一种锥形PDC齿结构优选方法及装置与流程

表示所述锥顶泊松比；e2表示所述锥顶弹性模量。
15.根据本发明的一个实施例，所述施工参数包含：强度系数以及单个切削齿所承受的钻压，所述强度系数的取值标准为确保切削齿吃入地层。
16.根据本发明的一个实施例，所述钻头参数包含：钻头冠部安装锥型齿位置处的曲率半径。
17.根据本发明的一个实施例，所述锥顶半径计算模型包含以下公式：
[0018][0019]
其中，r2表示所述锥顶半径；k表示所述强度系数；p表示地层真实地应力下抗压强度；f表示所述单个切削齿所承受的钻压；e表示所述接触刚度；r表示所述钻头冠部安装锥型齿位置处的曲率半径。
[0020]
根据本发明的一个实施例，所述方法还包含：
[0021]
s3、基于所述锥顶半径计算模型，分析锥顶半径随岩石抗压强度的变化规律，以指导不同地层条件下的锥顶半径优选方案。
[0022]
根据本发明的另一个方面，还提供了一种存储介质，其包含用于执行如上任一项所述的方法步骤的一系列指令。
[0023]
根据本发明的另一个方面，还提供了一种锥形pdc齿结构优选装置，执行如上任一项所述的一种锥形pdc齿结构优选方法，所述装置包含：
[0024]
接触刚度模块，其用于基于地层参数以及锥形pdc齿的锥顶参数，建立接触刚度计算模型，以计算得到接触刚度；
[0025]
锥顶半径模块，其用于基于所述地层参数、施工参数、钻头参数以及所述接触刚度，建立锥顶半径计算模型，以计算得到锥顶半径。
[0026]
本发明提供的一种锥形pdc齿结构优选方法及装置包含以下有益效果：可以为锥形pdc齿的优选提供科学的指导，能够结合地层情况优选合适的锥型齿结构，可避免因结构不合适导致锥形pdc齿在硬地层无法吃入，在塑性地层吃入太深。通过该方法优选锥形pdc齿，有望能够提高带锥形pdc齿钻头在极硬地层的机械钻速和延长钻头使用寿命。
[0027]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0028]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0029]
图1显示了根据本发明的一个实施例的一种锥形pdc齿结构优选方法流程图；
[0030]
图2显示了根据本发明的一个实施例的锥形pdc齿结构图；
[0031]
图3显示了根据本发明的一个实施例的锥顶半径随岩石抗压强度变化规律图；以及
[0032]
图4显示了根据本发明的一个实施例的一种锥形pdc齿结构优选装置结构框图。
具体实施方式
[0033]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。
[0034]
现有技术(cn201910974754x)提供了一种锥形齿pdc钻头设计方法，其主要是通过室内实验获取岩石的可钻性以及根据钻井设计要求确定钻井条件，再根据岩石可钻性确定钻头刀翼数量和切削齿直径，然后根据钻井条件确定钻头直径，最后根据岩石可钻性与钻头结构参数确定锥形齿与pdc齿的高度差。但现有技术(cn201910974754x)并未对锥形pdc齿锥顶半径这一参数进行优选。
[0035]
现有技术(旋切式pdc钻头切削结构设计研究石油机械，2020(7):42-48.)通过实验和仿真模拟的方法研究切削参数对切削效率的影响。通过单齿破岩试验确定了在不同切削条件下，锥形齿的最佳切削角度为20
°
；切削力和轴向力会随着切削深度的增大而变大；锥形齿的破岩速度会影响其切削力和轴向力。但现有技术(旋切式pdc钻头切削结构设计研究石油机械，2020(7):42-48.)并未对锥形pdc齿锥顶半径这一参数进行优选。
[0036]
针对上述现有技术存在的缺陷以及硬地层使用锥型齿钻头时缺乏科学的优选方法来指导锥型齿选型，主要依赖工程师经验的难题，本发明提出了一种锥形pdc齿结构优选方法及装置。本发明综合考虑了地层和锥型齿结构特征，既能够保证锥型齿能够有效吃入地层，又兼顾确保锥型齿寿命，能够弥补当前锥型齿优选存在的不足，提高锥型齿钻头的机械钻速和寿命。
[0037]
图1显示了根据本发明的一个实施例的一种锥形pdc齿结构优选方法流程图。
[0038]
如图1所示，在步骤s101中，基于地层参数以及锥形pdc齿的锥顶参数，建立接触刚度计算模型，以计算得到接触刚度。
[0039]
在一个实施例中，地层参数包含：地层真实地应力下抗压强度、地层泊松比以及地层弹性模量。进一步地，地层真实地应力下抗压强度通过室内实验模拟或测井解释获取。具体来说，地层参数由待钻区域的地层环境决定，能够反映地层的实际情况。
[0040]
在一个实施例中，锥顶参数包含：锥顶泊松比以及锥顶弹性模量。具体来说，锥顶参数由锥顶采用的材料决定，能够反映锥顶的实际情况。在一个实施例中，如图2所示，采用聚晶金刚石层作为锥顶。
[0041]
在一个实施例中，接触刚度计算模型包含以下公式：
[0042][0043]
其中，e表示接触刚度；v1表示地层泊松比；e1表示地层弹性模量；v2表示锥顶泊松比；e2表示锥顶弹性模量。
[0044]
如图1所示，在步骤s102中，基于地层参数、施工参数、钻头参数以及接触刚度，建立锥顶半径计算模型，以计算得到锥顶半径。
[0045]
在一个实施例中，施工参数包含：强度系数以及单个切削齿所承受的钻压，强度系数的取值标准为确保切削齿吃入地层。
[0046]
在一个实施例中，钻头参数包含：钻头冠部安装锥型齿位置处的曲率半径。
[0047]
在一个实施例中，锥顶半径计算模型包含以下公式：
[0048][0049]
其中，r2表示锥顶半径；k表示强度系数；p表示地层真实地应力下抗压强度；f表示单个切削齿所承受的钻压；e表示接触刚度；r表示钻头冠部安装锥型齿位置处的曲率半径。
[0050]
本发明提供的锥顶半径计算模型联合锥型齿参数以及地层参数，能够确定合适的锥顶的半径。
[0051]
如图1所示，在步骤s103中，基于锥顶半径计算模型，分析锥顶半径随岩石抗压强度的变化规律，以指导不同地层条件下的锥顶半径优选方案。
[0052]
在一个实施例中，步骤a、基于锥顶半径计算模型，绘制锥顶半径与岩石抗压强度的散点图；步骤b、基于散点图进行数据拟合，得到锥顶半径随岩石抗压强度的变化规律关系式。
[0053]
实际应用中，在进行锥形pdc齿设计时，可以基于锥顶半径随岩石抗压强度的变化规律关系式，首先确定适合当前待钻区域的锥顶半径，然后结合钻头的整体设计内容，完成钻头其他参数设计，以设计出符合当前待钻区域的高效破岩钻头。
[0054]
另外，实际应用中，在进行锥形pdc齿优选时，可以基于锥顶半径随岩石抗压强度的变化规律关系式，确定适合当前待钻区域的锥顶半径，然后结合其他参数，完成锥形pdc齿的优选，以选择出符合当前待钻区域的高效破岩钻头。
[0055]
本发明针对目前锥型齿在超硬地层破岩效果优异，但是在锥型齿结构设计，尤其是确定锥顶半径这一关键参数上缺乏科学计算方法的现状，提供了一种锥形pdc齿结构优选方法，利用所建立的联合锥型齿和地层参数的锥顶半径计算模型，能够确定合适的锥顶半径。
[0056]
本发明有助于提高锥型齿钻头结构设计的科学性，提升钻头使用效果，延长锥型齿钻头使用寿命。本发明提供了一种科学的锥形pdc齿优选方法，相对于当前工艺，可以进一步提高带锥形pdc齿钻头钻进效率。
[0057]
图2显示了根据本发明的一个实施例的锥形pdc齿结构图。如图2所示，锥形pdc齿包含聚晶金刚石层1以及硬质基体2。如图2所示，h表示锥形高度，d表示圆柱部分直径，h表示圆柱部分高度，α表示锥形角度。
[0058]
具体来说，锥顶参数由锥顶的材质决定，图2示出的是以聚晶金刚石层为材料的锥顶，在依据接触刚度计算模型计算接触刚度时，需要使用聚晶金刚石层的泊松比以及弹性模量。
[0059]
图3显示了根据本发明的一个实施例的锥顶半径随岩石抗压强度变化规律图。
[0060]
在一个实施例中，基于须家河超硬地层特征，使用本发明提供的一种锥形pdc齿结构优选方法计算所需锥形齿最大锥顶半径。具体实现方法如下：
[0061]
步骤一：确定须家河的地层参数，设定地层真实地应力下抗压强度p在100～500mpa范围内变化、地层泊松比v1为0.15，地层弹性模量e1为60gpa；
[0062]
步骤二：确定锥形pdc齿的锥顶参数，聚晶金刚石泊松比为v2为10.075，弹性模量e2为850gpa；
[0063]
步骤三：单齿钻压f为8000n，安装锥形齿位置处钻头曲率半径r为0.4m；
[0064]
步骤四：依据接触刚度计算模型，计算得到接触刚度e的值为102.3
×
106，岩石强度系数k为2；
[0065]
步骤五：按照锥顶半径计算模型计算出锥顶半径，之后统计锥顶半径随岩石抗压强度变化规律，如图3所示，岩石抗压强度越高锥顶半径越小，锥形齿吃入地层能力越强。在锥形pdc齿结构设计以及优选过程中，依据上述变化规律就可以选定合适的锥顶半径。
[0066]
本发明提供的一种锥形pdc齿结构优选方法及装置还可以配合一种计算机可读取的存储介质，存储介质上存储有计算机程序，执行计算机程序以运行一种锥形pdc齿结构优选方法。计算机程序能够运行计算机指令，计算机指令包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。
[0067]
计算机可读取的存储介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
[0068]
需要说明的是，计算机可读取的存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读取的存储介质不包括电载波信号和电信信号。
[0069]
图4显示了根据本发明的一个实施例的一种锥形pdc齿结构优选装置结构框图。
[0070]
如图4所示，一种锥形pdc齿结构优选装置400包含接触刚度模块401以及锥顶半径模块402。
[0071]
接触刚度模块401用于基于地层参数以及锥形pdc齿的锥顶参数，建立接触刚度计算模型，以计算得到接触刚度。锥顶半径模块402用于基于地层参数、施工参数、钻头参数以及接触刚度，建立锥顶半径计算模型，以计算得到锥顶半径。
[0072]
在一个实施例中，一种锥形pdc齿结构优选装置400还包含优选模块403。优选模块403基于锥顶半径计算模型，分析锥顶半径随岩石抗压强度的变化规律，以指导不同地层条件下的锥顶半径优选方案。
[0073]
综上，本发明提供一种锥形pdc齿结构优选方法及装置包含以下有益效果：可以为锥形pdc齿的优选提供科学的指导，能够结合地层情况优选合适的锥型齿结构，可避免因结构不合适导致锥形pdc齿在硬地层无法吃入，在塑性地层吃入太深。通过该方法优选锥形pdc齿，有望能够提高带锥形pdc齿钻头在极硬地层的机械钻速和延长钻头使用寿命。
[0074]
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
[0075]
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；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0076]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连
接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0077]
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
[0078]
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
[0079]
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。