CN110852002B - Pdc钻头及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PDC钻头及其设计方法，钻头的设计方法包括：步骤S1：获取钻头使用的现场实际工况的数据，建立钻头‑井底‑环空的有限元分析模型；步骤S2：对钻头流场进行有限元分析计算，得到钻头结构参数的优化范围值，综合考虑射流作用面积、破岩和携岩的能力，从范围值内进行选择来设计钻头。本发明通过有限元模拟现场实际工况，进行钻头的优化设计，避免了实验者根据手动计算改变钻头参数进行试验获得优化，节省时间，降低成本，灵活性高。且通过有限元计算，避免手动计算，设计出的优化数据更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及石油天热气设备技术领域，尤其是涉及一种PDC钻头及其设计方法。
背景技术
在石油钻井中，钻头是一种被广泛应用的钻削岩层工具。
目前，钻头的优化设计通常是实验者通过改变钻头的结构参数，将制造出的钻头进行试验获得。一方面，耗费较高、耗时较长，并且灵活性较差；另一方面，结构参数计算通常是理论值，受限数学解析能力的高低，得出的数据往往不准确。
因此，如何节省钻头优化的时间及费用，提高钻头结构参数优化的准确性是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的第一个目的是提供一种PDC钻头的设计方法，以节省钻头优化的时间及费用，提高钻头结构参数优化的准确性。
本发明的第二个目的是提供一种PDC钻头。
在一个方面中，本发明提供一种PDC钻头的设计方法，其包括：
步骤S1：获取钻头使用的现场实际工况的数据，建立钻头-井底-环空的有限元分析模型；
步骤S2：对所述钻头流场进行有限元分析计算，得到所述钻头结构参数的优化范围值，综合考虑射流作用面积、破岩和携岩的能力，从所述范围值内进行选择来设计所述钻头。
在一个实施方案中，所述步骤S1中的建立钻头-井底-环空的有限元分析模型包括以下步骤：
步骤S11：建立所述钻头-井底-环空的三维模型；
步骤S12：定义所述有限元分析模型内部钻井液的性能参数及流型；
步骤S13：划分网格单元；
步骤S14：根据所述现场实际工况的数据定义边界条件；
步骤S15：根据所述钻头的结构参数，设置分析步。
在另一个具体实施方案中，所述步骤S15中设置分析步为：
每次仅改变所述结构参数中一个，其余参数值不变，分别考察其对井底流场分布的影响。
在另一个具体实施方案中，所述步骤S12中的钻井液性能参数包括所述钻井液的密度和粘度；和/或
所述步骤S14中的边界条件包括排量和压力；和/或
所述步骤S15中的钻头的结构参数包括喷射角、偏移角、方位角、位置半径和喷嘴高度。
在另一个具体实施方案中，所述结构参数的优化范围值为：
所述钻头上的喷嘴的喷射角大于或者等于8度，且小于或等于22度；
所述喷嘴的方位角大于或者等于32度，且小于或等于324度；
所述喷嘴的偏移角大于或者等于30度，且小于或等于55度；
所述喷嘴的位置半径大于或者等于27mm，且小于或等于76mm；
所述喷嘴的高度大于或者等于17mm，且小于或等于24mm。
在另一个具体实施方案中，所述步骤S2之后还包括：
步骤S3：根据所述步骤S2中的设计出的所述钻头进行倒模成型加工。
根据本发明的各个实施方案可以根据需要任意组合，这些组合之后所得的实施方案也在本发明范围内，是本发明具体实施方式的一部分。
不限于任何理论，从以上公开内容可以看出，在一个具体实施方案中，使用本发明公开的方法设计钻头时，首先，通过获取钻头使用的现场实际工况的数据，建立钻头-井底-环空的有限元分析模型；然后，对钻头流场进行有限元分析计算，得到钻头结构参数的优化范围值，综合考虑射流作用面积、破岩和携岩的能力，从范围值内进行选择来设计钻头。本发明通过有限元模拟现场实际工况，进行钻头的优化设计，避免了实验者根据手动计算改变钻头参数进行试验获得优化，节省时间，降低成本，灵活性高。且通过有限元计算，避免手动计算，设计出的优化数据更加准确。
在第二方面中，本发明提供了一种PDC钻头，通过如上述任意一项所述的方法设计得到。
在一个具体实施方案中，所述钻头包括：
钻头主体，所述钻头主体上开设有主流道和与所述主流道连通的多个水眼流道；
喷嘴，所述喷嘴安装在所述水眼流道的出水端；
密封层，所述喷嘴和所述水眼流道的缝隙处设置有密封层。
在一个具体实施方案中，所述喷嘴的个数为多个，且所述喷嘴的喷射角、方位角、偏移角、位置半径及高度均互不相等。
在一个具体实施方案中，所述喷嘴的喷射角大于或者等于8度，且小于或等于22度；
所述喷嘴的方位角大于或者等于32度，且小于或等于324度；
所述喷嘴的偏移角大于或者等于30度，且小于或等于55度；
所述喷嘴的位置半径大于或者等于27mm，且小于或等于76mm；
所述喷嘴的高度大于或者等于17mm，且小于或等于24mm；和/或
所述喷嘴与所述水眼流道的出水端螺纹连接；和/或
所述喷嘴为脉冲喷嘴或者空化射流喷嘴；和/或
所述密封层为密封脂层。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得本发明的其他实施方案。
图1为本发明实施例提供的钻头的设计方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的钻头结构剖面示意图；
图3为本发明实施例定义的喷射角α，即所述喷嘴的中心线与钻头本体的轴心线在X、Z轴所在平面上的夹角；
图4为本发明实施例提供的钻头底部喷嘴出口位置分布优化前后平面示意图，也是喷嘴在钻头底部平面的方位分布；
图5为本发明实施例定义的喷嘴位置半径L，即所述水眼的喷嘴中心点与钻头轴线的距离示意图；
图6为本发明实施例定义的喷嘴高度h，即所述喷嘴中心点距离钻头基准平面距离的示意图；
图7为本发明实施例定义的偏移角β，即所述喷嘴的中心线与钻头本体的轴心线在Y、Z轴所在平面上的夹角的示意图。
其中，图1-7中，
钻头主体1、主流道2、水眼流道3、喷嘴4、优化前喷嘴位置分布A，优化后喷嘴位置分布B、第一个喷嘴N1、第二个喷嘴N2、第三个喷嘴N3、第四个喷嘴N4、第五个喷嘴N5、第六个喷嘴N6、第七个喷嘴N7。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
本公开内容使用的术语具有它在其所属领域的常规含义。此处给出若干术语在本公开内容中的定义。如果该术语的常规含义与本文定义不一致，以本文定义为准。
如图1所示，本发明提供了一种PDC钻头的设计方法。该方法包括以下步骤：
步骤S1：获取钻头使用的现场实际工况的数据，建立钻头-井底-环空的有限元分析模型。
需要说明的是，钻头-井底-环空指的是钻头所在的井底及所被包围的环空。
步骤S2：对钻头流场进行有限元分析计算，得到钻头结构参数的优化范围值，综合考虑射流作用面积、破岩和携岩的能力，从范围值内进行选择来设计钻头。
本实施例中，首先，通过获取钻头使用的现场实际工况的数据，建立钻头-井底-环空的有限元分析模型；然后，对钻头流场进行有限元分析计算，得到钻头结构参数的优化范围值，综合考虑射流作用面积、破岩和携岩的能力，从范围值内进行选择来设计钻头。本发明通过有限元模拟现场实际工况，进行钻头的优化设计，避免了实验者根据手动计算改变钻头参数进行试验获得优化，节省时间，降低成本，灵活性高。且通过有限元计算，避免手动计算，设计出的优化数据更加准确。
在另一个实施方案中，本发明公开了步骤S1中的建立钻头-井底-环空的有限元分析模型包括以下步骤：
步骤S11：建立钻头-井底-环空的三维模型。
步骤S12：定义有限元分析模型内部钻井液的性能参数及流型。
钻井液性能参数包括钻井液的密度和粘度等参数，以真实模拟井底水力射流工况。
步骤S13：划分网格单元。
具体地，按照不同比例，采用结构方法、八结点线性六面体单元、不同结点数为有限元分析模型划分网格单元。
步骤S14：根据现场实际工况的数据定义边界条件。
具体地，边界条件包括排量和压力等参数。这里的排量是指钻头的排量的极限值，压力是指钻头所受压力的极限值。
步骤S15：根据钻头的结构参数，设置分析步。
其中，钻头的结构参数包括喷射角、偏移角、方位角、位置半径和喷嘴高度。
设置分析步具体为：每次仅改变结构参数中一个，其余参数值不变，分别考察其对井底流场分布的影响。
根据这五个参数分别设置五个分析步。第一个分析步调整喷嘴喷射角，其他结构参数不变，考察其对井底流场分布的影响；第二个分析步调整喷嘴偏移角，其他结构参数不变，考察其对井底流场分布的影响；第三个分析步调整喷嘴方位角，其他结构参数不变，考察其对井底流场分布的影响；第四个分析步调整喷嘴位置半径，其他结构参数不变，考察其对井底流场分布的影响；第五个分析步调整喷嘴高度，其他结构参数不变，考察其对井底流场分布的影响。需要说明的是，这五个分析步可以随意调换顺序。
结构参数的优化范围值为：钻头上的喷嘴的喷射角α大于或者等于8度，且小于或等于22度；喷嘴的方位角γ大于或者等于32度，且小于或等于324度；喷嘴的偏移角β大于或者等于30度，且小于或等于55度；喷嘴的位置半径L大于或者等于27mm，且小于或等于76mm；喷嘴的高度h大于或者等于17mm，且小于或等于24mm。
如图3所示，设计出的喷嘴的喷射角α互不相等，喷射角α即喷嘴的中心线与钻头主体的轴心线在X、Z轴所在平面上的夹角；如图7所示，设计出的喷嘴的偏移角β也互不相等，偏移角β即喷嘴的中心线与钻头主体的轴心线在Y、Z轴所在平面上的夹角，是喷嘴尾部的偏转角度，主要用于防止尾部干涉；如图4所示，设计出的喷嘴的方位角γ也互不相等，方位角γ即喷嘴中心在360度圆周平面上的分布角度；如图5所示，设计出的喷嘴的位置半径L也互不相等，喷嘴的位置半径L即水眼流道的喷嘴中心点与主体的轴心线的距离；如图6所示，设计出的各个喷嘴的高度h也互不相等，喷嘴的高度h即喷嘴中心点距离钻头基准平面距离。
在另一个具体实施方案中，步骤S2之后还包括：
步骤S3：根据步骤S2中的设计出的钻头进行倒模成型加工。
本发明从增大钻头井底水力喷射作用面积入手，建立钻头-井底-环空有限元分析模型，进行钻头流场有限元分析计算，确定喷射角、偏移角等钻头最优结构参数，并按照最优的结构参数倒模成型加工高效水力射流破岩钻头，无需采用任何机械结构，可有效增大井底水力射流的作用面积，提高钻头水力能量利用率，进而提高水力破岩、清岩效率。
如图2所示，本发明还提供了一种PDC钻头，通过如上述任意一项实施例中的方法设计得到。
在一个具体实施方案中，本发明公开了PCD钻头包括钻头主体1、喷嘴4和密封层。
钻头主体1上开设有主流道2和与主流道2连通的多个水眼流道3。喷嘴4安装在水眼流道3的出水端，喷嘴4和水眼流道3的缝隙处设置有密封层，防止水流由喷嘴4与水眼流道3之间的缝隙中流出。
为了便于喷嘴4与水眼流道3的可拆卸，能够及时更换坏掉的喷嘴4，本发明公开了喷嘴4和水眼流道3的出水端螺纹连接，需要说明的是，只要满足喷嘴4和水眼流道3可拆卸连接的结构或方法均属于本发明的保护范围。
具体地，喷嘴4为脉冲喷嘴4或者空化射流喷嘴4，也可以是其它任何一种结构的喷嘴4，不限于某一种喷嘴4。
具体地，密封层为密封脂层，需要说明的是，密封层也可以是其它具有密封性能的材料制得，只要满足能够密封喷嘴4和水眼流道3的缝隙的密封层均属于本发明的保护范围。
在一个具体实施方案中，本发明公开了喷嘴4的个数为多个，且喷嘴4的喷射角、方位角、偏移角、位置半径及高度均互不相等。
在一个具体实施方案中，本发明公开了喷嘴4的喷射角大于或者等于8度，且小于或等于22度；喷嘴4的方位角大于或者等于32度，且小于或等于324度；喷嘴4的偏移角大于或者等于30度，且小于或等于55度；喷嘴4的位置半径大于或者等于27mm，且小于或等于76mm；喷嘴4的高度大于或者等于17mm，且小于或等于24mm。
当钻头主体1进行转动时，各个喷嘴4喷出的水射流在井底形成多个不同心的圆环，多股水力射流作用在井底的不同位置，提高了射流在井底的作用面积，提高了钻头水力能量利用率。
本实施例提供的脉冲喷嘴4具体可以为7个，当然，在其它实施例中也可以为5个、6个、9个等，其数量可以根据实际情况具体设定。
需要说明的是，本发明公开的方法可以用于设计任何钻头，本实施例中，以设计PCD钻头为例，具体参见表1-表2所示，以市面上常见的12 1/4″5刀翼PDC钻头为例。
首先建立钻头-井底-环空有限元分析模型，进行钻头流场分布特性有限元分析计算，优化设计出最佳的喷射角α、偏移角β等结构参数，并按照确定的最佳结构参数倒模成型加工高效水力射流破岩钻头，使喷嘴4产生的水射流在井底形成七个不同心的圆环，七股水力射流作用在井底的不同位置，可增大水力射流在井底的作用面积，提高钻头水力能量利用率，从而提高水力破岩、清岩效率。钻头优化前的喷嘴4参数见表1；优化后的喷嘴4参数见表2。
表1
表2
在另一个实施例中，采用本发明的方法设计的PDC钻头，在新疆塔河区块TH10389井5461m～6119m井段进行了应用，采用与优化改进前的PDC钻头相同的排量35L/s钻进时，平均机械钻速达4.4m/h，较同区域邻井提高10％-46.7％；采用相同的机械钻速，则可将排量由之前的35L/s降低至30L/s，降低能源消耗，降低钻井施工成本，提高经济效益，验证了该PDC钻头设计方法可有效提高钻头水力能量利用率，从而提高水力破岩效率。
在本发明中的“第一”、“第二”等均为描述上进行区别，没有其他的特殊含义。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和创造性特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种PDC钻头的设计方法，其特征在于，包括：
步骤S1：获取钻头使用的现场实际工况的数据，建立钻头-井底-环空的有限元分析模型，所述步骤S1中的建立钻头-井底-环空的有限元分析模型包括以下步骤：步骤S11：建立所述钻头-井底-环空的三维模型；步骤S12：定义所述有限元分析模型内部钻井液的性能参数及流型，所述步骤S12中的钻井液性能参数包括所述钻井液的密度和粘度；步骤S13：划分网格单元；步骤S14：根据所述现场实际工况的数据定义边界条件，所述步骤S14中的边界条件包括排量和压力；步骤S15：根据所述钻头的结构参数，设置分析步；所述步骤S15中设置分析步为：每次仅改变所述结构参数中一个，其余参数值不变，分别考察其对井底流场分布的影响；所述步骤S15中的钻头的结构参数包括喷射角、偏移角、方位角、位置半径和高度；
步骤S2：对所述钻头流场进行有限元分析计算，得到所述钻头结构参数的优化范围值，综合考虑射流作用面积、破岩和携岩的能力，从所述范围值内进行选择来设计所述钻头。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述结构参数的优化范围值为：
所述钻头上的喷嘴的喷射角大于或者等于8度，且小于或等于22度；
所述喷嘴的方位角大于或者等于32度，且小于或等于324度；
所述喷嘴的偏移角大于或者等于30度，且小于或等于55度；
所述喷嘴的位置半径大于或者等于27mm，且小于或等于76mm；
所述喷嘴的高度大于或者等于17mm，且小于或等于24mm。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤S2之后还包括：
步骤S3：根据所述步骤S2中的设计出的所述钻头进行倒模成型加工。
4.一种PDC钻头，其特征在于，通过如权利要求1-3中任意一项所述的方法设计得到。
5.根据权利要求4所述的钻头，其特征在于，包括：
钻头主体(1)，所述钻头主体(1)上开设有主流道(2)和与所述主流道(2)连通的多个水眼流道(3)；
喷嘴(4)，所述喷嘴(4)安装在所述水眼流道(3)的出水端；
密封层，所述喷嘴(4)和所述水眼流道(3)的缝隙处设置有密封层。
6.根据权利要求5所述的钻头，其特征在于，所述喷嘴(4)的个数为多个，且所述喷嘴(4)的喷射角、所述喷嘴(4)的方位角、所述喷嘴(4)的偏移角、所述喷嘴(4)的位置半径及所述喷嘴(4)的高度均互不相等。
7.根据权利要求6所述的钻头，其特征在于，所述喷嘴(4)的喷射角大于或者等于8度，且小于或等于22度；
所述喷嘴(4)的方位角大于或者等于32度，且小于或等于324度；
所述喷嘴(4)的偏移角大于或者等于30度，且小于或等于55度；
所述喷嘴(4)的位置半径大于或者等于27mm，且小于或等于76mm；
所述喷嘴(4)的高度大于或者等于17mm，且小于或等于24mm；和/或
所述喷嘴(4)与所述水眼流道(3)的出水端螺纹连接；和/或
所述喷嘴(4)为脉冲喷嘴(4)或者空化射流喷嘴(4)；和/或
所述密封层为密封脂层。
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