CN105178868B - Pdc钻头的设计方法、装置及pdc钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PDC钻头的设计方法、装置及PDC钻头，所述PDC钻头的设计方法包括：获取钻井平均钻速、钻头井下转速、钻头刀翼的个数；根据所述钻井平均钻速、钻头井下转速确定钻头每转进尺；根据所述钻头每转进尺、钻头刀翼的个数确定钻头刀翼每转进尺；根据所述钻头刀翼每转进尺确定钻头前排切削齿与后排切削齿之间的高度差。本发明所述PDC钻头的设计方法、装置及PDC钻头，能够提高PDC钻头使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种油田钻探领域，特别涉及一种PDC钻头的设计方法、装置及PDC钻头。
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，为了节约钻井综合成本，对钻头的质量提出了更高的要求。目前，油气田勘探开发中常用的钻头为PDC钻头。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。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。
如图1所示，为现有技术中一种PDC钻头的结构示意图。所述PDC钻头包括基座1和刀头，所述刀头包括六个刀翼2，每个刀翼2上设置有两排切削齿3，分别为前排切削齿31和后排切削齿32。所述前排切削齿31和后排切削齿32之间具有一定的高度差。所述PDC钻头旋转工作时，所述前排切削齿31先与所述后排切削齿32与岩层接触，因此，一般的所述前排切削齿31的高度高于后排切削齿32一定高度。
现有的PDC钻头工作原理如下：由于前排切削齿31和后排切削齿32之间具有一定的高度差。下井初期，前排切削齿31吃入并切削岩石时，后排切削齿32可控制前排切削齿31的吃入深度，避免前排切削齿31因瞬时吃深过大而损坏；当前排切削31齿达到一定磨损程度后，后排切削齿32开始承压，和前排切削齿31一起切削岩石，以提高切削的效率。
然而，由于目前PDC钻头的前、后排切削齿的高度差没有形成成熟的计算方法，一般都依靠经验，高度差选择1毫米(mm)左右。基于现有的经验设计的PDC钻头，在钻井过程中经常出现前排切削齿31损坏严重无法切削时，而后排切削齿32还完好无损的情况。进一步的，当出现上述情况时，由于在前排切削齿31无法进行切削工作的情况下，只有后排切削齿32单独工作，此时，后排切削齿32相对于前、后排切削齿都工作的情况下，在切削过程中被快速磨损，PDC钻头无法再进行切削工作，被迫起钻。因此，整体上现有的PDC钻头使用寿命较短。
为了提高钻井工作中PDC钻头的使用寿命，有必要改进现有的PDC钻头的设计方法，来提高PDC钻头的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种PDC钻头的设计方法、装置及PDC钻头，能够提高PDC钻头使用寿命。
本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
一种PDC钻头的设计方法，包括：
获取钻井平均钻速、钻头井下转速、钻头刀翼的个数；
根据所述钻井平均钻速、钻头井下转速确定钻头每转进尺；
其中，所述钻头每转进尺H＝1000v/60r
上式中所述v表示钻井平均钻速，单位为米/小时；所述r表示钻头井下转速，单位为转/分；所述H表示钻头每转进尺，单位为毫米；
根据所述钻头每转进尺、钻头刀翼的个数确定钻头刀翼每转进尺；
其中，所述钻头刀翼每转进尺h＝H/n
上式中，所述H表示钻头每转进尺，单位为毫米；所述n表示钻头刀翼的个数；所述h表示钻头刀翼每转进尺，单位为毫米；
根据所述钻头刀翼每转进尺确定钻头前排切削齿与后排切削齿之间的高度差。
在优选的实施方式中，所述前排切削齿与后排切削齿之间的高度差与所述钻头刀翼每转进尺相等或接近。
在优选的实施方式中，还包括：设定所述PDC钻头的直径为8.5英寸。
在优选的实施方式中，所述PDC钻头的直径与所述钻头每转进尺成反比。
一种PDC钻头的设计装置，包括：
参数获取模块，用于获取钻井平均钻速、钻头井下转速、钻头刀翼的个数；
钻头每转进尺确定模块，用于根据所述钻井平均钻速、钻头井下转速确定钻头每转进尺；
其中，所述钻头每转进尺H＝1000v/60r，
上式中所述v表示钻井平均钻速，单位为米/小时；所述r表示钻头井下转速，单位为转/分；所述H表示钻头每转进尺，单位为毫米；
钻头刀翼每转进尺确定模块，用于根据所述钻头每转进尺、钻头刀翼的个数确定钻头刀翼每转进尺；
其中，所述钻头刀翼每转进尺h＝H/n
上式中，所述H表示钻头每转进尺，单位为毫米；所述n表示钻头刀翼的个数；所述h表示钻头刀翼每转进尺，单位为毫米；
高度差确定模块，用于根据所述钻头刀翼每转进尺确定钻头前排切削齿与后排切削齿之间的高度差。
在优选的实施方式中，所述PDC钻头的直径为8.5英寸。
在优选的实施方式中，其还包括参数调节模块，当所述钻头直径增大时，用于降低钻井平均钻速、或提高钻头井下转速；当所述钻头直径减小时，用于增大钻井平均钻速、或者减小钻头井下转速。
一种PDC钻头，包括：
基座；
设置在基座上的刀头，所述刀头沿着周向设置有多个刀翼，每个刀翼上设置有前排切削齿、后排切削齿，所述前排切削齿的高度高于所述后排切削齿；
所述前排切削齿、后排切削齿的高度差在0.09毫米至0.1毫米之间。
在优选的实施方式中，所述前排切削齿、后排切削齿的高度差为0.0933毫米。
在优选的实施方式中，所述PDC钻头的直径为8.5英寸。
本发明的特点和优点是：本发明所述PDC钻头的设计方法，通过对钻头上前、后排切削齿吃入岩石的深度进行分析，通过确定钻头刀翼每转进尺进而合理调整切削齿高度，使前、后排切削齿受力均匀，最终使各刀翼前、后排切削齿受力均匀，达到延长钻头寿命的目的。
附图说明
图1是现有技术中一种PDC钻头的结构示意图；
图2是本发明实施例中一种PDC钻头的设计方法的步骤图；
图3是本发明实施例中一种PDC钻头刀翼切削展开图；
图4是本发明实施例中一种PDC钻头的设计装置的示意图；
图5是本发明实施例中一种PDC钻头的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。
本发明提供一种PDC钻头的设计方法，能够提高PDC钻头使用寿命。
本发明所述的PDC钻头的设计方法基于切削齿设计的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，提高所有切削齿的切削效率。
请参阅图2，为本发明实施例中一种PDC钻头的设计方法的步骤图。所述PDC钻头的设计方法包括如下步骤：
步骤S1：获取钻井平均钻速、钻头井下转速、钻头刀翼的个数；
步骤S2：根据所述钻井平均钻速、钻头井下转速确定钻头每转进尺；
其中，所述钻头每转进尺H＝1000v/60r
上式中所述v表示钻井平均钻速，单位为米/小时；所述r表示钻头井下转速，单位为转/分；所述H表示钻头每转进尺，单位为毫米；
步骤S3：根据所述钻头每转进尺、钻头刀翼的个数确定钻头刀翼每转进尺；
其中，所述钻头刀翼每转进尺h＝H/n
上式中，所述H表示钻头每转进尺，单位为毫米；所述n表示钻头刀翼的个数；所述h表示钻头刀翼每转进尺，单位为毫米；
步骤S4：根据所述钻头刀翼每转进尺确定钻头前排切削齿与后排切削齿之间的高度差。
其中，步骤S1：获取钻井平均钻速、钻头井下转速、钻头刀翼的个数。
在本实施方式中，所述钻井的平均钻速是指单位时间内钻井的进尺，单位为米/小时。所述钻井的平均钻速为一项钻井技术指标，用于反映钻头切削地层的能力。
在实际使用过程中所述平均钻速根据实际的地质条件可以调整变化，例如当钻遇较为松软的泥土层时，所述平均钻速可相对较高，当钻遇较为坚硬的岩层时，相应的，所述平均钻速可相对较低。根据统计分析获得目前国内钻井的平均钻速：10米/小时(m/h)。
在本实施方式中，所述钻头井下转速是指钻头在井下的旋转速度，单位为转/分。钻头在井下是高速旋转的，所述钻头旋转的动力主要来自井口的转盘和井下的马达。在井口的转盘和井下的马达联合驱动下，所述钻头能够达到较高的钻速。例如，井口转盘的转速为60转/分，井下螺杆转速为240转/分，则钻头在所述井口的转盘和井下的马达叠加作用驱动下，一般能够达到300转/分。
在本实施方式中，所述钻头刀翼的个数，根据实际的PDC钻头大小确定。所述钻头刀翼的个数与PDC钻头直径的大小成正比。相对而言，所述PDC钻头的直径大，相应的钻头刀翼的个数就可以相对较多；所述PDC钻头的直径小，相应的钻头刀翼的个数就可相对较少。目前通用的PDC钻头的直径为8.5英寸，即216毫米(mm)，对应的，钻头刀翼的个数为6个。
步骤S2：根据所述钻井平均钻速、钻头井下转速确定钻头每转进尺。
其中，所述钻头每转进尺H＝1000v/60r
上式中所述v表示钻井平均钻速，单位为米/小时；所述r表示钻头井下转速，单位为转/分；所述H表示钻头每转进尺，单位为毫米。
例如，当所述钻井平均钻速为10米/小时，所述钻头井下转速300转/分，则可计算得出钻头每转进尺H
H＝1000v/60r＝(10×1000)/(300×60)＝0.56mm
步骤S3：根据所述钻头每转进尺、钻头刀翼的个数确定钻头刀翼每转进尺。
其中，所述钻头刀翼每转进尺h＝H/n
上式中，所述H表示钻头每转进尺，单位为毫米；所述n表示钻头刀翼的个数；所述h表示钻头刀翼每转进尺，单位为毫米。
例如，当所述钻头刀翼的个数为6时，则可计算得出所述钻头刀翼每转进尺h
h＝H/n＝0.56/6＝0.093mm
步骤S4：根据所述钻头刀翼每转进尺确定钻头前排切削齿与后排切削齿之间的高度差。
在本实施方式中，可以设定所述PDC钻头的直径为8.5英寸,即PDC钻头直径d为216mm,则钻头每转一圈的距离l＝3.14d＝216×3.14＝678mm。
请参阅图3，为本发明实施例中一种PDC钻头切削刀翼展开图。即把PDC钻头在井下旋转一周后展开得到的图形。图中纵坐标为钻头刀翼每转进尺的周向距离，单位为毫米；横坐标为钻头刀翼每转进尺深度，单位为毫米。
例如，当所述钻井平均钻速为10米/小时，所述钻头井下转速300转/分，则可计算得出钻头每转进尺H
H＝1000v/60r＝(10×1000)/(300×60)＝0.56mm
当所述钻头刀翼的个数为6时，则可计算得出所述钻头刀翼每转进尺h
h＝H/n＝0.56/6＝0.093mm
在优选的实施方式中，所述前排切削齿与后排切削齿之间的高度差与所述钻头刀翼每转进尺相等或接近。
例如，所述PDC钻头6个刀翼每周每个刀翼切削高度0.09mm至0.1mm。从图3可知，当所述前排切削齿与后排切削齿之间的高度差与所述钻头刀翼每转进尺相等或接近时，所述每个刀翼沿着进尺的深度方向和旋转的圆周方向进度都较为均匀，此即表示每个刀翼前、后排切削齿高度差在约为0.09mm至0.1mm范围内能够使每个切削齿受力均匀。也就是说，所述前排切削齿与后排切削齿之间合理的高度差在0.09mm至0.1mm之间。
本发明所述PDC钻头的设计方法，通过对钻头上前、后排切削齿吃入岩石的深度进行分析，通过确定钻头刀翼每转进尺进而合理调整切削齿高度，使前、后排切削齿受力均匀，最终使各刀翼前、后排切削齿受力均匀，达到延长钻头寿命的目的。
在一个的实施方式中，所述PDC钻头的直径与所述钻头每转进尺成反比。由于通用的PDC钻头通常直径为8.5英寸。在保证一定时间内完成钻井任务的情况下，当PDC钻头的直径变大时，可以调节所述钻头每转进尺，使其可以相对较小；也可以调节所述钻头井下转速，使其可以相对较大。当PDC钻头的直径变小时，可以调节所述钻头每转进尺，使其可以相对较大；也可以调节所述钻头井下转速，使其可以相对较小。
请参阅图4，为本发明实施例中一种PDC钻头的设计装置的示意图。所述PDC钻头的设计装置包括：参数获取模块1、钻头每转进尺确定模块2、钻头刀翼每转进尺确定模块3、高度差确定模块4。
所述参数获取模块1，用于获取钻井平均钻速、钻头井下转速、钻头刀翼的个数；
所述钻头每转进尺确定模块2，用于根据所述钻井平均钻速、钻头井下转速确定钻头每转进尺；
其中，所述钻头每转进尺H＝1000v/60r，
上式中所述v表示钻井平均钻速，单位为米/小时；所述r表示钻头井下转速，单位为转/分；所述H表示钻头每转进尺，单位为毫米；
所述钻头刀翼每转进尺确定模块3，用于根据所述钻头每转进尺、钻头刀翼的个数确定钻头刀翼每转进尺；
其中，所述钻头刀翼每转进尺h＝H/n
上式中，所述H表示钻头每转进尺，单位为毫米；所述n表示钻头刀翼的个数；所述h表示钻头刀翼每转进尺，单位为毫米；
所述高度差确定模块4，用于根据所述钻头刀翼每转进尺确定钻头前排切削齿与后排切削齿之间的高度差。
在本实施方式中，所述钻井的平均钻速是指单位时间内钻井的进尺，单位为米/小时。所述钻井的平均钻速为一项钻井技术指标，用于反映钻头切削地层的能力。
在实际使用过程中所述平均钻速根据实际的地质条件可以调整变化，例如当钻遇较为松软的泥土层时，所述平均钻速可相对较高，当钻遇较为坚硬的岩层时，相应的，所述平均钻速可相对较低。根据统计分析获得目前国内钻井的平均钻速：10米/小时(m/h)。
在本实施方式中，所述钻头井下转速是指钻头在井下的旋转速度，单位为转/分。钻头在井下是高速旋转的，所述钻头旋转的动力主要来自井口的转盘和井下的马达。在井口的转盘和井下的马达联合驱动下，所述钻头能够达到较高的钻速。例如，井口转盘的转速为60转/分，井下螺杆转速为240转/分，则钻头在所述井口的转盘和井下的马达叠加作用驱动下，一般能够达到300转/分。
在本实施方式中，所述钻头刀翼的个数，根据实际的PDC钻头大小确定。所述钻头刀翼的个数与PDC钻头直径的大小成正比。相对而言，所述PDC钻头的直径大，相应的钻头刀翼的个数就可以相对较多；所述PDC钻头的直径小，相应的钻头刀翼的个数就可相对较少。目前通用的PDC钻头的直径为8.5英寸，即216毫米(mm)，对应的，钻头刀翼的个数为6个。
本发明所述PDC钻头的设计装置，包括参数获取模块1、钻头每转进尺确定模块2、钻头刀翼每转进尺确定模块3、高度差确定模块4，其通过对钻头上前、后排切削齿吃入岩石的深度进行分析，通过确定钻头刀翼每转进尺进而合理调整切削齿高度，使前、后排切削齿受力均匀，最终使各刀翼前、后排切削齿受力均匀，达到延长钻头寿命的目的。
由于通用的PDC钻头通常直径为8.5英寸。在保证一定时间内完成钻井任务的情况下，当PDC钻头的直径变大时，可以调节所述钻头每转进尺，使其可以相对较小；也可以调节所述钻头井下转速，使其可以相对较大。当PDC钻头的直径变小时，可以调节所述钻头每转进尺，使其可以相对较大；也可以调节所述钻头井下转速，使其可以相对较小。在优选的实施方式中，所述PDC钻头的设计装置还包括参数调节模块，当所述钻头直径增大时，用于降低钻井平均钻速、或提高钻头井下转速；当所述钻头直径减小时，用于增大钻井平均钻速、或者减小钻头井下转速。
请参阅图5，为本发明实施例中一种PDC钻头的结构示意图。本发明所述PDC钻头为基于上述PDC钻头设计方法设计的钻头。所述PDC钻头包括：基座1；设置在基座上的刀头20，所述刀头20沿着周向设置有多个刀翼4，每个刀翼4上设置有前排切削齿41、后排切削齿42，所述前排切削齿41的高度高于所述后排切削齿42；所述前排切削齿41、后排切削齿42的高度差在0.09毫米至0.1毫米之间。当前、后排切削齿高度差在约为0.09mm至0.1mm范围内能够使每个切削齿受力均匀，达到延长钻头寿命的目的。
目前，通用的所述PDC钻头的直径为8.5英寸。
例如，当所述钻井平均钻速为10米/小时，所述钻头井下转速300转/分，则可计算得出钻头每转进尺H
H＝1000v/60r＝(10×1000)/(300×60)＝0.56mm
当所述钻头刀翼的个数为6时，则可计算得出所述钻头刀翼每转进尺h
h＝H/n＝0.56/6＝0.093mm
在优选的实施方式中，所述前排切削齿41、后排切削齿42的高度差为0.0933毫米。
实验证明，以每个切削齿在一般阻力的经验值100千牛(KN)下，寿命为50个小时计算。双排齿在每排分别单独磨损的情况下，每个切削齿需要承受100KN的阻力，其能工作约100个小时。如果双排齿同时磨损，则每个切削齿只需承受50KN的阻力，其寿命能够达到约250个小时以上，因此整个钻头寿命能够提高2至3倍。也就是说，如果前排切削齿41、后排切削齿42在具有合理的高度差条件下，工作时保持双排切削齿同时承受阻力，受力均匀的情况下，相对于现有的PDC钻头，一般的，寿命能够提高2至3倍。
此外，通过实验证明，在钻头井下转速为300转/分的高速旋转条件下，当切削齿的阻力增加一倍后，其寿命将缩短5-6倍。也就是说，钻头井下转速较高的情况下，若前、后排切削齿设计不合理时，若出现前排切削齿被磨损至无法使用，单独靠后排切削齿工作时，后排切削齿会很快被磨损，相应的，PDC钻头无法再使用。
在已知现场试验条件：钻井井深2500米，平均钻速9.3米/小时，钻头在井下的转速300转/分，钻头直径216毫米。在相邻的井内，分别用现有的PDC钻头和本发明所述PDC钻头作对比试验。
试验发现，在使用现有的PDC钻头进行钻井时，现有的PDC钻头平均寿命89小时；而用本发明所述PDC钻头能够达到268小时以上，相当于使用寿命比现有的PDC钻头提高201％以上，直观上论证了应用本发明所述PDC钻头设计方法设计的PDC钻头，能够提高钻头各个磨损点的利用率，达到提高PDC钻头使用寿命的目的。
以上所述仅为本发明的几个实施例，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种PDC钻头的设计方法，其特征在于，包括：
获取钻井平均钻速、钻头井下转速、钻头刀翼的个数；
根据所述钻井平均钻速、钻头井下转速确定钻头每转进尺；
其中，所述钻头每转进尺H＝1000v/60r
上式中所述v表示钻井平均钻速，单位为米/小时；所述r表示钻头井下转速，单位为转/分；所述H表示钻头每转进尺，单位为毫米；
根据所述钻头每转进尺、钻头刀翼的个数确定钻头刀翼每转进尺；
其中，所述钻头刀翼每转进尺h＝H/n
上式中，所述H表示钻头每转进尺，单位为毫米；所述n表示钻头刀翼的个数；所述h表示钻头刀翼每转进尺，单位为毫米；
根据所述钻头刀翼每转进尺确定钻头前排切削齿与后排切削齿之间的高度差。
2.如权利要求1所述的PDC钻头的设计方法，其特征在于：所述前排切削齿与后排切削齿之间的高度差与所述钻头刀翼每转进尺相等或接近。
3.如权利要求1所述的PDC钻头的设计方法，其特征在于，还包括：设定所述PDC钻头的直径为8.5英寸。
4.如权利要求3所述的PDC钻头的设计方法，其特征在于：所述PDC钻头的直径与所述钻头每转进尺成反比。
5.一种PDC钻头的设计装置，其特征在于，包括：
参数获取模块，用于获取钻井平均钻速、钻头井下转速、钻头刀翼的个数；
钻头每转进尺确定模块，用于根据所述钻井平均钻速、钻头井下转速确定钻头每转进尺；
其中，所述钻头每转进尺H＝1000v/60r，
上式中所述v表示钻井平均钻速，单位为米/小时；所述r表示钻头井下转速，单位为转/分；所述H表示钻头每转进尺，单位为毫米；
钻头刀翼每转进尺确定模块，用于根据所述钻头每转进尺、钻头刀翼的个数确定钻头刀翼每转进尺；
其中，所述钻头刀翼每转进尺h＝H/n
上式中，所述H表示钻头每转进尺，单位为毫米；所述n表示钻头刀翼的个数；所述h表示钻头刀翼每转进尺，单位为毫米；
高度差确定模块，用于根据所述钻头刀翼每转进尺确定钻头前排切削齿与后排切削齿之间的高度差。
6.如权利要求5所述的PDC钻头的设计装置，其特征在于：所述PDC钻头的直径为8.5英寸。
7.如权利要求5所述的PDC钻头的设计装置，其特征在于：其还包括参数调节模块，当所述钻头直径增大时，用于降低钻井平均钻速、或提高钻头井下转速；当所述钻头直径减小时，用于增大钻井平均钻速、或者减小钻头井下转速。
8.一种基于权利要求1所述的PDC钻头设计方法的PDC钻头，其特征在于，包括：
基座；
设置在基座上的刀头，所述刀头沿着周向设置有多个刀翼，每个刀翼上设置有前排切削齿、后排切削齿，所述前排切削齿的高度高于所述后排切削齿；
所述前排切削齿、后排切削齿的高度差在0.09毫米至0.1毫米之间。
9.如权利要求8所述的PDC钻头，其特征在于：所述前排切削齿、后排切削齿的高度差为0.0933毫米。
10.如权利要求8所述的PDC钻头，其特征在于：所述PDC钻头的直径为8.5英寸。
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