一种斧型齿PDC钻头设计方法与流程

本发明涉及一种斧型齿pdc钻头设计方法，属于油气井钻井工具的设计学领域。

背景技术：

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进中得到广泛使用。

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，可钻性很差，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，钻进的速度相当低。钻头经常要穿越多种不同岩性的地层，这些地层不仅包括相对比较易钻的软岩层，而且包括可钻性较差的硬地层、高研磨性地层、塑性地层，软硬交错的互层、含砾等严重不均质地层，以及大倾角的高陡地层等。这些复杂的地层条件容易导致pdc钻头的异常失效,在常规pdc钻头上设置斧型齿，能够提高钻头的破岩效率，同时斧型齿的抗冲击能力比常规圆形pdc齿的抗冲击能力更强。为进一步提升斧型齿pdc钻头的性能，拓宽钻头的应用领域，研究出一种斧型齿pdc钻头设计方法显得尤为重要。

技术实现要素：

为了解决现有斧型齿pdc钻头中斧型齿与pdc齿之间高度差的设计仅仅依靠经验去设计，而提出一种斧型齿pdc钻头设计方法，通过岩石的可钻性来确定钻头的刀翼数量和切削齿直径，通过钻井条件来确定钻头的直径，最后依靠岩石可钻性和钻头参数来确定斧型齿与pdc齿的高度差，本发明将实验与数值计算相集合的方式来设计钻头结构参数，计算精度高，为斧型齿pdc钻头的设计提供支撑，提高钻头的破岩效率。

本发明通过下列技术方案来实现：

一种斧型齿pdc钻头设计方法，钻头上设置有斧型齿与pdc齿，且斧型齿与pdc齿直径相同，且斧型齿与pdc齿为同轨设置（径向半径相同），pdc齿略低于斧型齿，如图2所示，其特征在于：该设计方法包括以下步骤：

通过室内可钻性实验得出岩石的可钻性dk

根据钻井设计要求得知钻头需要钻进的井段为垂直井还是水平井；

给定岩石可钻性dk，按照公式1求出钻头刀翼数k；

（1）

上式中所述k表示钻头的刀翼数量，单位为个；dk为岩石可钻性；单位为级；

给定岩石可钻性dk，按照公式2求出钻头切削齿直径dm；

(2)

上式中所述dm表示切削齿的直径，单位为mm；dk为岩石可钻性；单位为级；

根据钻井条件，确定钻头直径d,单位为mm;

给定岩石可钻性dk，刀翼数k,切削齿直径dm,钻头直径d，按照公式3求出斧型齿与pdc齿的高度差hp;

(3)

上式中所述dm表示切削齿的直径，单位为mm；dk为岩石可钻性；单位为级；k表示钻头的刀翼数量，单位为个；d为钻头直径,单位为mm;hp为斧型齿与pdc齿的高度差，单位为mm。

本发明的有益效果：

本发明所述斧型齿pdc钻头设计方法，通过对斧型齿与pdc齿吃入岩石的深度进行深入研究，通过岩石可钻性与钻井条件来确定钻头结构参数，将斧型齿与pdc齿的高度差与钻头直径、刀翼数量、切削齿直径、岩石可钻性联系起来，建立公式，让斧型齿与pdc齿处于破岩效率最高的位置，从而提升钻头的破岩效率，增强钻头的综合性能。

附图说明

图1为斧型齿pdc钻头示意图与设计方法示意图；

图2为斧型齿与pdc齿高度差示意图；

1-钻头，2-刀翼，3-水孔，4-斧型齿，5-pdc齿

具体实施方式：

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，

一种斧型齿pdc钻头设计方法，钻头上设置有斧型齿与pdc齿，且斧型齿与pdc齿直径相同，且斧型齿与pdc齿为同轨设置（径向半径相同），pdc齿略低于斧型齿，如图2所示，其特征在于：该设计方法包括以下步骤：

通过室内可钻性实验得出岩石的可钻性dk；得到岩石可钻性dk为8级。

根据钻井设计要求得知钻头需要钻进的井段为垂直井还是水平井；该井段为垂直井。

给定岩石可钻性dk，按照公式1求出钻头刀翼数k；

（1）

上式中所述k表示钻头的刀翼数量，单位为个；dk为岩石可钻性；单位为级；

给定岩石可钻性dk，按照公式2求出钻头切削齿直径dm；

根据岩石可钻性，得出钻头刀翼数量为6个。

(2)

上式中所述dm表示切削齿的直径，单位为mm；dk为岩石可钻性；单位为级；

根据岩石可钻性，得出钻头切削齿直径dm为13.44mm。

根据钻井条件，确定钻头直径d,单位为mm;这样得到钻头直径为215.9mm。

给定岩石可钻性dk，刀翼数k,切削齿直径dm,钻头直径d，按照公式3求出斧型齿与pdc齿的高度差hp;

(3)

上式中所述dm表示切削齿的直径，单位为mm；dk为岩石可钻性；单位为级；k表示钻头的刀翼数量，单位为个；d为钻头直径,单位为mm;hp为斧型齿与pdc齿的高度差，单位为mm。

根据上述公式得出斧型齿与pdc齿高度差为0.05mm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。