组合式PDC钻头设计与分析

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1、第l0卷第34期2010年12月科学技术与工程V01．10No．34Dee．20l01671～1815(2010)34—8545—04ScienceTechnologyandEngineering@2010Sci．Tech．Engng．组合式PDC钻头设计与分析刍龙庆支4朋鸟(东北石油大学，大庆163318)摘要为解决深井上11井段、深层井段的机械钻速低、周期长、钻井成本高的问题，设计出组合式PDC钻头。在Solid—Works环境下创建复合钻头模型，使用合理的链接并装配，然后以iges文件导出，在导入有限元分析软件。对复合钻头设置载

2、荷、约束及边界条件，确定初始条件，模拟钻头和地层相互运动、接触性分析。对复合钻头的几何设计和性能设计提供了丰富的、有用的信息，同时叙述了组合钻头的破岩原理。采用新型PDC复合片、钻头结构和钻头设计参数，能够提高∞11井眼及深层的机械钻速。关键词组合钻头钻井ABAQUS运动仿真中图法分类号TE921．1；文献标志码A随着深部油气藏的勘探和开发，深井的数量亦由于金刚石锋利¨J、耐磨和能够自锐的天然金在增加，深井上部45311井段、深层井段的机械钻速刚石或人造金刚石为切削齿，在低钻压下就可获得低、周期长、钻井成本高的矛盾越来越显得突出；由较

3、高的钻速和钻头进尺，得到广泛应用。本项目所于qb311．2mill(121／4”)井段长度占总井深的1／3设组合式PDC钻头主要结构(见图1)：内PDC布以上，提高大井眼井段的钻进速度是加快深井钻井齿、内钢芯翼片、内胎体、水眼、缩紧件、外PDC布速度的关键。齿、外钢芯、外钢芯翼片，外胎体。在大庆徐家围子和升平地区进行了多口深井的开发，为本项目研制提供了重要的现场数据。开1复合式钻头的破岩特点展“提高311井眼及深层机械钻速的钻头分析及优选”项目的研究，可以提高深井机械钻速，缩短完将内外钻头设计有高度差(见图2)，外部首先井周期，降低钻

4、井成本，减少井下事故的发生。切削岩石，在心部形成凸台形状的岩心，由内部的钻头进行切削，这样心部凸台岩心将不再受地层围压产生的三向应力，使心部的岩石强度降低，更加有利于钻头切削，提高了钻头破除硬地层岩石的能力，进而会提高机械钻速。另外，随着钻头直径的增加，机械钻速明显降低，而组合钻头的内部岩石较容易切削，外部钻头的切削岩石体积为1l井眼的75％，仅比q5215钻头的切削体积多12％，随着切削岩石的内外两部分分步破除同样提高了机械钻速。图1组合式PDC钻头2010年9月10日收到通信作者简介：刘鹏，硕士。研究方向：机械设计及理论。E—ma

5、il：hehe123655@163．eom。图2高度差科学技术与工程1O卷此外由于心部岩心有凸台，使整个钻头体沿着2．3钻井液喷射速度这个凸台的轴线向下切削岩石，大大提高了钻头抵由于计算得到水眼等速核长40mm，如果高度抗横向不平衡力的能力，有效避免了涡动和回旋，差取得再高会影响钻井液的流速和该处的清洗也大大提高了钻头的防斜能力。效果。综合上述因素，取高度差在30mm与40mm之2高度差日的设计间，既满足了组合钻头的破岩要求又能达到较好的根据组合钻头的破岩机理，内外钻头设计有高清洗冷却效果。度差，该高度差的选择考虑到如下因素。2．1钻

6、头内保径齿的布置3内外钻头尺寸的选择为确保所生成的凸台外径尺寸，在外钻头内保考虑到经常出现的钻头磨损的凹槽部位，在该径处布置了2片qOl3．44的复合片(见图3)，加上处应该加强布齿密度，所以在该处作为内外钻头的间壁宽度，该处高度差至少应该在28．88mil。分界区域，同时考虑到外钻头钢芯的强度，采用内钻头为4÷”钻头。计算破岩体积分配，内钻头切削15％的岩石，外钻头切削75％的岩石。钻头压力分配方面：总钻压80kN计算，内钻头12KN，外钻头68KN。2体式钻杆扣型组合钻头，内钻头4÷”也就是叶145120．7mnl三刀翼PDC钻头

7、，外钻头为l2÷”也图3冠部曲线与常规钻头布齿情况叶就是11．2mlTl七刀翼PDC钻头，PDC复合片总2．2切削齿井底布齿密度数为120片，组合钻头端部扣型为85／8REG由于高度差使冠部曲线加长，能够布置更多的V-0．050锥度1：6；内外钻头设计的高度差为复合片(见图4)，上部为组合钻头的该区域切削刃30mm。曲线，下部为常规钻头切削刃曲线。通过计算组合为了进一步说明钻头与地层的相互作用，尝试钻头的该处切削刃弧长为77．2mm；常规钻头切削运用有限元软件进行接触性分析。刃弧长为55．8mm；计算得组合钻头的布齿密度比常规钻头提高

8、了28％。4仿真模型的建立ABAQUS程序是一套功能强大的模拟工程的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个十分丰富的、可模拟任意实际形状的单元库。并与之对应拥有各种类型的