專利名稱：改變pdc鉆頭排屑槽形狀的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于石油鉆井業(yè)的一種新型鉆具中，改變PDC鉆頭排屑槽形狀的方法。
背景技術(shù)：
PDC鉆頭(Polycrystalline Diamond Compact Bit)使用聚晶金剛石復(fù)合片作為切削元件，以切削方式破巖，具有很好的綜合經(jīng)濟(jì)性能，是石油鉆井業(yè)的一種新型鉆具。不過，在實際使用中仍然存在PDC鉆頭的空蝕、PDC齒的磨損、掉齒、斷裂和鉆頭泥包等問題，嚴(yán)重降低了造價昂貴的PDC鉆頭的使用壽命。除鉆井參數(shù)選擇不當(dāng)和地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜外，PDC鉆頭水力性能不理想是造成鉆頭破壞的一個重要原因。而且與其他鉆頭相比，PDC鉆頭的水力性能尤為重要，原因有兩點(1)聚晶金剛石復(fù)合片的熱穩(wěn)定性差，當(dāng)鉆頭溫度T≥350°時鉆頭的磨損速度迅速增加。而鉆頭不斷鉆進(jìn)的過程中產(chǎn)生大量的摩擦熱使PDC齒溫度升高，因此，如果鉆井液在鉆頭表面的流動組織不合理就不能起到充分冷卻和潤滑PDC齒的作用，使切削齒磨損加快。(2)PDC鉆頭的機械鉆速快，每時每刻有大量的巖屑產(chǎn)生，鉆井液的流動要能及時把這些巖屑攜離鉆頭表面，并運至環(huán)空地帶。否則容易形成泥包、產(chǎn)生重復(fù)切削，使機械鉆速下降。綜上所述，為提高機械鉆速和延長鉆頭使用壽命就要盡可能改善PDC鉆頭的水力性能。毫無疑問，改善鉆頭水力性能最有效的途徑就是優(yōu)化鉆頭水力系統(tǒng)的設(shè)計。PDC鉆頭水力系統(tǒng)主要包括噴嘴和排屑槽，其作用是清除井底巖屑、清洗、冷卻以及PDC齒。目前，關(guān)于PDC鉆頭水力系統(tǒng)性能與設(shè)計的研究也不少，但是主要集中在噴嘴設(shè)計和水力參數(shù)選擇兩個方面，如噴嘴的形狀、噴嘴的安裝位置、鉆井液噴射速度、鉆井液排量等等；關(guān)于排屑槽的設(shè)計研究比較少。PDC鉆頭的排屑槽可分為兩部分冠部排屑槽和保徑段排屑槽。冠部排屑槽的形狀由筋板和鉆頭冠部的形狀共同確定，然后根據(jù)冠部排屑槽結(jié)束處截面形狀在鉆頭保徑段上平行于鉆頭轉(zhuǎn)軸延伸就形成了保徑段排屑槽?，F(xiàn)已有的PDC鉆頭的保徑段排屑槽都是這種平直的形狀，沒有考慮鉆頭旋轉(zhuǎn)后對井下流動的影響，毫無疑問，將影響其排屑功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了提高機械鉆速和延長鉆頭使用壽命，改善PDC鉆頭的水力性能，提供改變PDC鉆頭排屑槽形狀的方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣來實現(xiàn)的，保持冠部排屑槽的形狀不變的情況下，改變PDC鉆頭保徑段排屑槽的形狀，使平行于鉆頭轉(zhuǎn)軸的保徑段排屑槽成一個傾斜的新保徑段排屑槽，其方法步驟如下1、確定鉆頭主筋板布齒面的形狀曲線在冠部排屑槽結(jié)束M點處的坐標(biāo)(x0，y0，z0)及原保徑段排屑槽邊線MN’；2、根據(jù)鉆頭轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向及射流條件估算待定新保徑段排屑槽邊線MN與原保徑段排屑槽邊線MN’的傾斜角α值，然后按曲線方程xp＝x0+R×sinθyp＝y(tǒng)0+R×cosθzp＝z0-R×θ÷tgα計算新保徑段排屑槽邊線MN的坐標(biāo)；3、根據(jù)槽寬度，確定新保徑段排屑槽另一邊線AB；由兩條平行的邊線MN和AB確定一個傾斜的排屑槽道；4、根據(jù)鉆頭排屑槽的個數(shù)，將上述確定的排屑槽道在圓柱形的保徑段上平形復(fù)制成傾斜的新保徑段排屑槽；5、利用流場計算軟件NUMECA對改型后的鉆頭進(jìn)行性能計算，根據(jù)計算得到的流速分布修正預(yù)估的傾角α，然后根據(jù)修正的傾角，依照步驟(2)、(3)和(4)確定新排屑槽的最終形狀。
本發(fā)明按照上述方案對PDC鉆頭排屑槽形狀進(jìn)行改變，可以提高鉆頭排屑槽排出巖屑和清洗井底的能力，有利于提高PDC鉆頭的機械鉆速與使用壽命。


圖1為PDC鉆頭主視圖；圖2為PDC鉆頭俯視圖；
圖3為確定新保徑段排屑槽邊線用的PDC鉆頭主視圖。
具體實施例方式
由圖1、圖2所示，1為保持冠部排屑槽，2為原保徑段排屑槽，3為主筋板，4為切削齒，5為噴嘴，6為布齒面，7為副筋板。保持冠部排屑槽1的形狀不變，使平行于鉆頭轉(zhuǎn)軸的保徑段排屑槽成一個傾斜的新保徑段排屑槽，其方法具體實施步驟如下1、確定鉆頭主筋板3、布齒面6的形狀曲線在冠部排屑槽1結(jié)束M點處的坐標(biāo)(x0，y0，z0)及原保徑段排屑槽2邊線MN’，由見圖1和圖2，其中，坐標(biāo)系的原點o取在鉆頭旋轉(zhuǎn)軸上，oz軸與鉆頭旋轉(zhuǎn)軸重合，從M點出發(fā)的原保徑段排屑槽邊線是一條位于半徑為R的圓柱面上且平行鉆頭轉(zhuǎn)軸的直線，即圖3中的MN’，其中，R為鉆頭保徑段的半徑；2、根據(jù)鉆頭轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向及射流條件估算待定新保徑段排屑槽邊線MN與原保徑段排屑槽邊線MN’的傾斜角α值，由圖3、圖4所示，然后按曲線方程xp＝x0+R×sinθyp＝y(tǒng)0+R×cosθzp＝z0-R×θ÷tgα計算新保徑段排屑槽邊線MN的坐標(biāo)，由圖2所示，(xp，yp，zp)是MN上任一點P的坐標(biāo)，θ是oP在oxy平面上的投影與oM的夾角。
3、由圖3所示，在確定了新保徑段排屑槽邊線MN的形狀后，根據(jù)排屑槽的寬度在半徑為R的圓柱面上沿鉆頭旋轉(zhuǎn)方向平行移動MN形成另一條邊線AB，兩條平行的邊線MN和AB共同規(guī)定一個傾斜的排屑槽道。
4、根據(jù)鉆頭排屑槽的個數(shù)，將上述確定的排屑槽道在圓柱形的保徑段上平形復(fù)制成傾斜的新保徑段排屑槽。
5、利用流場計算軟件NUMECA對改型后的鉆頭進(jìn)行性能計算，根據(jù)計算得到的流速分布修正預(yù)估的傾角α，然后根據(jù)修正傾角依照步驟(2)、(3)和(4)確定新排屑槽的最終形狀。
權(quán)利要求
1.種改變PDC鉆頭排屑槽形狀的方法，其特征在于，方法步驟為(1)確定鉆頭主筋板布齒面的形狀曲線在冠部排屑槽結(jié)束M點處的坐標(biāo)(x0，y0，z0)及原保徑段排屑槽邊線MN’；(2)根據(jù)鉆頭轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向及射流條件估算待定新保徑段排屑槽邊線MN與原保徑段排屑槽邊線MN’的傾斜角α值，然后按曲線方程xp＝x0+R×sinθyp＝y(tǒng)0+R×cosθzp＝z0-R×θ÷tgα計算新保徑段排屑槽邊線MN的坐標(biāo)；(3)根據(jù)槽寬度，確定新保徑段排屑槽另一邊線AB；由兩條平行的邊線MN和AB確定一個傾斜的排屑槽道；(4)根據(jù)鉆頭排屑槽的個數(shù)，將上述確定的排屑槽道在圓柱形的保徑段上平形復(fù)制成傾斜的新保徑段排屑槽；(5)利用流場計算軟件NUMECA對改型后的鉆頭進(jìn)行性能計算，根據(jù)計算得到的流速分布修正預(yù)估的傾角α，然后根據(jù)修正傾角依照步驟(2)、(3)和(4)確定新排屑槽的最終形狀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種改變PDC鉆頭排屑槽形狀的方法，其步驟為確定鉆頭主筋板布齒面的形狀曲線在冠部排屑槽結(jié)束M點處的坐標(biāo)及原保徑段排屑槽邊線MN’；估算新老保徑段排屑槽邊線MN與MN’的傾斜角α值，然后按曲線方程，計算MN的坐標(biāo)；確定新保徑段排屑槽另一邊線AB；由MN和AB確定一個傾斜的排屑槽道；在保徑段上平形復(fù)制成傾斜的新保徑段排屑槽；修正傾角α，確定新排屑槽的最終形狀。本發(fā)明優(yōu)點是提高鉆頭排屑槽排出巖屑和清洗井底的能力，有利于提高PDC鉆頭的機械鉆速與使用壽命。
文檔編號E21B10/50GK1502784SQ0214549
公開日2004年6月9日 申請日期2002年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月20日
發(fā)明者陳康民 申請人:上海理工大學(xué)