在切削测试前，可以通过钻头测量规得到每个切削齿的切削齿厚度和切削齿高度，如下表1。
进行切削测试，在切削测试过程中，采用PDC钻头进行试钻。
在切削测试后，通过钻头测量规得到每个切削齿此时的切削齿高度，从而得到每个切削齿的磨损程度，其中：磨损程度＝1-切削测试后切削齿高度/切削测试前切削齿高度。
选择各个切削齿中磨损程度处于较为中间的切削齿作为基准，如采用3号切削齿作为基准。
获取磨损程度高于基准切削齿的切削齿作为调整切削齿，例如切削齿4、5、6、7号。
获取基准切削齿的距离钻头中心的距离R基，切削齿的半径为r，以及调整切削齿的距离钻头中心的距离R调。
计算得到切削齿的调整系数。
切削齿的磨损程度的公式如下：
K＝AS/V其中，K为切削齿磨损的程度，A为材料磨损系数，每种材料是常数；S为几何形状系数，每种切削齿是常数；V为切削齿的切削体积。
K调＝K基/C，其中C为调整系数。
计算得到：
C调＝V调/V基
其中，切削齿切削的体积为：
综合上式得到：
通过测量得知PCD钻头100的各个相对应切削齿2的平均切削齿厚度。在进行切削测试之后，得到每个相对应切削齿2的平均磨损程度。基于每个切削齿2的平均磨损程度得到每个相对应切削齿2的平均调整系数。基于每个相对应切削齿2的平均调整系数和平均切削齿厚度得到每个相对应切削齿2的平均切削齿修正厚度。
表1为钻头100参数改善前后见下表(以下数据是六个刀翼1的平均值)。如下表1所示，在切削测试之前，测量得到每个切削齿2的切削齿厚度为13mm。经过切削测试之后，得到编号为4-6的切削齿2的磨损程度较为严重，分别为17.7％、29.5％和21.2％。根据磨损程度，以3号切削齿为基准计算得到编号为4-6切削齿2的调整系数分别为10％、20％和10％，以使得这三个切削齿2的磨损程度相近。
表1
实践表明，3000m井深，地层可钻性级值5-6，钻压60KN。第一种按照原来设计的钻头100钻进，该钻头100的机械钻速4.5m/h，钻井时间80h。参照图2所示，其中横坐标为切削齿2的编号，纵坐标为切削齿2的磨损程度。从图中可以得知，编号4-6的切削齿2的磨损程度较高。
第二种采用本发明布置方法的PDC钻头100，即对编号4-6的切削齿2进行了相应加强，该钻头100的机械钻速4.6m/h。参照图3所示，其中横坐标为切削齿2的编号，纵坐标为切削齿2的磨损程度。从图中可以得知，各个切削齿2的磨损程度较为平均，该PDC钻头100的钻井时间144h，寿命延长80％。
基于上述方法，计算得到4-6齿的调整系数分别为0.1、0.2和0.1。通过下表2可以得知，4-6号切削齿在不同调整系数情况下的磨损程度。从表2中可以看出，做功最多的4#、5#、6#切削齿调整后，其磨损程度明显下降，基本上与其他切削齿磨损程度相当。
表2
表3示出了切削齿调整后与三个邻井的数据对比，从表3可以得知，经过调整后的各个切削齿达到了均衡各齿之间的磨损，延长钻头寿命的目的。
井段 钻速(m/h) 钻压(KN) 4#磨损程度 5#磨损程度 6#磨损程度
邻井1 3200-3500 7.34 70 17.2％ 29.1％ 16.8％
邻井2 3200-3500 6.75 70 18.2％ 32.6％ 17.2％
邻井3 3200-3500 7.03 80 16.3％ 26.8％ 18.5％
平均 3200-3500 7.04 73.3 17.2％ 29.5％ 17.5％
试验井 3200-3500 7.43 80 13.2％ 14.9％ 12.9％
表3
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种PDC钻头的布置方法，其特征在于，它包括以下步骤：
获取每个切削齿的切削齿厚度；
进行切削测试，并得到每个切削齿的磨损程度；
基于每个切削齿的磨损程度得到每个切削齿的调整系数；
基于每个切削齿的调整系数和切削齿厚度得到每个切削齿的切削齿修正厚度；
基于每个切削齿的切削齿修正厚度对PDC钻头进行布置。
2.根据权利要求1所述的PDC钻头的布置方法，其特征在于，它还包括，测量得到每个切削齿的切削齿厚度。
3.根据权利要求2所述的PDC钻头的布置方法，其特征在于，它还包括，通过钻头测量规得到每个切削齿的切削齿厚度。
4.根据权利要求1所述的PDC钻头的布置方法，其特征在于，它还包括，通过分别测量切削测试前后的切削齿高度得到磨损程度。
5.根据权利要求4所述的PDC钻头的布置方法，其特征在于，它还包括，通过钻头测量规得到切削齿的高度。
6.根据权利要求1所述的PDC钻头的布置方法，其特征在于，它还包括选取磨损程度较高的切削齿进行调整，以使得该切削齿的磨损程度与其他切削齿相近。
7.根据权利要求1所述的PDC钻头的布置方法，其特征在于，所述PDC钻头包括多个刀翼，每个刀翼具有多个相对应的切削齿，其中，
获取各个相对应的切削齿的平均切削齿厚度；
进行切削测试，并得到各个相对应的切削齿的平均磨损程度；
基于各个相对应切削齿的磨损程度得到各个相对应切削齿的平均调整系数；
基于各个相对应切削齿的平均调整系数和平均切削齿厚度得到各个相对应切削齿的切削齿平均修正厚度。
8.根据权利要求1所述的PDC钻头的布置方法，其特征在于，在基于每个切削齿的磨损程度得到每个切削齿的调整系数步骤中，它还包括：
选择其中一个切削齿的磨损程度作为基准，基于基准切削齿获取调整切削齿，并计算调整切削齿的调整系数。
9.根据权利要求8所述的PDC钻头的布置方法，其特征在于，它还包括：
获取基准切削齿的距离钻头中心的距离R基、调整切削齿的距离钻头中心的距离R调、以及切削齿半径，并得到调整切削齿的调整系数。
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