一种全局力平衡PDC钻头布齿设计方法

本发明涉及石油天然气钻井，尤其涉及一种全局力平衡pdc钻头布齿设计方法。

背景技术：

1、随着全球能源需求的增长，石油和天然气资源的开发利用越来越重要。钻井是开采石油和天然气的关键环节。pdc钻头（多晶金刚石复合钻头，polycrystalline diamondcompact bit）由于其优异的性能，已经成为当前油气钻井领域的主要破岩工具，市场占有率高达75%～80%。pdc钻头通过合理的结构设计和科学的布齿方案来提高其综合工作性能。

2、pdc钻头的布齿设计是指确定切削齿的数量、形状、尺寸、位置和方向等参数，其直接影响其机械钻速、磨损速度、钻井稳定性以及可操纵性等关键性能指标。合理的布齿不仅能提高设计效率，还能优化破岩比功率，从而发挥钻头的最大效用。目前pdc钻头布齿设计主要采用经验法，这种方法依赖设计者的经验，效率较低。另外，经验法设计的布齿方案不一定能使钻头达到理想的工作状态，无法有效提高钻头的适应性。

3、针对上述问题，采用数值优化算法进行pdc钻头布齿设计，可以找出更优的布齿方案，提高设计效率和质量。在此背景下，开发科学合理的pdc钻头布齿优化设计方法，建立量化的布齿优化模型，使用数字算法求解，具有重要的理论价值和实际意义。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了以下技术方案：

2、一种全局力平衡pdc钻头布齿设计方法，包括：

3、建立钻头复合坐标系统；所述钻头复合坐标系统包括钻头圆柱坐标系o1r1h1θ1、切削齿位置坐标系o2x1y1z1、切削齿基准线坐标系o2x2y2z2、切削齿侧转坐标系o2x3y3z3和切削齿前倾坐标系o2x4y4z4；

4、建立切削齿受力模型，分析切削齿受力情况；

5、根据切削齿的受力情况，分析钻头的整体受力情况，获得侧钻比和弯扭比；

6、建立以侧钻比和弯扭比最小化为目标函数的全局力平衡布齿模型；

7、利用粒子群优化算法对全局力平衡布齿模型进行求解，得到全局力平衡pdc钻头布齿方案。

8、在一些较优的实施例中，所述切削齿受力模型的建立方法包括：

9、建立切削齿受力初始模型表示单切削齿的切向力ft和法向力fn：

10、；；

11、其中，kd为地层可钻性级数值；a为pdc齿的切削面积；αc为pdc齿的后倾角；

12、将钻头中的第i颗切削齿受力分解至钻头钻进的x、y、z方向，得到切削齿受力模型：

13、；

14、其中，ft(i)、fn(i)分别为第i颗切削齿的切向力和法向力；αc(i)，βc(i)，γc(i)，θc(i)分别表示第i颗齿的后倾角、侧转角、法向角、周向角；hc(i)，rc(i)分别表示第i颗齿的轴向位置和径向位置；h1为钻头的冠部高度；lg为钻头的保径段长度。

15、在一些较优的实施例中，所述侧钻比和弯扭比的获取方法包括：

16、根据切削齿受力情况分析钻头整体受力情况，将所有主切削齿的力对点坐标原点o的合力和合力矩表示为：

17、；；

18、其中，mox、moy、moz分别为钻头所受力矩在ox、oy、oz轴的分量；fx、fy、fz分别为钻头受力沿ox、oy、oz轴的分量；nc为主切削齿的数量；

19、对于钻柱系统，fz与钻柱系统提供的钻压fb等效，moz与钻柱系统提供的扭矩mt等效，则钻头受到的侧向力fl和弯曲力矩mb分别为：

20、；；

21、侧钻比rflw和弯扭比rmbt分别为：

22、；。

23、在一些较优的实施例中，所述全局力平衡布齿模型的建立方法包括：

24、全局力平衡布齿模型的目标函数为：；

25、选择对排屑影响较大的侧转角βc、对钻头的受力影响较大的周向角θc与后倾角αc，作为设计变量；

26、建立以侧钻比和弯扭比最小为目标函数的全局力平衡布齿优化设计的数学模型：

27、

28、其中，

29、

30、

31、

32、式中，βc(i)为第i颗齿的初始侧转角；hcd为切削齿厚度；∆d表示影响切削的切削齿部分的宽度。

33、在一些较优的实施例中，所述粒子群优化算法包括：

34、s1、初始化粒子位置和速度；

35、s2、计算全局力平衡布齿优化设计的数学模型的目标函数值；

36、s3、计算个体极值和群体极值；

37、s4、更新粒子位置和速度；

38、s5、判断是否满足终止条件，若否，则重复步骤s2-s5；若是，则进行下一步骤；

39、s6、输出最优解；输出与个体极值对应的那个粒子，并通过该粒子中的各参数得到全局力平衡pdc钻头布齿方案。

40、有益效果

41、本发明建立的一种全局力平衡pdc钻头布齿设计方法，可以有效减小钻头在井底的不平衡受力，提高钻头的使用寿命；快速高效地得到优化的布齿设计方案，降低设计难度，减少设计成本，相比经验法设计提高了计算效率，也使设计结果更加准确可靠。可以提高pdc钻头的适应性，优化钻头与不同岩层的匹配性。

技术特征：

1.一种全局力平衡pdc钻头布齿设计方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的全局力平衡pdc钻头布齿设计方法，其特征在于，所述切削齿受力模型的建立方法包括：

3.如权利要求1所述的全局力平衡pdc钻头布齿设计方法，其特征在于，所述侧钻比和弯扭比的获取方法包括：

4.如权利要求1所述的全局力平衡pdc钻头布齿设计方法，其特征在于，所述全局力平衡布齿模型的建立方法包括：

5.如权利要求4所述的全局力平衡pdc钻头布齿设计方法，其特征在于，所述粒子群优化算法包括：

技术总结
本发明公开了一种全局力平衡PDC钻头布齿设计方法，包括：建立钻头复合坐标系统；建立切削齿受力模型，分析切削齿受力情况；根据切削齿的受力情况，分析钻头的整体受力情况，获得侧钻比和弯扭比；建立以侧钻比和弯扭比最小化为目标函数的全局力平衡布齿模型；利用粒子群优化算法对全局力平衡布齿模型进行求解，得到全局力平衡PDC钻头布齿方案。本发明可以有效减小钻头在井底的不平衡受力，提高钻头的使用寿命；快速高效地得到优化的布齿设计方案，降低设计难度，减少设计成本，相比经验法设计提高了计算效率，也使设计结果更加准确可靠。可以提高PDC钻头的适应性，优化钻头与不同岩层的匹配性。

技术研发人员：刘伟吉,胡海,祝效华
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15