专利名称：一种pdc钻头内部喷管结构的设计方法
专利说明一种PDC钻头内部喷管结构的设计方法 技述领域 本发明涉及一种用于石油钻井业的一种新型PDC钻头内部喷管结构的设计方法。
背景技术：
PDC钻头(Polycrystalline Diamond Compact Bit)使用聚晶金刚石复合片作为切削元件，以切削方式破岩，具有很好的综合经济性能，是石油钻井业的一种实用钻具。PDC钻头在世界范围内得到了普遍应用。在均质的中到软地层中PDC钻头具有破岩效率高、钻速快、进尺多、寿命长等优点。但是，在研究开发与使用过程中，PDC钻头仍然存在PDC钻头齿的磨损、掉齿、断裂和钻头泥包等问题，严重降低了造价昂贵的PDC钻头的使用寿命。人们发现这些损坏主要是由于钻头不能在井下稳定地工作而造成的。
PDC钻头的不稳定性在实际使用除钻井参数选择不当和地层结构复杂外，PDC钻头水力设计不合理是造成钻头不稳定行而出现破坏的一个重要原因，现已有的PDC钻头稳定性设计中都考虑的只是机械设计因素，没有考虑泥浆射流将对钻头产生作用力和力矩而对钻头稳定性产生的影响，毫无疑问，根据流体力学理论，考虑水力射流影响将有利于保持钻头稳定和钻头不偏离井眼中心的功能。而这涉及到钻头内部射流喷管的结构设计和布置。如图2所示，PDC钻头外部包括流道3，刀翼4，和喷管5。钻头内部包括用于泥浆射流的分支喷管，它们和主喷管相连接。内部喷管结构如图1剖开部分和图2所示，它包括主喷管1和几个分支喷管2。
发明内容
本发明目的是为了提高钻头稳定性，同时防止钻头偏离井眼中心产生井斜，从而解决PDC钻头使用中存在的齿磨损、掉齿、断裂等问题，改善PDC钻头的稳定性，提供有利于钻头稳定性的钻头内部喷管结构的设计方法。
本发明需要解决的技术问题是从水力学上保持钻头在钻进过程中的钻头稳定性和钻头不偏离井眼中心。
本发明的技术方案是一种新型PDC钻头内部喷管结构的设计方法，其特点是 1.钻头水力设计时使刀翼的个数为偶数分布，喷管的个数为偶数分布；使与相应喷管相连接的钻头内部各分支喷管中心轴线通过钻头几何中心轴线oo’，以保证泥浆自喷管射出时施加给钻头的作用力能通过钻头中心轴线而使得多股射流对钻头产生的合力扭矩为零，而保证钻头稳定性； 2.使各钻头流道喷管与对面流道的喷管两两处于同一纵向平面内，且两分支喷管的中心轴线必须相交于钻头中心轴线oo’上，便于钻头加工又能保证消除射流反作用水平分力产生的扭矩，使钻头不偏离设计井眼； 3.在前两步的原则下，钻头水力设计应先根据钻头水平平面图上钻头刀翼位置和钻井设计要求，确定与该刀翼相应的某一喷管位置，在钻头纵剖面图上将该喷管中心轴线与钻头中心轴线相交，交点为A，自该交点A可做其对面流道上的分支喷管的轴线，理论上为无数条，再由该喷管的设计倾角Θ和点A共同来唯一确定该轴线，再根据该中心轴线确定钻头内部喷管在主管上的位置。其他喷管位置确定方法与此相同。
本发明的有益效果是和用本发明方法设计的喷管结构的特点是泥浆通过喷管射流后，钻头内部喷管系统能消除由于水力设计不合理而产生的扭矩和射流对钻头产生的横向作用力，从而能保证钻头在钻进过程中的稳定性和井眼的不偏移。
图1为PDC钻头内部喷管结构图； 图2为PDC钻头外部结构示意图； 图3为分支喷管在钻头表面位置和钻头几何中心轴线位置图； 图4为喷管结构的一个纵剖面图； 图5为分支喷管位置确定图。
具体实施例方式 一种PDC钻头内部喷管结构的设计方法，PDC钻头外部，如图2所示，包括刀翼4、喷管5和流道3，设计时 1.要使刀翼4的个数为偶数分布，喷管5的个数为偶数分布。内部喷管结构如图1剖开部分和图2所示，它包括主喷管1与主喷管相连接的各分支喷管2，各分支喷管在钻头表面位置和钻头几何中心轴线位置如图3。首先对钻头多股射流进行力学分析。如图4所示为喷管结构的一个纵剖面，各分支喷管射流后会对钻头产生一作用力(F1，F2)，该作用力的垂直分力会减轻钻头承重，水平分力(如F1H，F2H)会使钻头产生顺时针或逆时针扭矩，该扭矩会导致钻头偏离井眼中心产生井斜，本喷管系统结构要求各钻头流道喷管与对面流道的喷管两两处于同一平面内，且两分支喷管的中心轴线必须相交于钻头中心轴线oo’上，这样设计既便于钻头加工又能保证消除射流反作用分力产生的扭矩，使钻头不偏离设计井眼。
2.使各钻头流道喷管与对面流道的喷管两两处于同一纵向平面内，且两分支喷管的中心轴线必须相交于钻头中心轴线oo’上，便于钻头加工又能保证消除射流反作用水平分力产生的扭矩，使钻头不偏离设计井眼； 3.在前两步的原则下，钻头水力设计应先根据钻头水平平面图上钻头刀翼位置和钻井设计要求，确定与该刀翼相应的某一喷管位置，在钻头纵剖面图上将该喷管中心轴线与钻头中心轴线相交，如图5所示，交点为A，自该交点A可做其对面流道上的分支喷管的轴线，理论上为无数条，再由该喷管的设计倾角Θ和点A共同来唯一确定该轴线，再根据该中心轴线确定钻头内部喷管在主管上的位置。
4.根据前三条，再分别确定其余流道喷管对应的内部喷管在主管上位置，从而确定整个钻头内部喷管系统的结构。
权利要求
1.一种PDC钻头喷管结构的设计方法，其特征在于，
(1)设计时使刀翼的个数为偶数分布，喷管的个数为偶数分布；使与相应喷管相连接各分支喷管中心轴线通过钻头几何中心轴线oo’，以保证泥浆射出反施加给钻头的作用力通过钻头中心轴线而使得合力扭矩为零，而保证钻头稳定性；
(2)使各钻头流道喷管与对面流道的喷管两两处于同一平面内，且两分支喷管的中心轴线必须相交于钻头中心轴线上，便于钻头加工又能保证消除射流反作用分力产生的扭矩，使钻头不偏离设计井眼；
(3)先确定一刀翼位置，再确定与该刀翼相应的分支喷管位置，其中心轴线与钻头中心轴线相交，自该交点A做另外一分支喷管的轴线，该轴线由该喷管的设计倾角Θ和点A共同确定，再根据该中心轴线确定喷管位置。
全文摘要
本发明涉及一种用于石油钻井业的一种新型PDC钻头内部喷管结构的设计方法，特点是，设计时钻头刀翼的个数为偶数分布，喷管的个数为偶数分布；使各钻头流道喷管与对面流道的喷管两两处于同一平面内，且两分支喷管的中心轴线必须相交于钻头中心轴线上；具体步骤为先确定一刀翼位置，再确定与该刀翼相应的分支喷管位置，其中心轴线与钻头中心轴线相交，自该交点A做另外一分支喷管的轴线，该轴线由该喷管的设计倾角Θ和点A共同确定，再根据该中心轴线确定喷管位置。用本发明方法设计的喷管结构的特点是泥浆的通过喷管射流后，系统能消除产生的扭矩和射流对钻头产生的横向作用力，能保证钻头在钻进过程中的稳定性和井眼的不偏移。
文档编号E21B10/61GK101117883SQ20071004585
公开日2008年2月6日 申请日期2007年9月12日 优先权日2007年9月12日
发明者谢翠丽 申请人:上海理工大学