PDC鉆頭設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

PDC鉆頭設(shè)計(jì)基礎(chǔ)PDC鉆頭設(shè)計(jì)基礎(chǔ)PDC鉆頭設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理解鉆頭剖面結(jié)構(gòu)剖面結(jié)構(gòu)對(duì)鉆頭性能的影響后倒角特點(diǎn)力平衡設(shè)計(jì)切削結(jié)構(gòu)特點(diǎn)新的設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用-IDEAS內(nèi)容通過閱讀報(bào)刊，我們能增長見識(shí)，擴(kuò)大自己的知識(shí)面。PDC鉆頭設(shè)計(jì)基礎(chǔ)PDC鉆頭設(shè)計(jì)基礎(chǔ)PDC鉆頭設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理解鉆1理解鉆頭剖面結(jié)構(gòu)剖面結(jié)構(gòu)對(duì)鉆頭性能的影響后倒角特點(diǎn)力平衡設(shè)計(jì)切削結(jié)構(gòu)特點(diǎn)新的設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用-IDEAS內(nèi)容理解鉆頭剖面結(jié)構(gòu)內(nèi)容2鉆頭剖面鉆頭剖面直接影響到以下性能:鉆頭穩(wěn)定性鉆頭導(dǎo)向性布齒密度鉆頭壽命ROP清洗和冷卻效果注：鉆頭的剖面設(shè)計(jì)必須與鉆井環(huán)境需要相匹配鉆頭剖面鉆頭剖面直接影響到以下性能:3鉆頭剖面結(jié)構(gòu)組成

鉆頭剖面包括:頂點(diǎn)錐形面鼻部肩部外徑弧面保徑部分頂點(diǎn)錐形面鼻部保徑部分外徑弧面肩部鉆頭剖面結(jié)構(gòu)組成鉆頭剖面包括:頂點(diǎn)錐形面鼻部保徑部分外徑弧4錐面角頂點(diǎn)–鉆頭的幾何中心點(diǎn)錐面

–

通常用角度來表示特點(diǎn)：深錐面(~90°)淺錐面(~150°)錐面角頂點(diǎn)–鉆頭的幾何中心點(diǎn)5深錐面特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：較高的穩(wěn)定性中心區(qū)域的金剛石覆蓋率大不足之處：導(dǎo)向性不好；清洗效果不好；攻擊能力低。深錐面特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：6淺錐面特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)向性強(qiáng)；清洗效果好；攻擊性強(qiáng)。不足之處：穩(wěn)定性差；金剛石覆蓋率低。淺錐面特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：7鼻部位置定義

鼻部定義LR鼻部位置定義鼻部定義LR8鼻部曲面特點(diǎn)大曲面(R)：通過大的表面面積來達(dá)到很好的抗沖擊能力，適合在硬且夾層多的地層中使用。小或稱尖曲面(r)：可在切削片上形成較高的點(diǎn)式?jīng)_擊，適合于軟且均質(zhì)性好的地層。得到較高的ROP.Rr鼻部曲面特點(diǎn)大曲面(R)：通過大的表面面積來達(dá)到很好的抗9鼻部與中心距離的關(guān)系鼻部與中心距離小可提供給肩部更大的表面面積和布齒密度，適合軟但是研磨性強(qiáng)的地層鼻部與保徑部位距離近可給鉆頭冠部提供更大冠面面積從而得到更好的沖擊能力，

適合比較硬的地層LL鼻部與中心距離的關(guān)系鼻部與中心距離小可提供給肩部更大的表面面10肩部，外徑曲面和保徑肩部從鼻部外緣線到過渡面的曲面部分。外徑曲面“外徑曲面”保持肩部和保徑部分之間光滑的曲面。保徑有助于鉆頭穩(wěn)定和保持井眼尺寸。肩部，外徑曲面和保徑肩部11鉆頭冠面的類型4種常規(guī)類型：平拋面短拋面中拋面長拋面平拋面常用在較硬且研磨性弱的地層；而長拋面常用在較軟而且研磨性很強(qiáng)的地層。鉆頭冠面的類型4種常規(guī)類型：12平拋面應(yīng)用：硬，非研磨性地層(Ej.:L石灰?guī)r，白云巖)

強(qiáng)力定向作業(yè)鉆頭冠面的類型平拋面應(yīng)用：鉆頭冠面的類型13應(yīng)用：

硬且中等研磨性地層

(Ej.:Calcareoussandstone,limestone,cherts)

典型的定向作業(yè)短拋面鉆頭冠面的類型應(yīng)用：短拋面鉆頭冠面的類型14應(yīng)用:中硬到硬且研磨性強(qiáng)的地層

(i.e.:Sandstone,limestone,hardshales)

轉(zhuǎn)盤或是馬達(dá)鉆井作業(yè)中拋面鉆頭冠面的類型應(yīng)用:中拋面鉆頭冠面的類型15應(yīng)用：

軟且研磨性地層

(i.e.:硅質(zhì)shales,siliciousclays)

適合轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)長拋面鉆頭冠面的類型應(yīng)用：長拋面鉆頭冠面的類型16鉆頭冠面的類型短拋面中拋面平拋面長拋面鉆頭冠面的類型短拋面中拋面平拋面長拋面17后倒角

這個(gè)角度的大小決定了PDC切削片攻擊地層的能力。大后倒角可以提高抗沖擊能力和研磨能力。小后倒角可以提高機(jī)械鉆速。整個(gè)鉆頭上使用的后倒率是不一樣的，這樣可以得到不同的目的，比如ROP和壽命。B.RB.R后倒角這個(gè)角度的大小決定了PDC切削片攻擊地層的能力。B.1810°30°后倒角攻擊性較強(qiáng)，適合于軟地層，可取得很高的機(jī)械鉆速。攻擊性較弱，適合于較硬地層，機(jī)械鉆速低。10°30°后倒角攻擊性較強(qiáng)，適合于軟地層，可取得很高的機(jī)械19典型使用的后倒角

后倒角5°to10°15°20°30°地層硬度特性非常軟的粘土和泥巖。高ROP適合所有地層。最好的應(yīng)用是在軟地層中shale)適合所有地層切削片壽命長最好是用在研磨性的砂巖地層比較硬的地層

典型的應(yīng)用在保徑部位典型使用的后倒角后倒角地層硬206blades/16mmcutters12.25”M616VPX,ER20091BackRake30°15°20°25°后倒角的布置6blades/16mmcuttersBackRa21鉆頭冠面特點(diǎn)切削結(jié)構(gòu)多套切削特點(diǎn)單套切削結(jié)構(gòu)-NewIDEAS2力平衡刀翼分布刀翼和保徑幾何形狀Lo-Vibe(可選)特性特殊切削結(jié)構(gòu)(e.g.:ARCS)穩(wěn)定性特性影響因素介紹鉆頭冠面特點(diǎn)穩(wěn)定性特性影響因素介紹22震動(dòng)可能是由于鉆頭的特征產(chǎn)生的。有些特征是可見的，而有些是不可見的。可見的特征包括：刀翼形狀和布置，保徑形狀，低磨阻塊等；不可見特征包括：力平衡，復(fù)合片性能和結(jié)構(gòu)等。加強(qiáng)穩(wěn)定性特征切削結(jié)構(gòu)震動(dòng)可能是由于鉆頭的特征產(chǎn)生的。加強(qiáng)穩(wěn)定性特征切削結(jié)構(gòu)23定義:通過獨(dú)特的設(shè)計(jì)，來布置PDC復(fù)合片從而達(dá)到預(yù)期的性能和壽命。目標(biāo):通過獨(dú)特的井底覆蓋模式來滿足不同的需求（硬度，研磨性，潛在的震動(dòng)等），達(dá)到用戶滿意。切削結(jié)構(gòu)定義:切削結(jié)構(gòu)24鉆頭的性能和鉆井效率直接受切削齒的布置類型影響。

多種布齒特點(diǎn)可能達(dá)到理想的性能和壽命的目的。重點(diǎn)切削結(jié)構(gòu)鉆頭的性能和鉆井效率直接受切削齒的布置類型影響。重點(diǎn)切削結(jié)25主要有兩種

類型:

單一模式每一條曲面軌跡只對(duì)應(yīng)一顆PDC齒

多元模式每一條曲面軌跡對(duì)應(yīng)著一顆以上的PDC齒切削結(jié)構(gòu)的類型主要有兩種類型:單一模式切削結(jié)構(gòu)的類型26最早期的和最常用的切削齒布置模式。切削齒沿著剖面分布，已達(dá)到完全的覆蓋井底。這種布置結(jié)構(gòu)就是單一模式，是每一顆齒都有獨(dú)自的運(yùn)動(dòng)軌跡。單一模式11111111切削結(jié)構(gòu)最早期的和最常用的切削齒布置模式。單一模式11111111切27SingleSet(NoRedundancy)6bladedbitCLr1123456…..切削結(jié)構(gòu)SingleSet(NoRedundancy)6bl28順時(shí)針旋轉(zhuǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)單一模式布置類型順時(shí)針旋轉(zhuǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)單一模式布置類型29順時(shí)針旋轉(zhuǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)單一模式布置類型順時(shí)針旋轉(zhuǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)單一模式布置類型30順時(shí)針旋轉(zhuǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn).單一模式布置類型順時(shí)針旋轉(zhuǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn).單一模式布置類型31順時(shí)針旋轉(zhuǎn)比逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)類型穩(wěn)定性要差，很難達(dá)到要求的穩(wěn)定性。攻擊性相對(duì)較強(qiáng)。逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)非常好的穩(wěn)定性。攻擊性比順時(shí)針旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)要弱。單一模式布置類型單一模式布置類型32穩(wěn)定性脊高Rh1Rh2Rh1

>Rh2=>

Rh1更穩(wěn)定切削結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性Rh1Rh2Rh1>Rh2=>Rh1更穩(wěn)定切33鉆頭的性能（穩(wěn)定性）和鉆井效率（ROP）都直接的受切削齒布置得影響。在實(shí)際使用中，切削齒的不同的布置方式可能起到鉆頭性能和壽命的最佳效果。多元化切削齒的布置切削結(jié)構(gòu)鉆頭的性能（穩(wěn)定性）和鉆井效率（ROP）都直接的受切削齒布置34所謂多元是指多套的切削齒結(jié)構(gòu)；其中每一套都包含了一系列的切削齒在每一套中的切削齒都有其各自的運(yùn)動(dòng)軌跡PluralSetSingleSet2223357101111111113572468CLGauge1111910切削結(jié)構(gòu)多元化切削齒的布置所謂多元是指多套的切削齒結(jié)構(gòu)；PluralSetSingl35多元化的布置會(huì)形成比單一模式的更明顯的脊結(jié)構(gòu)PluralSetCn=2SingleSetCn=1246813572468切削結(jié)構(gòu)多元化切削齒的布置多元化的布置會(huì)形成比單一模式的更明顯的脊結(jié)構(gòu)PluralS36力平衡

不可見的減小震動(dòng)的特征在各種特定的使用參數(shù)下，電腦模擬PDC齒和巖石的接觸特征。

該程序可計(jì)算力、扭矩、鉆時(shí)和PDC齒磨損情況。

這種程序可概括欠平衡力的大小、方向和相互關(guān)系。切削結(jié)構(gòu)力平衡不可見的減小震動(dòng)的特征切削結(jié)構(gòu)37切削齒的位置由以下因素來確定：

徑向位置

剖面角度

刀翼圓周角

后倒角

側(cè)倒角

切削齒外露高度切削結(jié)構(gòu)力平衡切削齒的位置由以下因素來確定：切削結(jié)構(gòu)力平衡38切削齒的分布和定位徑向位置指鉆頭中心到復(fù)合片面中心點(diǎn)的距離。傾角指復(fù)合片沿著鉆頭剖面方向與鉆頭軸線垂直向的夾角。力平衡切削齒的分布和定位徑向位置力平衡39角位置如圖所示，鉆頭的0°基準(zhǔn)線和通過復(fù)合片面中心線的角度側(cè)倒角指復(fù)合片面部延長線和通過鉆頭中心線的夾角。力平衡角位置力平衡40縱向位置從基準(zhǔn)水平線到復(fù)合片面中心線間的垂直距離。所有的上述數(shù)據(jù)輸入電腦程序，將有助于利用先進(jìn)的軟件來模擬每一顆切削齒與地層的切削模式和受力分析。力平衡縱向位置所有的上述數(shù)據(jù)輸入電腦程序，將有助于利用先進(jìn)的軟件來41基本的復(fù)合片參數(shù)力平衡切削齒序號(hào)徑向位置圓周角齒高剖面角度后倒角側(cè)倒角復(fù)合片尺寸復(fù)合片尺寸刀翼號(hào)基本的復(fù)合片參數(shù)力平衡切削齒序號(hào)徑向位置圓周角齒高剖面角度后42復(fù)合片受力圖Fv=VerticalForce(WOB)Fc=CircumferentialForce(RPM)Fr=RadialForceFn=NormalForce(Resultant)FcFnFvFr.力平衡復(fù)合片受力圖Fv=VerticalForce(WOB43切削的形狀切削地層形成的形狀對(duì)鉆頭的穩(wěn)定性有影響。對(duì)稱切削(理想狀態(tài))沒有偏離的作用力產(chǎn)生(徑向力).非對(duì)稱的切削形狀會(huì)產(chǎn)生使鉆頭產(chǎn)生偏心運(yùn)動(dòng)偏離作用力TotalRadialForce=0Fn1Fn2Fc2Fc1Fr1Fv1FnFv2Fr2力平衡切削的形狀TotalRadialForce=0Fn144非對(duì)稱的切削形狀實(shí)際切削狀態(tài)是非對(duì)稱的切削形狀。結(jié)果就是，偏心作用力迫使鉆頭橫向運(yùn)動(dòng)。Fn2Fc2Fv2Fr2Fn1Fc1Fr1Fv1FnTotalRadialForce≠0力平衡非對(duì)稱的切削形狀Fn2Fc2Fv2Fr2Fn1Fc1Fr1F45欠平衡力隨著鉆頭的工作，鉆壓作用在切削齒上，總扭矩也就通過所有轉(zhuǎn)動(dòng)力（FC)產(chǎn)生了。FcFcFrFrFcFcFrFrrWOBWOBXX力平衡欠平衡力FcFcFrFrFcFcFrFrrWOBWOBXX力46CIF2所有的徑向力和轉(zhuǎn)動(dòng)力累加起來就決定了欠平衡力的大小和方向。兩個(gè)欠平衡力的合力就是總的欠平衡力。RIFTIF2TIFCIF力平衡CIF2所有的徑向力和轉(zhuǎn)動(dòng)力累加起來就決定了欠平衡力的大小和47直刀翼和螺旋刀翼刀翼的形狀和布置對(duì)減少鉆頭震動(dòng)，有一定的影響。螺旋刀翼aiai+1直刀翼刀翼形狀直刀翼和螺旋刀翼螺旋刀翼aiai+1直刀翼刀翼形狀48直刀翼和螺旋刀翼對(duì)于直刀翼來說，切削齒的徑向力完全累加到了保徑上。而螺旋刀翼，僅是部分的徑向力作用在了保徑上，是比直刀翼的影響小的。

Fr1Fr2Fr3Fr4Fr5Fr6Fr1Fr2Fr3Fr4Fr5Fr6SFriSFricosaiSFriSFricosai<刀翼形狀直刀翼和螺旋刀翼Fr1Fr2Fr3Fr4Fr5Fr6Fr49直刀翼和螺旋刀翼(cont.)較低的保徑應(yīng)力減小了鉆頭隨保徑本身轉(zhuǎn)動(dòng)的幾率。同時(shí)，因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的震動(dòng)破壞了也降低到了最小化。刀翼形狀直刀翼和螺旋刀翼(cont.)刀翼形狀50螺旋刀翼減小保徑所受應(yīng)力，最小化震動(dòng)發(fā)生，提高穩(wěn)定性。是保證力平衡的主要結(jié)構(gòu)。刀翼形狀螺旋刀翼減小保徑所受應(yīng)力，最小化震動(dòng)發(fā)生，提高穩(wěn)定性。刀翼形51對(duì)稱與非對(duì)稱對(duì)稱刀翼是指在相鄰的兩個(gè)刀翼之間的角度是相等的。由于是對(duì)稱的，產(chǎn)生的震動(dòng)是重復(fù)的且不斷擴(kuò)大Rs刀翼布置對(duì)稱與非對(duì)稱Rs刀翼布置52對(duì)稱與非對(duì)稱非對(duì)稱刀翼，通常是相鄰的兩個(gè)刀翼間的所夾的角度是不同的。和聲被打破，兩個(gè)信號(hào)之間的間隔時(shí)間是最大的。Ru刀翼布置對(duì)稱與非對(duì)稱Ru刀翼布置53“Lo-Vibe”(可選)限制吃入深度，提高穩(wěn)定性。(DOC)ROP=DOCxRPM

DOC=ROP/RPMCutterLo-VibedmaxDOCLo-Vibe“Lo-Vibe”(可選)ROP=DOCxRPMC541)地層的特性與鉆頭剖面的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

A.軟且研磨性 1.短拋