CN111894470A - Pdc钻头、确定其排屑槽的螺旋角度的方法及钻井方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种PDC钻头、确定其排屑槽的螺旋角度的方法及钻井方法，其中，确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法包括获取钻具的转速和钻井排量；获取PDC钻头的本体直径和所有刀翼形成的最大直径；获取PDC钻头的所有排屑槽的横截面积占比系数；根据获取的钻具转速、钻井排量、本体直径、最大直径、横截面积占比系数以及预设的角度模型，得出排屑槽的螺旋角度。本发明能够避免钻井泥岩岩屑与钻头排屑槽的侧壁的硬接触，在实现钻井岩屑的高效排出的同时减轻或防止钻头泥包，提高了PDC钻头在泥岩地层的钻井效率。

Description

PDC钻头、确定其排屑槽的螺旋角度的方法及钻井方法

技术领域

本发明涉及油气地质钻井技术领域，特别涉及一种确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法、PDC钻头及钻井方法。

背景技术

PDC钻头(聚晶金刚石复合片钻头)呈一体式结构，整个钻头无活动部件，主要由本体、冠部、水力结构(水眼或喷嘴、流道或排屑槽)、保径块和切削齿五部分组成。由于具有较高的机械钻速和较长的使用寿命等优点，近年来在各大油田得到了广泛应用。但PDC钻头在泥岩或泥质含量较高的地层钻进容易发生泥包问题。PDC钻头泥包后往往伴随发生：1、憋跳现象，造成脆性PDC复合片先期损坏；2、不能有效的冲洗以及充分冷却切屑齿，使钻头齿出现先期破坏，影响钻井效率，严重时甚至会导致钻头报废；3、切屑齿不能有效吃入岩石，使得PDC钻头破岩效果大幅降低，严重制约钻井提速，增加钻井周期与钻井成本。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法，以避免钻井泥岩岩屑与钻头排屑槽侧壁的硬接触。

本发明的另一个目的是提供一种能够有效降低产生泥包的风险的PDC钻头。

本发明的另一个目的是提供一种能提高PDC钻头在泥岩地层的钻井效率的钻井方法，

为达到上述目的，本发明提供了一种确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法，其包括：

获取钻具的转速和钻井排量；

获取PDC钻头的本体直径和所有刀翼形成的最大直径；

获取所述PDC钻头的所有排屑槽的横截面积占比系数；

根据获取的所述转速、所述钻井排量、所述本体直径、所述最大直径、所述横截面积占比系数以及预设的角度模型，得出所述排屑槽的螺旋角度。

如上所述的确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法，其中，所述预设的角度模型为：

其中，R为转速，单位为转/分钟；P为钻井排量，单位为升/秒；D₁为本体直径，单位为米；D₂为所有刀翼形成的最大直径，单位为米；k为排屑槽的累计横截面积占比系数。

如上所述的确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法，其中，当具有预设的钻头选型时，所述获取所述PDC钻头的所有排屑槽的横截面积占比系数为：

获取所述预设的钻头的所有的排屑槽在保径块处的横截面积；

根据预设的过流面积模型，获取所述预设的钻头的本体处的钻井流体过流面积；

根据获取的所述横截面积和所述钻井流体过流面积的比值，得出所述横截面积占比系数。

如上所述的确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法，其中，所述预设的过流面积模型为：

其中，D₃为预设的钻头的本体直径，单位为米；D₄为预设的钻头的所有刀翼形成的最大直径，单位为米。

如上所述的确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法，其中，当未设有钻头选型时，所述排屑槽的累计横截面积占比系数为0.4～0.6。

如上所述的确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法，其中，当只采用钻柱驱动钻头旋转时，所述钻具的转速为所述钻柱的转速。

如上所述的确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法，其中，当采用井下动力钻具和钻柱共同驱动钻头旋转时，所述钻具的转速为所述钻柱的转速和所述井下动力钻具的转速之和。

本发明还提供了一种PDC钻头，其包括本体，所述本体的第一端连接有多个间隔设置的刀翼，每一所述刀翼朝向所述本体的第二端的端面上连接有一保径块，相邻两所述保径块之间形成一排屑槽，且各所述排屑槽的螺旋角度采用上述的确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法得出。

如上所述的PDC钻头，其中，所述钻头刀翼的两侧边的夹角为10°～20°。

如上所述的PDC钻头，其中，相邻两所述刀翼之间的夹角为40°～100°。

如上所述的PDC钻头，其中，所述本体的直径比所有的所述刀翼形成的最大直径小至少50mm。

本发明又提供了一种钻井方法，其包括：

根据上述的确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法得出排屑槽的螺旋角度；

选取排屑槽的螺旋角度不小于所述得出的排屑槽的螺旋角度的PDC钻头进行钻井作业。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明的确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法，可以准确的确定出排屑槽的螺旋角度，以在PDC钻头钻井作业中，使得钻井岩屑的上返的轨迹基本成垂直状，减少了钻井岩屑与钻头排屑槽的侧壁的硬接触；

本发明的PDC钻头，采用上述确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法得出排屑槽的螺旋角度，使得该PDC钻头在使用时，能够有效减少钻井岩屑与钻头排屑槽的侧壁的硬接触，从而有效降低了产生泥包的风险；

本发明的钻井方法，将实际钻井参数与排屑槽结构相关联，考虑实际不同钻井参数情况下的PDC钻头防泥包排屑槽结构，实现了钻井岩屑的高效排出。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是本发明的确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法的流程图；

图2是本发明的PDC钻头的立体结构示意图；

图3是PDC钻头的主视结构示意图；

图4是PDC钻头的透视结构示意图；

图5是PDC钻头的俯视结构示意图；

图6是本发明的钻井方法的流程图；

图7是本发明的PDC钻头的岩屑轨迹变化示意图；

图8是现有的PDC钻头的岩屑轨迹变化示意图。

附图标号说明：

100、本体；110、连接头；111、外螺纹；120、中心孔；130、分支孔；

200、刀翼；210、径向段；220、曲线段；230、保径块；

300、排屑槽；

400、钻头水眼；

500、岩屑；

230’、保径块；300’、排屑槽。

具体实施方式

为了对本发明的技术方案、目的和效果有更清楚的理解，现结合附图说明本发明的具体实施方式。其中，形容词性或副词性修饰语“中心”、“内”和“外”的使用仅是为了便于多组术语之间的相对参考，且并非描述对经修饰术语的任何特定的方向限制。另外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，本发明提供了一种确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法，其包括：

步骤110、获取钻具的转速和钻井排量，即获取PDC钻头预设的钻井作业参数，由于钻井作业参数为预设的，因此该钻井作业的参数可在查询后直接获取；

步骤120、获取PDC钻头的本体直径和所有刀翼形成的最大直径，即根据PDC钻头的结构设计，获取PDC钻头的设计参数，也即本体直径和最大直径也可在查询后直接获得；

步骤130、获取PDC钻头的所有排屑槽的横截面积占比系数，该横截面积占比系数能够使得出的螺旋角度更加准确；

步骤140、根据获取的转速、钻井排量、本体直径、最大直径、横截面积占比系数以及预设的角度模型，得出排屑槽的螺旋角度，即将上述获取得到的数值带入预设的角度模型中，即可得出排屑槽的螺旋角度。

本发明的确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法，可以准确的确定出排屑槽的螺旋角度，以在PDC钻头钻井作业中，使得钻井岩屑的上返的轨迹基本成垂直状，减少了钻井岩屑与钻头排屑槽的侧壁的硬接触。

进一步，预设的角度模型为：

其中，R为转速，单位为转/分钟；P为钻井排量，单位为升/秒；D₁为本体直径，单位为米；D₂为所有刀翼形成的最大直径，单位为米；k为排屑槽的累计横截面积占比系数。

具体的，设计该预设的角度模型的过程如下：

钻井预设流体过流面积S为：

钻井流体的流速为：v＝0.001P/kS，将上述钻井流体过流面积S带入即可得出：

流体通过保径长度L的时间为：

将上述钻井流体的流速V带入即可得出：

在通过保径长度L的时间内钻柱所旋转的角度θ为：

将上述时间t带入即可得出：

钻头排屑槽螺旋角γ为：

将上述角度θ带入即可得出：

在本发明的一种实施方式中，当设有预设的钻头选型时，即在钻头的各项参数均可以直接获得的情况下，获取PDC钻头的所有排屑槽的横截面积占比系数为：

获取预设的钻头的所有的排屑槽在保径块处的横截面积，该横截面积可以通过查询钻头的参数直接获知；

根据预设的过流面积模型，获取预设的钻头的本体处的钻井流体过流面积，即钻井流体过流面积需要计算得出；

根据获取的横截面积和钻井流体过流面积的比值，得出横截面积占比系数，即横截面积占比系数为所有的排屑槽在保径块处的横截面积与钻井流体过流面积的比值。

进一步，所述预设的过流面积模型为：

其中，D₃为预设的钻头的本体直径，单位为米；D₄为预设的钻头的所有刀翼形成的最大直径，单位为米。

也即，过流面积为所有刀翼形成的最大环面与本体的外周面围之间的圆环面积，其中，本体直径和所有刀翼形成的最大直径均可通过查询钻头参数获知。

需要说明的是，在设有预设的钻头选型的情况下，预设的角度模型中的D₂与D₄的数值相等，D₁与D₃的数值相同。

在本发明的另一种实施方式中，当未设有钻头选型时，即在无法直接获取钻头的参数时，排屑槽的累计横截面积占比系数为0.4～0.6，具体的，若刀翼的厚度较大，则在0.4～0.6范围内选择较小数值，若刀翼的厚度较小，则在0.4～0.6范围内选择较大数值。

在本发明的一种实施方式中，当只采用钻柱驱动钻头旋转时，钻具的转速为钻柱的转速，钻柱的转速通常为30～150转/每分钟，大多数情况下为60～100转/每分钟。

在本发明的另一种实施方式中，当采用井下动力钻具(如螺杆钻具)和钻柱共同驱动钻头旋转时，钻具的转速为钻柱的转速和井下动力钻具的转速之和，该转速值最高可达350转/每分钟。

根据实际使用需求确定适当的钻具的转速，能使得得出的PDC钻头的排屑槽的螺旋角度更加准确，从而达到使得钻井岩屑的上返的轨迹基本成垂直状，以减少钻井岩屑与钻头排屑槽侧壁的硬接触的目的。

影响PDC钻头泥包的原因有地层岩性及构成因素、钻井液性能因素、工程工艺因素和PDC钻头结构因素四大类，其中地层岩性是客观原因。目前PDC钻头的防泥包结构，通常采用：1、合理布置喷嘴数量及角度，2、合理布置各刀翼间夹角，3、合理攻击线型及布齿设计，刀翼背部采用大倒角设计，4、增加钻头表面涂层或表面处理等措施，或者选择大排量、高转速的钻井参数及现场作业操作做法，但是上述措施不能有效降低钻井岩屑与钻头排屑槽的侧壁的硬接触。

为了达到有效降低钻井岩屑与钻头排屑槽的侧壁的硬接触的目的，本发明还提供了一种PDC钻头，如图2、图3、图4和图5所示，该PDC钻头包括本体100，本体100的第一端连接有多个间隔设置的刀翼200，每一刀翼200朝向本体100的第二端的端面上连接有一保径块230，相邻两保径块230之间形成一排屑槽300，且各排屑槽300的螺旋角度采用上述的确定PDC钻头的排屑槽300的螺旋角度的方法得出。

具体的，本体100为一圆柱体结构，各刀翼200可与本体100一体加工成型，也可以焊接连接于本体100的第一端，本体100的中心设有中心孔120，以方便钻井流体通过，本体100的第一端处设有多个分别与各排屑槽300相连通的分支孔130，各分支孔130均与中心孔120相连通，在本体100的第一端靠近各分支孔130处连接有钻头水眼400，钻头水眼400可以焊接于本体100上，也可以螺纹连接于本体100上，钻头水眼400的数量为5～10个，钻头水眼400的具体数量和位置其根据流道设计要求差异布置分布在排屑槽300中，该排布方式为现有技术，在此不再赘述，本体100的第二端连接有连接头110，连接头110的外周面设有外螺纹111，以便于本体100与钻具相接；

刀翼200包括径向段210、曲线段220和保径块230，各刀翼200的径向段210设置于本体100的第一端并沿中心孔120的轴向排布，保径块230连接于本体100的外周面，曲线段220连接于径向段210与保径块230之间，曲线段220的曲线类型可选择如圆弧线、抛物线或双曲线等，此为现有技术，在此不再赘述，其中，保径块230具有维持钻头已定的外径尺寸，防止其过早磨损缩小钻头尺寸。

本发明的PDC钻头，采用上述确定PDC钻头的排屑槽300的螺旋角度的方法得出排屑槽300的螺旋角度，使得该PDC钻头在使用时，通过具有螺旋角度的排屑槽300能够有效降低钻井岩屑500与钻头排屑槽300的侧壁的硬接触，从而有效降低产生泥包的风险。

进一步，钻头刀翼200的两侧边的夹角为10°～20°，这样的结构，在使得刀翼200具有一定的厚度的同时，使得PDC钻头能够具有较大的排屑槽300。

进一步，相邻两刀翼200之间的夹角为40°～100°，再进一步，多个刀翼200沿中心孔120的周向均匀排布，或者根据流道设计要求差异布置。

进一步，本体100的直径比所有的刀翼200形成的最大直径小至少50mm，即本体100的直径相比所有的刀翼200形成的最大直径小50mm以上，以保证流体过流面积的大小，提高钻井岩屑的排除能力。

如图6所示，本发明还提供了一种钻井方法，其包括：

步骤210、根据上述的确定PDC钻头的排屑槽300的螺旋角度的方法得出排屑槽300的螺旋角度；

步骤220、选取排屑槽300的螺旋角度不小于得出的排屑槽300的螺旋角度的PDC钻头进行钻井作业，即选用的PDC钻头的排屑槽300的螺旋角度略大于计算得出的排屑槽300的螺旋角度进行钻井作业，具体的钻井方式与现有技术相同，在此不再赘述。

适当的钻头的排屑槽的螺旋角度，能够有效改变PDC钻头钻进过程岩屑500的上返轨迹，如图7所示，设置了排屑槽螺旋角的PDC钻头，在钻井岩石破碎后形成了钻井岩屑500，在钻井流体的作用下岩屑500上返，尽管钻具同时在旋转，但因排屑槽300设置了适当的螺旋角度，岩屑500上返过程中无需沿着排屑槽300的侧壁移动，相反岩屑500容易与排屑槽300的侧壁脱离，自行上返，其实际的上返轨迹基本成垂直状，在这种情况下，由于岩屑500容易与排屑槽300的侧壁分开，可有效降低甚至避免泥质岩屑500在排屑槽300的侧壁上的接触与聚集，从而降低泥包风险，而未设置排屑槽螺旋角的PDC钻头，如图8所示，在钻井岩屑500破碎后，最初岩屑500是与两保径块230’之间形成的排屑槽300’的侧壁接触，同时在钻井流体的作用下岩屑500上返，但由于钻具同时在旋转，岩屑500轴向的运动需要排屑槽300’的侧壁带动，使得岩屑500沿着排屑槽300的侧壁移动，实际的岩屑500上返轨迹见图中的虚线，这种岩屑500始终与排屑槽300’的侧壁接触运动轨迹，容易使得泥质岩屑500与排屑槽300’的侧壁紧密接触，甚至硬接触，从而产生泥包现象；此外，本发明的钻井方法，将实际钻井参数与排屑槽300结构相关联，考虑实际不同钻井参数情况下的PDC钻头防泥包排屑槽300结构，实现了钻井岩屑500的高效排出。

其中，在图7和图8中，虚线区域为岩屑500的运动区域，虚线箭头为岩屑500的运动方向。

综上所述，本发明的确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法，可以准确的确定出排屑槽的螺旋角度，以在PDC钻头钻井作业中，使得钻井岩屑的上返的轨迹基本成垂直状，减少了钻井岩屑与钻头排屑槽的侧壁的接触；

本发明的PDC钻头，采用上述确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法得出排屑槽的螺旋角度，使得该PDC钻头在使用时，能够有效减少钻井岩屑与钻头排屑槽的侧壁的接触，从而有效降低了产生泥包的风险；

本发明的钻井方法，将实际钻井参数与排屑槽结构相关联，考虑实际不同钻井参数情况下的PDC钻头防泥包排屑槽结构，实现了钻井岩屑的高效排出。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。

Claims (12)

1.一种确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法，其特征在于，该方法包括：

获取钻具的转速和钻井排量；

获取PDC钻头的本体直径和所有刀翼形成的最大直径；

获取所述PDC钻头的所有排屑槽的横截面积占比系数；

根据获取的所述转速、所述钻井排量、所述本体直径、所述最大直径、所述横截面积占比系数以及预设的角度模型，得出所述排屑槽的螺旋角度。

2.根据权利要求1所述的确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法，其特征在于，所述预设的角度模型为：

其中，R为转速，单位为转/分钟；P为钻井排量，单位为升/秒；D₁为本体直径，单位为米；D₂为所有刀翼形成的最大直径，单位为米；k为排屑槽的累计横截面积占比系数。

3.根据权利要求1或2所述的确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法，其特征在于，当具有预设的钻头选型时，所述获取所述PDC钻头的所有排屑槽的横截面积占比系数为：

获取所述预设的钻头的所有的排屑槽在保径块处的横截面积；

根据预设的过流面积模型，获取所述预设的钻头的本体处的钻井流体过流面积；

根据获取的所述横截面积和所述钻井流体过流面积的比值，得出所述横截面积占比系数。

4.根据权利要求3所述的确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法，其特征在于，所述预设的过流面积模型为：

其中，D₃为预设的钻头的本体直径，单位为米；D₄为预设的钻头的所有刀翼形成的最大直径，单位为米。

5.根据权利要求1或2所述的确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法，其特征在于，当未设有钻头选型时，所述排屑槽的累计横截面积占比系数为0.4～0.6。

6.根据权利要求1或2所述的确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法，其特征在于，当采用钻柱驱动钻头旋转时，所述钻具的转速为所述钻柱的转速。

7.根据权利要求1或2所述的确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法，其特征在于，当采用井下动力钻具和钻柱共同驱动钻头旋转时，所述钻具的转速为所述钻柱的转速和所述井下动力钻具的转速之和。

8.一种PDC钻头，其特征在于，所述PDC钻头包括本体，所述本体的第一端连接有多个间隔设置的刀翼，每一所述刀翼朝向所述本体的第二端的端面上连接有一保径块，相邻两所述保径块之间形成一排屑槽，且各所述排屑槽的螺旋角度采用如上述权利要求1至7中任一项所述的确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法得出。

9.根据权利要求8所述的PDC钻头，其特征在于，所述钻头刀翼的两侧边的夹角为10°～20°。

10.根据权利要求8所述的PDC钻头，其特征在于，相邻两所述刀翼之间的夹角为40°～100°。

11.根据权利要求8所述的PDC钻头，其特征在于，所述本体的直径比所有的所述刀翼形成的最大直径小至少50mm。

12.一种钻井方法，其特征在于，所述钻井方法包括：

根据如权利要求1至7中任一项所述确定PDC钻头的排屑槽的螺旋角度的方法得出排屑槽的螺旋角度；

选取排屑槽的螺旋角度不小于所述得出的排屑槽的螺旋角度的PDC钻头进行钻井作业。

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