專利名稱：一種pdc鉆頭內部噴管結構的設計方法
專利說明一種PDC鉆頭內部噴管結構的設計方法 技述領域 本發(fā)明涉及一種用于石油鉆井業(yè)的一種新型PDC鉆頭內部噴管結構的設計方法。
背景技術：
PDC鉆頭(Polycrystalline Diamond Compact Bit)使用聚晶金剛石復合片作為切削元件，以切削方式破巖，具有很好的綜合經(jīng)濟性能，是石油鉆井業(yè)的一種實用鉆具。PDC鉆頭在世界范圍內得到了普遍應用。在均質的中到軟地層中PDC鉆頭具有破巖效率高、鉆速快、進尺多、壽命長等優(yōu)點。但是，在研究開發(fā)與使用過程中，PDC鉆頭仍然存在PDC鉆頭齒的磨損、掉齒、斷裂和鉆頭泥包等問題，嚴重降低了造價昂貴的PDC鉆頭的使用壽命。人們發(fā)現(xiàn)這些損壞主要是由于鉆頭不能在井下穩(wěn)定地工作而造成的。
PDC鉆頭的不穩(wěn)定性在實際使用除鉆井參數(shù)選擇不當和地層結構復雜外，PDC鉆頭水力設計不合理是造成鉆頭不穩(wěn)定行而出現(xiàn)破壞的一個重要原因，現(xiàn)已有的PDC鉆頭穩(wěn)定性設計中都考慮的只是機械設計因素，沒有考慮泥漿射流將對鉆頭產生作用力和力矩而對鉆頭穩(wěn)定性產生的影響，毫無疑問，根據(jù)流體力學理論，考慮水力射流影響將有利于保持鉆頭穩(wěn)定和鉆頭不偏離井眼中心的功能。而這涉及到鉆頭內部射流噴管的結構設計和布置。如圖2所示，PDC鉆頭外部包括流道3，刀翼4，和噴管5。鉆頭內部包括用于泥漿射流的分支噴管，它們和主噴管相連接。內部噴管結構如圖1剖開部分和圖2所示，它包括主噴管1和幾個分支噴管2。
發(fā)明內容
本發(fā)明目的是為了提高鉆頭穩(wěn)定性，同時防止鉆頭偏離井眼中心產生井斜，從而解決PDC鉆頭使用中存在的齒磨損、掉齒、斷裂等問題，改善PDC鉆頭的穩(wěn)定性，提供有利于鉆頭穩(wěn)定性的鉆頭內部噴管結構的設計方法。
本發(fā)明需要解決的技術問題是從水力學上保持鉆頭在鉆進過程中的鉆頭穩(wěn)定性和鉆頭不偏離井眼中心。
本發(fā)明的技術方案是一種新型PDC鉆頭內部噴管結構的設計方法，其特點是 1.鉆頭水力設計時使刀翼的個數(shù)為偶數(shù)分布，噴管的個數(shù)為偶數(shù)分布；使與相應噴管相連接的鉆頭內部各分支噴管中心軸線通過鉆頭幾何中心軸線oo’，以保證泥漿自噴管射出時施加給鉆頭的作用力能通過鉆頭中心軸線而使得多股射流對鉆頭產生的合力扭矩為零，而保證鉆頭穩(wěn)定性； 2.使各鉆頭流道噴管與對面流道的噴管兩兩處于同一縱向平面內，且兩分支噴管的中心軸線必須相交于鉆頭中心軸線oo’上，便于鉆頭加工又能保證消除射流反作用水平分力產生的扭矩，使鉆頭不偏離設計井眼； 3.在前兩步的原則下，鉆頭水力設計應先根據(jù)鉆頭水平平面圖上鉆頭刀翼位置和鉆井設計要求，確定與該刀翼相應的某一噴管位置，在鉆頭縱剖面圖上將該噴管中心軸線與鉆頭中心軸線相交，交點為A，自該交點A可做其對面流道上的分支噴管的軸線，理論上為無數(shù)條，再由該噴管的設計傾角Θ和點A共同來唯一確定該軸線，再根據(jù)該中心軸線確定鉆頭內部噴管在主管上的位置。其他噴管位置確定方法與此相同。
本發(fā)明的有益效果是和用本發(fā)明方法設計的噴管結構的特點是泥漿通過噴管射流后，鉆頭內部噴管系統(tǒng)能消除由于水力設計不合理而產生的扭矩和射流對鉆頭產生的橫向作用力，從而能保證鉆頭在鉆進過程中的穩(wěn)定性和井眼的不偏移。
圖1為PDC鉆頭內部噴管結構圖； 圖2為PDC鉆頭外部結構示意圖； 圖3為分支噴管在鉆頭表面位置和鉆頭幾何中心軸線位置圖； 圖4為噴管結構的一個縱剖面圖； 圖5為分支噴管位置確定圖。
具體實施例方式 一種PDC鉆頭內部噴管結構的設計方法，PDC鉆頭外部，如圖2所示，包括刀翼4、噴管5和流道3，設計時 1.要使刀翼4的個數(shù)為偶數(shù)分布，噴管5的個數(shù)為偶數(shù)分布。內部噴管結構如圖1剖開部分和圖2所示，它包括主噴管1與主噴管相連接的各分支噴管2，各分支噴管在鉆頭表面位置和鉆頭幾何中心軸線位置如圖3。首先對鉆頭多股射流進行力學分析。如圖4所示為噴管結構的一個縱剖面，各分支噴管射流后會對鉆頭產生一作用力(F1，F(xiàn)2)，該作用力的垂直分力會減輕鉆頭承重，水平分力(如F1H，F(xiàn)2H)會使鉆頭產生順時針或逆時針扭矩，該扭矩會導致鉆頭偏離井眼中心產生井斜，本噴管系統(tǒng)結構要求各鉆頭流道噴管與對面流道的噴管兩兩處于同一平面內，且兩分支噴管的中心軸線必須相交于鉆頭中心軸線oo’上，這樣設計既便于鉆頭加工又能保證消除射流反作用分力產生的扭矩，使鉆頭不偏離設計井眼。
2.使各鉆頭流道噴管與對面流道的噴管兩兩處于同一縱向平面內，且兩分支噴管的中心軸線必須相交于鉆頭中心軸線oo’上，便于鉆頭加工又能保證消除射流反作用水平分力產生的扭矩，使鉆頭不偏離設計井眼； 3.在前兩步的原則下，鉆頭水力設計應先根據(jù)鉆頭水平平面圖上鉆頭刀翼位置和鉆井設計要求，確定與該刀翼相應的某一噴管位置，在鉆頭縱剖面圖上將該噴管中心軸線與鉆頭中心軸線相交，如圖5所示，交點為A，自該交點A可做其對面流道上的分支噴管的軸線，理論上為無數(shù)條，再由該噴管的設計傾角Θ和點A共同來唯一確定該軸線，再根據(jù)該中心軸線確定鉆頭內部噴管在主管上的位置。
4.根據(jù)前三條，再分別確定其余流道噴管對應的內部噴管在主管上位置，從而確定整個鉆頭內部噴管系統(tǒng)的結構。
權利要求
1.一種PDC鉆頭噴管結構的設計方法，其特征在于，
(1)設計時使刀翼的個數(shù)為偶數(shù)分布，噴管的個數(shù)為偶數(shù)分布；使與相應噴管相連接各分支噴管中心軸線通過鉆頭幾何中心軸線oo’，以保證泥漿射出反施加給鉆頭的作用力通過鉆頭中心軸線而使得合力扭矩為零，而保證鉆頭穩(wěn)定性；
(2)使各鉆頭流道噴管與對面流道的噴管兩兩處于同一平面內，且兩分支噴管的中心軸線必須相交于鉆頭中心軸線上，便于鉆頭加工又能保證消除射流反作用分力產生的扭矩，使鉆頭不偏離設計井眼；
(3)先確定一刀翼位置，再確定與該刀翼相應的分支噴管位置，其中心軸線與鉆頭中心軸線相交，自該交點A做另外一分支噴管的軸線，該軸線由該噴管的設計傾角Θ和點A共同確定，再根據(jù)該中心軸線確定噴管位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于石油鉆井業(yè)的一種新型PDC鉆頭內部噴管結構的設計方法，特點是，設計時鉆頭刀翼的個數(shù)為偶數(shù)分布，噴管的個數(shù)為偶數(shù)分布；使各鉆頭流道噴管與對面流道的噴管兩兩處于同一平面內，且兩分支噴管的中心軸線必須相交于鉆頭中心軸線上；具體步驟為先確定一刀翼位置，再確定與該刀翼相應的分支噴管位置，其中心軸線與鉆頭中心軸線相交，自該交點A做另外一分支噴管的軸線，該軸線由該噴管的設計傾角Θ和點A共同確定，再根據(jù)該中心軸線確定噴管位置。用本發(fā)明方法設計的噴管結構的特點是泥漿的通過噴管射流后，系統(tǒng)能消除產生的扭矩和射流對鉆頭產生的橫向作用力，能保證鉆頭在鉆進過程中的穩(wěn)定性和井眼的不偏移。
文檔編號E21B10/61GK101117883SQ20071004585
公開日2008年2月6日 申請日期2007年9月12日 優(yōu)先權日2007年9月12日
發(fā)明者謝翠麗 申請人:上海理工大學