PDC鑽頭的設計方法、裝置及PDC鑽頭與流程
2023-09-20 19:26:50 2
本發明涉及一種油田鑽探領域，特別涉及一種PDC鑽頭的設計方法、裝置及PDC鑽頭。
背景技術：
隨著油氣田勘探開發工作的不斷深入，所鑽遇的地層構造越來越複雜，鑽井難度越來越大，為了節約鑽井綜合成本，對鑽頭的質量提出了更高的要求。目前，油氣田勘探開發中常用的鑽頭為PDC鑽頭。PDC(Polycrystallinediamondcompact)是一種將人造聚晶金剛石與碳化鎢基座高溫高壓下焊接在一起的切削元件。自PDC鑽頭上世紀八十年代問世以來，因具有平均機械鑽速高、進尺多、壽命長等特點，已逐漸成為石油、天然氣工業廣泛推廣應用的一種高效破巖工具。如圖1所示，為現有技術中一種PDC鑽頭的結構示意圖。所述PDC鑽頭包括基座1和刀頭，所述刀頭包括六個刀翼2，每個刀翼2上設置有兩排切削齒3，分別為前排切削齒31和後排切削齒32。所述前排切削齒31和後排切削齒32之間具有一定的高度差。所述PDC鑽頭旋轉工作時，所述前排切削齒31先與所述後排切削齒32與巖層接觸，因此，一般的所述前排切削齒31的高度高於後排切削齒32一定高度。現有的PDC鑽頭工作原理如下：由於前排切削齒31和後排切削齒32之間具有一定的高度差。下井初期，前排切削齒31吃入並切削巖石時，後排切削齒32可控制前排切削齒31的吃入深度，避免前排切削齒31因瞬時吃深過大而損壞；當前排切削31齒達到一定磨損程度後，後排切削齒32開始承壓，和前排切削齒31一起切削巖石，以提高切削的效率。然而，由於目前PDC鑽頭的前、後排切削齒的高度差沒有形成成熟的計算方法，一般都依靠經驗，高度差選擇1毫米(mm)左右。基於現有的經驗設計的PDC鑽頭，在鑽井過程中經常出現前排切削齒31損壞嚴重無法切削時，而後排切削齒32還完好無損的情況。進一步的，當出現上述情況時，由於在前排切削齒31無法進行切削工作的情況下，只有後排切削齒32單獨工作，此時，後排切削齒32相對於前、後排切削齒都工作的情況下，在切削過程中被快速磨損，PDC鑽頭無法再進行切削工作，被迫起鑽。因此，整體上現有的PDC鑽頭使用壽命較短。為了提高鑽井工作中PDC鑽頭的使用壽命，有必要改進現有的PDC鑽頭的設計方法，來提高PDC鑽頭的使用壽命。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種PDC鑽頭的設計方法、裝置及PDC鑽頭，能夠提高PDC鑽頭使用壽命。本發明的上述目的可採用下列技術方案來實現：一種PDC鑽頭的設計方法，包括：獲取鑽井平均鑽速、鑽頭井下轉速、鑽頭刀翼的個數；根據所述鑽井平均鑽速、鑽頭井下轉速確定鑽頭每轉進尺；其中，所述鑽頭每轉進尺H＝1000v/60r上式中所述v表示鑽井平均鑽速，單位為米/小時；所述r表示鑽頭井下轉速，單位為轉/分；所述H表示鑽頭每轉進尺，單位為毫米；根據所述鑽頭每轉進尺、鑽頭刀翼的個數確定鑽頭刀翼每轉進尺；其中，所述鑽頭刀翼每轉進尺h＝H/n上式中，所述H表示鑽頭每轉進尺，單位為毫米；所述n表示鑽頭刀翼的個數；所述h表示鑽頭刀翼每轉進尺，單位為毫米；根據所述鑽頭刀翼每轉進尺確定鑽頭前排切削齒與後排切削齒之間的高度差。在優選的實施方式中，所述前排切削齒與後排切削齒之間的高度差與所述鑽頭刀翼每轉進尺相等或接近。在優選的實施方式中，還包括：設定所述PDC鑽頭的直徑為8.5英寸。在優選的實施方式中，所述PDC鑽頭的直徑與所述鑽頭每轉進尺成反比。一種PDC鑽頭的設計裝置，包括：參數獲取模塊，用於獲取鑽井平均鑽速、鑽頭井下轉速、鑽頭刀翼的個數；鑽頭每轉進尺確定模塊，用於根據所述鑽井平均鑽速、鑽頭井下轉速確定鑽頭每轉進尺；其中，所述鑽頭每轉進尺H＝1000v/60r，上式中所述v表示鑽井平均鑽速，單位為米/小時；所述r表示鑽頭井下轉速，單位為轉/分；所述H表示鑽頭每轉進尺，單位為毫米；鑽頭刀翼每轉進尺確定模塊，用於根據所述鑽頭每轉進尺、鑽頭刀翼的個數確定鑽頭刀翼每轉進尺；其中，所述鑽頭刀翼每轉進尺h＝H/n上式中，所述H表示鑽頭每轉進尺，單位為毫米；所述n表示鑽頭刀翼的個數；所述h表示鑽頭刀翼每轉進尺，單位為毫米；高度差確定模塊，用於根據所述鑽頭刀翼每轉進尺確定鑽頭前排切削齒與後排切削齒之間的高度差。在優選的實施方式中，所述PDC鑽頭的直徑為8.5英寸。在優選的實施方式中，其還包括參數調節模塊，當所述鑽頭直徑增大時，用於降低鑽井平均鑽速、或提高鑽頭井下轉速；當所述鑽頭直徑減小時，用於增大鑽井平均鑽速、或者減小鑽頭井下轉速。一種PDC鑽頭，包括：基座；設置在基座上的刀頭，所述刀頭沿著周向設置有多個刀翼，每個刀翼上設置有前排切削齒、後排切削齒，所述前排切削齒的高度高於所述後排切削齒；所述前排切削齒、後排切削齒的高度差在0.09毫米至0.1毫米之間。在優選的實施方式中，所述前排切削齒、後排切削齒的高度差為0.0933毫米。在優選的實施方式中，所述PDC鑽頭的直徑為8.5英寸。本發明的特點和優點是：本發明所述PDC鑽頭的設計方法，通過對鑽頭上前、後排切削齒吃入巖石的深度進行分析，通過確定鑽頭刀翼每轉進尺進而合理調整切削齒高度，使前、後排切削齒受力均勻，最終使各刀翼前、後排切削齒受力均勻，達到延長鑽頭壽命的目的。附圖說明圖1是現有技術中一種PDC鑽頭的結構示意圖；圖2是本發明實施例中一種PDC鑽頭的設計方法的步驟圖；圖3是本發明實施例中一種PDC鑽頭刀翼切削展開圖；圖4是本發明實施例中一種PDC鑽頭的設計裝置的示意圖；圖5是本發明實施例中一種PDC鑽頭的結構示意圖。具體實施方式下面將結合附圖和具體實施例，對本發明的技術方案作詳細說明，應理解這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落入本申請所附權利要求所限定的範圍內。本發明提供一種PDC鑽頭的設計方法，能夠提高PDC鑽頭使用壽命。本發明所述的PDC鑽頭的設計方法基於切削齒設計的覆蓋全部井底的原則：即井底每一點都能受到鑽頭切削齒的切削，並且在鑽頭旋轉一周的過程中，每一個切削齒都起到切削地層巖石的作用，提高所有切削齒的切削效率。請參閱圖2，為本發明實施例中一種PDC鑽頭的設計方法的步驟圖。所述PDC鑽頭的設計方法包括如下步驟：步驟S1：獲取鑽井平均鑽速、鑽頭井下轉速、鑽頭刀翼的個數；步驟S2：根據所述鑽井平均鑽速、鑽頭井下轉速確定鑽頭每轉進尺；其中，所述鑽頭每轉進尺H＝1000v/60r上式中所述v表示鑽井平均鑽速，單位為米/小時；所述r表示鑽頭井下轉速，單位為轉/分；所述H表示鑽頭每轉進尺，單位為毫米；步驟S3：根據所述鑽頭每轉進尺、鑽頭刀翼的個數確定鑽頭刀翼每轉進尺；其中，所述鑽頭刀翼每轉進尺h＝H/n上式中，所述H表示鑽頭每轉進尺，單位為毫米；所述n表示鑽頭刀翼的個數；所述h表示鑽頭刀翼每轉進尺，單位為毫米；步驟S4：根據所述鑽頭刀翼每轉進尺確定鑽頭前排切削齒與後排切削齒之間的高度差。其中，步驟S1：獲取鑽井平均鑽速、鑽頭井下轉速、鑽頭刀翼的個數。在本實施方式中，所述鑽井的平均鑽速是指單位時間內鑽井的進尺，單位為米/小時。所述鑽井的平均鑽速為一項鑽井技術指標，用於反映鑽頭切削地層的能力。在實際使用過程中所述平均鑽速根據實際的地質條件可以調整變化，例如當鑽遇較為鬆軟的泥土層時，所述平均鑽速可相對較高，當鑽遇較為堅硬的巖層時，相應的，所述平均鑽速可相對較低。根據統計分析獲得目前國內鑽井的平均鑽速：10米/小時(m/h)。在本實施方式中，所述鑽頭井下轉速是指鑽頭在井下的旋轉速度，單位為轉/分。鑽頭在井下是高速旋轉的，所述鑽頭旋轉的動力主要來自井口的轉盤和井下的馬達。在井口的轉盤和井下的馬達聯合驅動下，所述鑽頭能夠達到較高的鑽速。例如，井口轉盤的轉速為60轉/分，井下螺杆轉速為240轉/分，則鑽頭在所述井口的轉盤和井下的馬達疊加作用驅動下，一般能夠達到300轉/分。在本實施方式中，所述鑽頭刀翼的個數，根據實際的PDC鑽頭大小確定。所述鑽頭刀翼的個數與PDC鑽頭直徑的大小成正比。相對而言，所述PDC鑽頭的直徑大，相應的鑽頭刀翼的個數就可以相對較多；所述PDC鑽頭的直徑小，相應的鑽頭刀翼的個數就可相對較少。目前通用的PDC鑽頭的直徑為8.5英寸，即216毫米(mm)，對應的，鑽頭刀翼的個數為6個。步驟S2：根據所述鑽井平均鑽速、鑽頭井下轉速確定鑽頭每轉進尺。其中，所述鑽頭每轉進尺H＝1000v/60r上式中所述v表示鑽井平均鑽速，單位為米/小時；所述r表示鑽頭井下轉速，單位為轉/分；所述H表示鑽頭每轉進尺，單位為毫米。例如，當所述鑽井平均鑽速為10米/小時，所述鑽頭井下轉速300轉/分，則可計算得出鑽頭每轉進尺HH＝1000v/60r＝(10×1000)/(300×60)＝0.56mm步驟S3：根據所述鑽頭每轉進尺、鑽頭刀翼的個數確定鑽頭刀翼每轉進尺。其中，所述鑽頭刀翼每轉進尺h＝H/n上式中，所述H表示鑽頭每轉進尺，單位為毫米；所述n表示鑽頭刀翼的個數；所述h表示鑽頭刀翼每轉進尺，單位為毫米。例如，當所述鑽頭刀翼的個數為6時，則可計算得出所述鑽頭刀翼每轉進尺hh＝H/n＝0.56/6＝0.093mm步驟S4：根據所述鑽頭刀翼每轉進尺確定鑽頭前排切削齒與後排切削齒之間的高度差。在本實施方式中，可以設定所述PDC鑽頭的直徑為8.5英寸,即PDC鑽頭直徑d為216mm,則鑽頭每轉一圈的距離l＝3.14d＝216×3.14＝678mm。請參閱圖3，為本發明實施例中一種PDC鑽頭切削刀翼展開圖。即把PDC鑽頭在井下旋轉一周後展開得到的圖形。圖中縱坐標為鑽頭刀翼每轉進尺的周向距離，單位為毫米；橫坐標為鑽頭刀翼每轉進尺深度，單位為毫米。例如，當所述鑽井平均鑽速為10米/小時，所述鑽頭井下轉速300轉/分，則可計算得出鑽頭每轉進尺HH＝1000v/60r＝(10×1000)/(300×60)＝0.56mm當所述鑽頭刀翼的個數為6時，則可計算得出所述鑽頭刀翼每轉進尺hh＝H/n＝0.56/6＝0.093mm在優選的實施方式中，所述前排切削齒與後排切削齒之間的高度差與所述鑽頭刀翼每轉進尺相等或接近。例如，所述PDC鑽頭6個刀翼每周每個刀翼切削高度0.09mm至0.1mm。從圖3可知，當所述前排切削齒與後排切削齒之間的高度差與所述鑽頭刀翼每轉進尺相等或接近時，所述每個刀翼沿著進尺的深度方向和旋轉的圓周方向進度都較為均勻，此即表示每個刀翼前、後排切削齒高度差在約為0.09mm至0.1mm範圍內能夠使每個切削齒受力均勻。也就是說，所述前排切削齒與後排切削齒之間合理的高度差在0.09mm至0.1mm之間。本發明所述PDC鑽頭的設計方法，通過對鑽頭上前、後排切削齒吃入巖石的深度進行分析，通過確定鑽頭刀翼每轉進尺進而合理調整切削齒高度，使前、後排切削齒受力均勻，最終使各刀翼前、後排切削齒受力均勻，達到延長鑽頭壽命的目的。在一個的實施方式中，所述PDC鑽頭的直徑與所述鑽頭每轉進尺成反比。由於通用的PDC鑽頭通常直徑為8.5英寸。在保證一定時間內完成鑽井任務的情況下，當PDC鑽頭的直徑變大時，可以調節所述鑽頭每轉進尺，使其可以相對較小；也可以調節所述鑽頭井下轉速，使其可以相對較大。當PDC鑽頭的直徑變小時，可以調節所述鑽頭每轉進尺，使其可以相對較大；也可以調節所述鑽頭井下轉速，使其可以相對較小。請參閱圖4，為本發明實施例中一種PDC鑽頭的設計裝置的示意圖。所述PDC鑽頭的設計裝置包括：參數獲取模塊1、鑽頭每轉進尺確定模塊2、鑽頭刀翼每轉進尺確定模塊3、高度差確定模塊4。所述參數獲取模塊1，用於獲取鑽井平均鑽速、鑽頭井下轉速、鑽頭刀翼的個數；所述鑽頭每轉進尺確定模塊2，用於根據所述鑽井平均鑽速、鑽頭井下轉速確定鑽頭每轉進尺；其中，所述鑽頭每轉進尺H＝1000v/60r，上式中所述v表示鑽井平均鑽速，單位為米/小時；所述r表示鑽頭井下轉速，單位為轉/分；所述H表示鑽頭每轉進尺，單位為毫米；所述鑽頭刀翼每轉進尺確定模塊3，用於根據所述鑽頭每轉進尺、鑽頭刀翼的個數確定鑽頭刀翼每轉進尺；其中，所述鑽頭刀翼每轉進尺h＝H/n上式中，所述H表示鑽頭每轉進尺，單位為毫米；所述n表示鑽頭刀翼的個數；所述h表示鑽頭刀翼每轉進尺，單位為毫米；所述高度差確定模塊4，用於根據所述鑽頭刀翼每轉進尺確定鑽頭前排切削齒與後排切削齒之間的高度差。在本實施方式中，所述鑽井的平均鑽速是指單位時間內鑽井的進尺，單位為米/小時。所述鑽井的平均鑽速為一項鑽井技術指標，用於反映鑽頭切削地層的能力。在實際使用過程中所述平均鑽速根據實際的地質條件可以調整變化，例如當鑽遇較為鬆軟的泥土層時，所述平均鑽速可相對較高，當鑽遇較為堅硬的巖層時，相應的，所述平均鑽速可相對較低。根據統計分析獲得目前國內鑽井的平均鑽速：10米/小時(m/h)。在本實施方式中，所述鑽頭井下轉速是指鑽頭在井下的旋轉速度，單位為轉/分。鑽頭在井下是高速旋轉的，所述鑽頭旋轉的動力主要來自井口的轉盤和井下的馬達。在井口的轉盤和井下的馬達聯合驅動下，所述鑽頭能夠達到較高的鑽速。例如，井口轉盤的轉速為60轉/分，井下螺杆轉速為240轉/分，則鑽頭在所述井口的轉盤和井下的馬達疊加作用驅動下，一般能夠達到300轉/分。在本實施方式中，所述鑽頭刀翼的個數，根據實際的PDC鑽頭大小確定。所述鑽頭刀翼的個數與PDC鑽頭直徑的大小成正比。相對而言，所述PDC鑽頭的直徑大，相應的鑽頭刀翼的個數就可以相對較多；所述PDC鑽頭的直徑小，相應的鑽頭刀翼的個數就可相對較少。目前通用的PDC鑽頭的直徑為8.5英寸，即216毫米(mm)，對應的，鑽頭刀翼的個數為6個。本發明所述PDC鑽頭的設計裝置，包括參數獲取模塊1、鑽頭每轉進尺確定模塊2、鑽頭刀翼每轉進尺確定模塊3、高度差確定模塊4，其通過對鑽頭上前、後排切削齒吃入巖石的深度進行分析，通過確定鑽頭刀翼每轉進尺進而合理調整切削齒高度，使前、後排切削齒受力均勻，最終使各刀翼前、後排切削齒受力均勻，達到延長鑽頭壽命的目的。由於通用的PDC鑽頭通常直徑為8.5英寸。在保證一定時間內完成鑽井任務的情況下，當PDC鑽頭的直徑變大時，可以調節所述鑽頭每轉進尺，使其可以相對較小；也可以調節所述鑽頭井下轉速，使其可以相對較大。當PDC鑽頭的直徑變小時，可以調節所述鑽頭每轉進尺，使其可以相對較大；也可以調節所述鑽頭井下轉速，使其可以相對較小。在優選的實施方式中，所述PDC鑽頭的設計裝置還包括參數調節模塊，當所述鑽頭直徑增大時，用於降低鑽井平均鑽速、或提高鑽頭井下轉速；當所述鑽頭直徑減小時，用於增大鑽井平均鑽速、或者減小鑽頭井下轉速。請參閱圖5，為本發明實施例中一種PDC鑽頭的結構示意圖。本發明所述PDC鑽頭為基於上述PDC鑽頭設計方法設計的鑽頭。所述PDC鑽頭包括：基座1；設置在基座上的刀頭20，所述刀頭20沿著周向設置有多個刀翼4，每個刀翼4上設置有前排切削齒41、後排切削齒42，所述前排切削齒41的高度高於所述後排切削齒42；所述前排切削齒41、後排切削齒42的高度差在0.09毫米至0.1毫米之間。當前、後排切削齒高度差在約為0.09mm至0.1mm範圍內能夠使每個切削齒受力均勻，達到延長鑽頭壽命的目的。目前，通用的所述PDC鑽頭的直徑為8.5英寸。例如，當所述鑽井平均鑽速為10米/小時，所述鑽頭井下轉速300轉/分，則可計算得出鑽頭每轉進尺HH＝1000v/60r＝(10×1000)/(300×60)＝0.56mm當所述鑽頭刀翼的個數為6時，則可計算得出所述鑽頭刀翼每轉進尺hh＝H/n＝0.56/6＝0.093mm在優選的實施方式中，所述前排切削齒41、後排切削齒42的高度差為0.0933毫米。實驗證明，以每個切削齒在一般阻力的經驗值100千牛(KN)下，壽命為50個小時計算。雙排齒在每排分別單獨磨損的情況下，每個切削齒需要承受100KN的阻力，其能工作約100個小時。如果雙排齒同時磨損，則每個切削齒只需承受50KN的阻力，其壽命能夠達到約250個小時以上，因此整個鑽頭壽命能夠提高2至3倍。也就是說，如果前排切削齒41、後排切削齒42在具有合理的高度差條件下，工作時保持雙排切削齒同時承受阻力，受力均勻的情況下，相對於現有的PDC鑽頭，一般的，壽命能夠提高2至3倍。此外，通過實驗證明，在鑽頭井下轉速為300轉/分的高速旋轉條件下，當切削齒的阻力增加一倍後，其壽命將縮短5-6倍。也就是說，鑽頭井下轉速較高的情況下，若前、後排切削齒設計不合理時，若出現前排切削齒被磨損至無法使用，單獨靠後排切削齒工作時，後排切削齒會很快被磨損，相應的，PDC鑽頭無法再使用。在已知現場試驗條件：鑽井井深2500米，平均鑽速9.3米/小時，鑽頭在井下的轉速300轉/分，鑽頭直徑216毫米。在相鄰的井內，分別用現有的PDC鑽頭和本發明所述PDC鑽頭作對比試驗。試驗發現，在使用現有的PDC鑽頭進行鑽井時，現有的PDC鑽頭平均壽命89小時；而用本發明所述PDC鑽頭能夠達到268小時以上，相當於使用壽命比現有的PDC鑽頭提高201％以上，直觀上論證了應用本發明所述PDC鑽頭設計方法設計的PDC鑽頭，能夠提高鑽頭各個磨損點的利用率，達到提高PDC鑽頭使用壽命的目的。以上所述僅為本發明的幾個實施例，雖然本發明所揭露的實施方式如上，但所述內容只是為了便於理解本發明而採用的實施方式，並非用於限定本發明。任何本發明所屬技術領域的技術人員，在不脫離本發明所揭露的精神和範圍的前提下，可以在實施方式的形式上及細節上作任何的修改與變化，但本發明的專利保護範圍，仍須以所附權利要求書所界定的範圍為準。