一种环槽式PDC钻头设计方法

一种环槽式pdc钻头设计方法
技术领域
1.本发明涉及一种环槽式pdc钻头设计方法，属于油气井钻井工具、破岩工具的设计学领域。


背景技术：

2.pdc钻头依靠高硬度、耐磨、自锐的聚晶金刚石复合片（简称pdc齿或切削齿）作为切削元件来剪切和破碎岩石。pdc钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，因此其在油气井的钻井中得到广泛使用。在油气钻井工程中，地层的地质条件往往很复杂，深部地层的泥页岩和泥质砂岩等在上覆地层压力以及高密度钻井液条件下，不仅密度和硬度增加，而且从常压下的脆性岩石向塑脆性岩石或塑性岩石转化，加之深部井段的水力能量严重不足，不能有效发挥水力辅助破岩作用，钻头的破岩效率相当低。
3.假设钻头上有一个通过钻头轴线和钻头上某一点的剖切平面（称之为过该点的轴线平面或轴面）。当钻头在钻进速度为零的条件下绕自身轴线旋转时，切削元件的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为切削元件的轴面轮廓线，将所有切削元件的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图，在井底覆盖图中，可以做一条与所有切削单元的轴面轮廓线相切的包络曲线，被称为钻头切削轮廓线，钻头切削轮廓线反映了钻头钻出的井底的基本形状特征。钻头本体轮廓线是井底覆盖图中反映钻头本体的位置曲线，其是金刚石钻头的一条重要特征曲线。值得说明一点是钻头刀翼本体轮廓线与刀翼切削轮廓线就不应该包含钻头保径部分，这是由刀翼切削轮廓线与本体轮廓线定义中得到的，钻头中主切削齿一般是指具有纵向切削能力的切削元件，而保径部分的保径齿是不具备纵向切削能力，所以主切削是不包含保径齿的，这样刀翼的切削轮廓线与本体轮廓线就应该从钻头中心开始，在规径齿结束。钻头布齿面是指以钻头轴线为旋转中心，钻头本体轮廓线为旋转半径旋转一周后与钻头本体相交而成的曲面。
4.环槽式pdc钻头作为一种新型pdc钻头，在现场应用中已经初步证明环槽式pdc钻头在井底会形成一个或多个环形凸起岩脊，岩脊支撑强度大大降低，有利于形成大尺寸的岩屑，钻井现场能够通过大尺寸岩屑来判断地质分层，降低钻头的破岩能耗，提高钻头破岩效率，同时，凸起岩脊能抑制钻头的横向振动，降低切削齿的冲击失效，提升钻头的钻进稳定性，但对于环槽钻头环槽结构的设计完全是凭借设计者的经验来完成设计的，为进一步提升环槽式pdc钻头的各项性能，拓宽钻头的应用领域，提出出一种环槽式pdc钻头设计方法显得尤为重要。


技术实现要素：

5.为了解决现有环槽pdc钻头环槽结构的设计仅仅依靠经验去设计，而提出一种环槽式pdc钻头设计方法，先通过室内实验获取岩石的抗压强度、塑性系数，再根据钻井工艺确定钻头直径，然后根据钻头直径确定环槽数量，继而根据岩石抗压强度来确定环槽的宽度及高度，最后根据岩石的塑性系数值确定环槽的径向位置。本发明将室内实验、分类讨论
以及数字计算相结合的方式来设计钻头环槽结构参数，计算精度高，为环槽式pdc钻头的个性化设计提供理论支撑，从而提高环槽式pdc钻头适用范围。
6.本发明通过下列技术方案来实现：一种环槽式pdc钻头设计方法，钻头上具有至少一个围绕钻头中心的环形空白带，且在环形空白带位置的刀翼向内凹，形成周向贯通的环槽，其特征在于：环槽式pdc钻头设计方法包括以下步骤：通过室内实验得出岩石的抗压强度σc，单位为mpa，岩石塑性系数k
p
，无量纲;根据钻井工艺要求确定钻头的直径db，单位为mm；根据钻头直径db，按照公式（1）求出钻头环槽数量g，单位为个；
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（1）上式中所述g表示钻头的环槽数量，单位为个；db为钻头直径，单位为mm；根据岩石抗压强度σc，按照公式（2）和（3）求出环槽的宽度w，单位为mm,高度h，单位为mm；
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（3）上式中所述σc表示岩石的抗压强度，单位为mpa；w为环槽的宽度，单位为mm；h为环槽的高度，单位为mm；根据根据岩石的塑性系数k
p
，按照公式（4）确定环槽的径向位置pi,单位为mm;
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（4）上式中所述k
p
表示岩石的塑性系数，无量纲; db为钻头的直径，单位为mm；pi为第i个环槽的径向位置，单位为mm；i表示钻头的环槽数量序号，无量纲。
7.发明的有益效果：本发明所述环槽式pdc钻头设计方法，通过对环槽结构与钻头破岩效率、稳定性进行深入研究，通过室内实验获取岩石的抗压强度、塑性系数，再根据钻井工艺确定钻头直径，然后根据钻头直径确定环槽数量，继而根据岩石抗压强度来确定环槽的宽度及高度，最后根据岩石的塑性系数值确定环槽的径向位置，建立相关计算公式，让环槽结构参数为环槽钻头综合性能最好的参数，从而提升钻头的破岩效率，为环槽式pdc钻头的个性化设计提供理论支撑，从而提高环槽式pdc钻头适用范围。
附图说明
8.图1为环槽式pdc钻头示意图与设计方法示意图；图2为钻头环槽结构参数示意图；图3为环槽钻头的布齿示意图；
1-钻头，2-刀翼，3-环槽，4
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pdc齿，5-环槽齿，6-喷嘴或水孔，7-岩脊，8-本体轮廓线。
具体实施方式
9.下面将结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案做详细说明，一种环槽式pdc钻头设计方法，钻头上具有至少一个围绕钻头中心的环形空白带，且在环形空白带位置的刀翼向内凹，形成周向贯通的环槽，如图1、2、3所示，其特征在于：环槽式pdc钻头设计方法包括以下步骤：通过室内实验得出岩石的抗压强度σc，单位为mpa，岩石塑性系数k
p
，无量纲;根据钻井工艺要求确定钻头的直径db，单位为mm；根据钻头直径db，按照公式（1）求出钻头环槽数量g，单位为个；
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（1）上式中所述g表示钻头的环槽数量，单位为个；db为钻头直径，单位为mm；根据岩石抗压强度σc，按照公式（2）和（3）求出环槽的宽度w，单位为mm,高度h，单位为mm；
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（3）上式中所述σc表示岩石的抗压强度，单位为mpa；w为环槽的宽度，单位为mm；h为环槽的高度，单位为mm；根据根据岩石的塑性系数k
p
，按照公式（4）确定环槽的径向位置pi,单位为mm;
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（4）上式中所述k
p
表示岩石的塑性系数，无量纲; db为钻头的直径，单位为mm；pi为第i个环槽的径向位置，单位为mm；i表示钻头的环槽数量序号，无量纲。
10.已知所钻岩石的抗压强度σc为100mpa，岩石的塑性系数k
p
为5，根据钻井工艺得知钻头直径db为215.9mm,根据上述公式得该钻头的环槽数量g为2个，环槽的宽度w为12.68mm,高度h为15.32mm，第一个环槽的径向位置p1为26.98mm，第二个环槽径向位置p2为53.97mm。
11.以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。