专利名称：改变pdc钻头排屑槽形状的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于石油钻井业的一种新型钻具中，改变PDC钻头排屑槽形状的方法。
背景技术：
PDC钻头(Polycrystalline Diamond Compact Bit)使用聚晶金刚石复合片作为切削元件，以切削方式破岩，具有很好的综合经济性能，是石油钻井业的一种新型钻具。不过，在实际使用中仍然存在PDC钻头的空蚀、PDC齿的磨损、掉齿、断裂和钻头泥包等问题，严重降低了造价昂贵的PDC钻头的使用寿命。除钻井参数选择不当和地层结构复杂外，PDC钻头水力性能不理想是造成钻头破坏的一个重要原因。而且与其他钻头相比，PDC钻头的水力性能尤为重要，原因有两点(1)聚晶金刚石复合片的热稳定性差，当钻头温度T≥350°时钻头的磨损速度迅速增加。而钻头不断钻进的过程中产生大量的摩擦热使PDC齿温度升高，因此，如果钻井液在钻头表面的流动组织不合理就不能起到充分冷却和润滑PDC齿的作用，使切削齿磨损加快。(2)PDC钻头的机械钻速快，每时每刻有大量的岩屑产生，钻井液的流动要能及时把这些岩屑携离钻头表面，并运至环空地带。否则容易形成泥包、产生重复切削，使机械钻速下降。综上所述，为提高机械钻速和延长钻头使用寿命就要尽可能改善PDC钻头的水力性能。毫无疑问，改善钻头水力性能最有效的途径就是优化钻头水力系统的设计。PDC钻头水力系统主要包括喷嘴和排屑槽，其作用是清除井底岩屑、清洗、冷却以及PDC齿。目前，关于PDC钻头水力系统性能与设计的研究也不少，但是主要集中在喷嘴设计和水力参数选择两个方面，如喷嘴的形状、喷嘴的安装位置、钻井液喷射速度、钻井液排量等等；关于排屑槽的设计研究比较少。PDC钻头的排屑槽可分为两部分冠部排屑槽和保径段排屑槽。冠部排屑槽的形状由筋板和钻头冠部的形状共同确定，然后根据冠部排屑槽结束处截面形状在钻头保径段上平行于钻头转轴延伸就形成了保径段排屑槽。现已有的PDC钻头的保径段排屑槽都是这种平直的形状，没有考虑钻头旋转后对井下流动的影响，毫无疑问，将影响其排屑功能。
发明内容
本发明目的是为了提高机械钻速和延长钻头使用寿命，改善PDC钻头的水力性能，提供改变PDC钻头排屑槽形状的方法。
本发明的技术方案是这样来实现的，保持冠部排屑槽的形状不变的情况下，改变PDC钻头保径段排屑槽的形状，使平行于钻头转轴的保径段排屑槽成一个倾斜的新保径段排屑槽，其方法步骤如下1、确定钻头主筋板布齿面的形状曲线在冠部排屑槽结束M点处的坐标(x0，y0，z0)及原保径段排屑槽边线MN’；2、根据钻头转速、转向及射流条件估算待定新保径段排屑槽边线MN与原保径段排屑槽边线MN’的倾斜角α值，然后按曲线方程xp＝x0+R×sinθyp＝y0+R×cosθzp＝z0-R×θ÷tgα计算新保径段排屑槽边线MN的坐标；3、根据槽宽度，确定新保径段排屑槽另一边线AB；由两条平行的边线MN和AB确定一个倾斜的排屑槽道；4、根据钻头排屑槽的个数，将上述确定的排屑槽道在圆柱形的保径段上平形复制成倾斜的新保径段排屑槽；5、利用流场计算软件NUMECA对改型后的钻头进行性能计算，根据计算得到的流速分布修正预估的倾角α，然后根据修正的倾角，依照步骤(2)、(3)和(4)确定新排屑槽的最终形状。
本发明按照上述方案对PDC钻头排屑槽形状进行改变，可以提高钻头排屑槽排出岩屑和清洗井底的能力，有利于提高PDC钻头的机械钻速与使用寿命。
图1为PDC钻头主视图；图2为PDC钻头俯视图；
图3为确定新保径段排屑槽边线用的PDC钻头主视图。
具体实施例方式
由图1、图2所示，1为保持冠部排屑槽，2为原保径段排屑槽，3为主筋板，4为切削齿，5为喷嘴，6为布齿面，7为副筋板。保持冠部排屑槽1的形状不变，使平行于钻头转轴的保径段排屑槽成一个倾斜的新保径段排屑槽，其方法具体实施步骤如下1、确定钻头主筋板3、布齿面6的形状曲线在冠部排屑槽1结束M点处的坐标(x0，y0，z0)及原保径段排屑槽2边线MN’，由见图1和图2，其中，坐标系的原点o取在钻头旋转轴上，oz轴与钻头旋转轴重合，从M点出发的原保径段排屑槽边线是一条位于半径为R的圆柱面上且平行钻头转轴的直线，即图3中的MN’，其中，R为钻头保径段的半径；2、根据钻头转速、转向及射流条件估算待定新保径段排屑槽边线MN与原保径段排屑槽边线MN’的倾斜角α值，由图3、图4所示，然后按曲线方程xp＝x0+R×sinθyp＝y0+R×cosθzp＝z0-R×θ÷tgα计算新保径段排屑槽边线MN的坐标，由图2所示，(xp，yp，zp)是MN上任一点P的坐标，θ是oP在oxy平面上的投影与oM的夹角。
3、由图3所示，在确定了新保径段排屑槽边线MN的形状后，根据排屑槽的宽度在半径为R的圆柱面上沿钻头旋转方向平行移动MN形成另一条边线AB，两条平行的边线MN和AB共同规定一个倾斜的排屑槽道。
4、根据钻头排屑槽的个数，将上述确定的排屑槽道在圆柱形的保径段上平形复制成倾斜的新保径段排屑槽。
5、利用流场计算软件NUMECA对改型后的钻头进行性能计算，根据计算得到的流速分布修正预估的倾角α，然后根据修正倾角依照步骤(2)、(3)和(4)确定新排屑槽的最终形状。
权利要求
1.种改变PDC钻头排屑槽形状的方法，其特征在于，方法步骤为(1)确定钻头主筋板布齿面的形状曲线在冠部排屑槽结束M点处的坐标(x0，y0，z0)及原保径段排屑槽边线MN’；(2)根据钻头转速、转向及射流条件估算待定新保径段排屑槽边线MN与原保径段排屑槽边线MN’的倾斜角α值，然后按曲线方程xp＝x0+R×sinθyp＝y0+R×cosθzp＝z0-R×θ÷tgα计算新保径段排屑槽边线MN的坐标；(3)根据槽宽度，确定新保径段排屑槽另一边线AB；由两条平行的边线MN和AB确定一个倾斜的排屑槽道；(4)根据钻头排屑槽的个数，将上述确定的排屑槽道在圆柱形的保径段上平形复制成倾斜的新保径段排屑槽；(5)利用流场计算软件NUMECA对改型后的钻头进行性能计算，根据计算得到的流速分布修正预估的倾角α，然后根据修正倾角依照步骤(2)、(3)和(4)确定新排屑槽的最终形状。
全文摘要
本发明涉及一种改变PDC钻头排屑槽形状的方法，其步骤为确定钻头主筋板布齿面的形状曲线在冠部排屑槽结束M点处的坐标及原保径段排屑槽边线MN’；估算新老保径段排屑槽边线MN与MN’的倾斜角α值，然后按曲线方程，计算MN的坐标；确定新保径段排屑槽另一边线AB；由MN和AB确定一个倾斜的排屑槽道；在保径段上平形复制成倾斜的新保径段排屑槽；修正倾角α，确定新排屑槽的最终形状。本发明优点是提高钻头排屑槽排出岩屑和清洗井底的能力，有利于提高PDC钻头的机械钻速与使用寿命。
文档编号E21B10/50GK1502784SQ0214549
公开日2004年6月9日 申请日期2002年11月20日 优先权日2002年11月20日
发明者陈康民 申请人:上海理工大学