一種pdc鑽頭內部噴管結構的設計方法
2023-10-30 18:28:07 1
專利名稱：一種pdc鑽頭內部噴管結構的設計方法
專利說明一種PDC鑽頭內部噴管結構的設計方法 技述領域 本發明涉及一種用於石油鑽井業的一種新型PDC鑽頭內部噴管結構的設計方法。
背景技術：
PDC鑽頭(Polycrystalline Diamond Compact Bit)使用聚晶金剛石複合片作為切削元件，以切削方式破巖，具有很好的綜合經濟性能，是石油鑽井業的一種實用鑽具。PDC鑽頭在世界範圍內得到了普遍應用。在均質的中到軟地層中PDC鑽頭具有破巖效率高、鑽速快、進尺多、壽命長等優點。但是，在研究開發與使用過程中，PDC鑽頭仍然存在PDC鑽頭齒的磨損、掉齒、斷裂和鑽頭泥包等問題，嚴重降低了造價昂貴的PDC鑽頭的使用壽命。人們發現這些損壞主要是由於鑽頭不能在井下穩定地工作而造成的。
PDC鑽頭的不穩定性在實際使用除鑽井參數選擇不當和地層結構複雜外，PDC鑽頭水力設計不合理是造成鑽頭不穩定行而出現破壞的一個重要原因，現已有的PDC鑽頭穩定性設計中都考慮的只是機械設計因素，沒有考慮泥漿射流將對鑽頭產生作用力和力矩而對鑽頭穩定性產生的影響，毫無疑問，根據流體力學理論，考慮水力射流影響將有利於保持鑽頭穩定和鑽頭不偏離井眼中心的功能。而這涉及到鑽頭內部射流噴管的結構設計和布置。如圖2所示，PDC鑽頭外部包括流道3，刀翼4，和噴管5。鑽頭內部包括用於泥漿射流的分支噴管，它們和主噴管相連接。內部噴管結構如圖1剖開部分和圖2所示，它包括主噴管1和幾個分支噴管2。
發明內容
本發明目的是為了提高鑽頭穩定性，同時防止鑽頭偏離井眼中心產生井斜，從而解決PDC鑽頭使用中存在的齒磨損、掉齒、斷裂等問題，改善PDC鑽頭的穩定性，提供有利於鑽頭穩定性的鑽頭內部噴管結構的設計方法。
本發明需要解決的技術問題是從水力學上保持鑽頭在鑽進過程中的鑽頭穩定性和鑽頭不偏離井眼中心。
本發明的技術方案是一種新型PDC鑽頭內部噴管結構的設計方法，其特點是 1.鑽頭水力設計時使刀翼的個數為偶數分布，噴管的個數為偶數分布；使與相應噴管相連接的鑽頭內部各分支噴管中心軸線通過鑽頭幾何中心軸線oo』，以保證泥漿自噴管射出時施加給鑽頭的作用力能通過鑽頭中心軸線而使得多股射流對鑽頭產生的合力扭矩為零，而保證鑽頭穩定性； 2.使各鑽頭流道噴管與對面流道的噴管兩兩處於同一縱向平面內，且兩分支噴管的中心軸線必須相交於鑽頭中心軸線oo』上，便於鑽頭加工又能保證消除射流反作用水平分力產生的扭矩，使鑽頭不偏離設計井眼； 3.在前兩步的原則下，鑽頭水力設計應先根據鑽頭水平平面圖上鑽頭刀翼位置和鑽井設計要求，確定與該刀翼相應的某一噴管位置，在鑽頭縱剖面圖上將該噴管中心軸線與鑽頭中心軸線相交，交點為A，自該交點A可做其對面流道上的分支噴管的軸線，理論上為無數條，再由該噴管的設計傾角Θ和點A共同來唯一確定該軸線，再根據該中心軸線確定鑽頭內部噴管在主管上的位置。其他噴管位置確定方法與此相同。
本發明的有益效果是和用本發明方法設計的噴管結構的特點是泥漿通過噴管射流後，鑽頭內部噴管系統能消除由於水力設計不合理而產生的扭矩和射流對鑽頭產生的橫向作用力，從而能保證鑽頭在鑽進過程中的穩定性和井眼的不偏移。
圖1為PDC鑽頭內部噴管結構圖； 圖2為PDC鑽頭外部結構示意圖； 圖3為分支噴管在鑽頭表面位置和鑽頭幾何中心軸線位置圖； 圖4為噴管結構的一個縱剖面圖； 圖5為分支噴管位置確定圖。
具體實施例方式 一種PDC鑽頭內部噴管結構的設計方法，PDC鑽頭外部，如圖2所示，包括刀翼4、噴管5和流道3，設計時 1.要使刀翼4的個數為偶數分布，噴管5的個數為偶數分布。內部噴管結構如圖1剖開部分和圖2所示，它包括主噴管1與主噴管相連接的各分支噴管2，各分支噴管在鑽頭表面位置和鑽頭幾何中心軸線位置如圖3。首先對鑽頭多股射流進行力學分析。如圖4所示為噴管結構的一個縱剖面，各分支噴管射流後會對鑽頭產生一作用力(F1，F2)，該作用力的垂直分力會減輕鑽頭承重，水平分力(如F1H，F2H)會使鑽頭產生順時針或逆時針扭矩，該扭矩會導致鑽頭偏離井眼中心產生井斜，本噴管系統結構要求各鑽頭流道噴管與對面流道的噴管兩兩處於同一平面內，且兩分支噴管的中心軸線必須相交於鑽頭中心軸線oo』上，這樣設計既便於鑽頭加工又能保證消除射流反作用分力產生的扭矩，使鑽頭不偏離設計井眼。
2.使各鑽頭流道噴管與對面流道的噴管兩兩處於同一縱向平面內，且兩分支噴管的中心軸線必須相交於鑽頭中心軸線oo』上，便於鑽頭加工又能保證消除射流反作用水平分力產生的扭矩，使鑽頭不偏離設計井眼； 3.在前兩步的原則下，鑽頭水力設計應先根據鑽頭水平平面圖上鑽頭刀翼位置和鑽井設計要求，確定與該刀翼相應的某一噴管位置，在鑽頭縱剖面圖上將該噴管中心軸線與鑽頭中心軸線相交，如圖5所示，交點為A，自該交點A可做其對面流道上的分支噴管的軸線，理論上為無數條，再由該噴管的設計傾角Θ和點A共同來唯一確定該軸線，再根據該中心軸線確定鑽頭內部噴管在主管上的位置。
4.根據前三條，再分別確定其餘流道噴管對應的內部噴管在主管上位置，從而確定整個鑽頭內部噴管系統的結構。
權利要求
1.一種PDC鑽頭噴管結構的設計方法，其特徵在於，
(1)設計時使刀翼的個數為偶數分布，噴管的個數為偶數分布；使與相應噴管相連接各分支噴管中心軸線通過鑽頭幾何中心軸線oo』，以保證泥漿射出反施加給鑽頭的作用力通過鑽頭中心軸線而使得合力扭矩為零，而保證鑽頭穩定性；
(2)使各鑽頭流道噴管與對面流道的噴管兩兩處於同一平面內，且兩分支噴管的中心軸線必須相交於鑽頭中心軸線上，便於鑽頭加工又能保證消除射流反作用分力產生的扭矩，使鑽頭不偏離設計井眼；
(3)先確定一刀翼位置，再確定與該刀翼相應的分支噴管位置，其中心軸線與鑽頭中心軸線相交，自該交點A做另外一分支噴管的軸線，該軸線由該噴管的設計傾角Θ和點A共同確定，再根據該中心軸線確定噴管位置。
全文摘要
本發明涉及一種用於石油鑽井業的一種新型PDC鑽頭內部噴管結構的設計方法，特點是，設計時鑽頭刀翼的個數為偶數分布，噴管的個數為偶數分布；使各鑽頭流道噴管與對面流道的噴管兩兩處於同一平面內，且兩分支噴管的中心軸線必須相交於鑽頭中心軸線上；具體步驟為先確定一刀翼位置，再確定與該刀翼相應的分支噴管位置，其中心軸線與鑽頭中心軸線相交，自該交點A做另外一分支噴管的軸線，該軸線由該噴管的設計傾角Θ和點A共同確定，再根據該中心軸線確定噴管位置。用本發明方法設計的噴管結構的特點是泥漿的通過噴管射流後，系統能消除產生的扭矩和射流對鑽頭產生的橫向作用力，能保證鑽頭在鑽進過程中的穩定性和井眼的不偏移。
文檔編號E21B10/61GK101117883SQ20071004585
公開日2008年2月6日 申請日期2007年9月12日 優先權日2007年9月12日
發明者謝翠麗 申請人:上海理工大學