PDC钻头各向异性指数的计算方法研究.pdf

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1、石油机械2014年第42卷第9期CHINAPETR0IJEUMMACH1NERY一27～．_钻井技术与装备PDC钻头各向异性指数的计算方法研究王家骏邹德永姜鑫于金平郭玉龙赵健(中国石油大学(华东)石油工程学院)摘要：准确预测PDC钻头的各向异性指数能够提高定向钻井井眼轨迹的控制能力。在分析PDC钻头在井底的运动状态并给出其切削面积的计算方法之后，采用直线一双圆弧型钻头剖面设计，建立切削面积与钻速的函数关系式，进而建立了钻头受力与钻速的关系模型。验证试验结果表明各向异性指数的计算值与试验值相符合。分析了钻头结构对各向异性指数的影响规律，指出当钻头剖面形状是浅内锥短外锥时，各向

2、异性指数最大；钻头的保径长度越长，各向异性指数越小。关键词：PDC钻头；各向异性指数；切削面积；关系模型；机械钻速；受力分析中图分类号：TE921文献标识码：Adoi：i0．3969／j．issn．1001—4578．2014．09．007CalculationMethodofAnisotropyIndexofPDCBitWangJiajunZouDeyongJiangXinYuJinpingGuoYulongZhaoJian(SchoolofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao)Abstract：T

3、heaccuratepredictionofPDCbitanisotropyindexcanimprovethecontroloverboreholetrajecto—ryduringdirectionaldrilling．ThemotionstateofPDCbitatthebottomofboreholeiSanalyzedandthecalculationmethodofcuttingareaisgiven．Amorerealisticstraight—biarcprofileofPDCbitisadopted．Thefunctionalrela—tionshipof

4、cuttingareaandrateofpenetrationiSestablished．Thus．therelationmodelofforcesofPDCbitandR0Phasbeenestablished．VenficationtestsshowthatthecalculatedanisotropyindexiSconsistentwiththeexperi．mentalvalue．TheinfluenceofthebitstructureonanisotropyindexiSanalyzed．Resultsindicatethatthemaximumanisotr

5、opyindexisreachedwhenthebithasaprofileshapeofshallowinnerconeandshortoutercone．Thelongerthebitgaugeis，thesmallertheanisotropyindexwillbe．Keywords：PDCbit；anisotropyindex；cuttingarea；relationmodel；rateofpenetration；forceanalysis向异性指数的计算方法，即通过建立切削齿与岩石0引言的相互作用模型、切削面积与钻速的函数关系式，进而建立钻头受力与钻速的关系模型。

6、该方法在求使用常规PDC钻头滑动导向钻进时，经常出现切削面积时存在如下不足：①将钻头剖面形状简化井眼质量变差、井眼轨迹控制困难、需要频繁调整为直线一单圆弧型，而实际钻头常用直线一双圆弧型工具面等问题，只有针对定向钻井设计专用的PDC剖面设计；②在该剖面中直线直达冠顶，直线与圆钻头才能解决这些问题。这需要准确预测钻头的各弧之间没有过渡段，而实际设计时直线段与圆弧相向异性指数，建立钻头受力与钻速的关系模型。切，直线与圆弧是平滑过渡的；③在该剖面中认为国内普遍使用试验法测牙轮钻头的各向异性指内锥角是定值73。，而实际设计时内锥角的变化范数，但是由于PDC钻头的设计种类繁多，各类钻

7、围为70。～80。。头的结构参数不尽相同，所以试验法不适用于笔者采用直线．双圆弧型的钻头剖面设计，建PDC钻头。Menand等提出了预测PDC钻头各立切削面积与钻速的函数关系式，进而建立了钻头基金项目：“十二五”国家科技重大专项之子课题“薄互层水平井导向PDC钻头优化设计及导向特性研究”(05Z12020300)。一28一石油机械2014年第42巷第9期受力与钻速的关系模型。使用该方法能够准确地研周后，钻头中心点在0，该点在初始井眼坐标系究内锥深度He、外锥高度、冠顶半径、外锥宽中的坐标为(h、h、h)，以钻头轴线