PDC钻头的三维设计方法

２００８年第３６卷第１２期　石　油机械　ＣＨＩＮＡ　ＰＥＴＲ０ＬＥＵＭ　ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　

●专题研究　

复杂地层ＰＤＣ钻头研究　

黄继庆　魏向辉　周　东　

陈洪涛　张松峰　李长权　

（１．中国石油渤海装备中成机械制造有限公司　孙德宇　左惠明　

王　永　黄　斌　

２．中石化中原油田钻井￣－Ｊ２－司）　

摘要　常规ＰＤＣ钻头在岩石疏松、结构松散、无规律含砾、软硬交错等复杂地层中钻进时受　力不均，导致钻头平均机械钻速低，钻进困难，难以满足高效钻井要求。针对这一现象，重新对　

ＰＤＣ钻头的布齿方式、冠部头型、水力结构、钻头稳定性等方面进行个性化设计。在复杂地层应　用情况表明，所设计的钻头极大地提高了钻进速度，减少了起下钻次数，缩短了钻井周期，有效　

地预防了钻井事故的发生，节约了钻井成本，经济效益显著。　

关键词ＰＤＣ钻头　含砾地层　可钻性　力平衡设计　个性化设计　

—　口　

全国各大油田部分区块中存在复杂地层，在这　

种地层中钻进一直是石油钻井工程施工中的一个技　术难题。由于有些复杂地层岩石疏松、结构松散、　

无规律含砾、地层更叠频繁、软硬交错等，使钻头　

在变化地层中钻进时受力不均导致个别切削齿先期　损坏，钻井质量和钻进效率处于低水平状态；有些　

复杂地层可钻性差、研磨性强，导致常规钻头平均　

机械钻速低，钻进困难，难以满足高效钻井要求。　这都使复杂地层的钻井周期延长、钻井费用增加。　

鄂尔多斯盆地苏里格气田的地层比较古老，且　

全井段跨越层位较多，地层软硬交错。地层中硬夹　层较多是ＰＤＣ钻头复合片碎裂、掉片的主要原因。　

当ＰＤＣ钻头在钻进过程中，从软地层钻至硬夹层　

时，由于ＰＤＣ钻头冠部轮廓的关系使得沿头型分　布的切削齿接触地层的硬度不同，造成切削齿切削　

地层时受力不均，使钻头出现蹩钻、跳钻现象，作　用在钻头上的载荷大部分集中在切削硬夹层的几个　

切削齿上。蹩钻、跳钻产生的瞬时载荷导致这几个　

切削齿因受力较大而碎裂或折断，特别是在切削硬　

第４０卷第４期　２０１２年８月　煤田地质与勘探　ＯＱＡＬ　Ｇ］巨（）ＩｏＧＹ＆ＥＸＰ１０Ｒ　Ａ］１ｏＮ　Ｖｂ１．４０ＮＯ．４　Ａｕｇ．２０１２　文章编号：１００１－１９８６（２０１２）０４－００８６—０４　ＰＤＣ取心钻头设计支持系统的设计与开发　曾小慧　，刘宗健　，潘　真。，汤凤林　（１．中国地质大学，湖北武汉４３００７４；２．上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州５４５０００；　３．桂林理工大学，广西桂林５４１００４）　摘要：为了提高地质勘探钻头的设计水平，缩短其设计与研发周期，以Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ软件为开发平　台，结合Ｐｒｏ／Ｔｏｏｌｋｉｔ和Ｖｃ＋＋开发工具，设计开发了一个集参数化三维及二维绘图、有关设计计　算和分析等设计功能为一体的ＰＤＣ取心钻头设计支持系统。在系统完全实现后，将能使钻头生产　实现产品设计现代化，从而提升产品设计的技术水平和提高产品设计及研发效率。　关键词：ＰＤＣ取心钻头；ＣＡＤ；Ｐｒｏ／Ｔｏｏｌｋｉｔ；二次开发　中图分类号：Ｐ６３４　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９８．ｉｓｓｎ．１００１．１９８６．２０１２．０４．０２１　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ＰＤＣ　ｃｏｒｉｎｇ　ｂｉｔ　ＺＥＮＧ　Ｘｉａｏｈｕｉ　，Ｌ１Ｕ　Ｚｏｎｇｊｉａｎ￣，ＰＡＮ　Ｚｈｅｎ￣。ＴＡＮＧ　Ｆｅｎｇｌｉｎ‘　（１．Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｈａｎｇｈａｉ　ＧｅｎｅｒａｌＡｕｔｏ　Ｗｕｌｉｎｇ　Ｃｏ．Ｌｔｄ，　Ｌｉｕｚｈｏｕ　５４５０００，Ｃｈｉｎａ；３．Ｇｕｉｌｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ　５４１００４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｄｒｉｌｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓｈｏｒｔｅｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｃｙｃｌｅ，ａ　ＣＡＤ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ＰＤＣ　ｃｏｒｉｎｇ　ｂｉｔ　ｗａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　Ｐｒｏ／Ｔｏｏｌｋｉｔ　ａｎｄ　ＶＣ＋＋ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｏｏｌｓ．Ｔｈｅ　ＣＡＤ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｎｔａｉｎｓ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ　ｄｒａｗｉｎｇｓ．ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ　ｄｒａｗｉｎｇｓ，ｄｅｓｉｇｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＰＤＣ　ｃｏｎｎｇ　ｄｒｉ１１；ＣＡＤ；Ｐｒｏ／Ｔｏｏｌｋｉｔ；ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　地质勘探时，为了提高钻头的使用效率，降低　地质勘探企业的生产成本，必须根据相应的地层岩　性和钻探条件，选用适合的钻头。由于地层岩性的　多变性和复杂性，使得钻头的需求和品种繁多，这　不仅表现在地质勘探单位根据地层的不同选用合适　的钻头品种，而且还会反馈地层信息，以便钻头生　产企业修改和调整钻头结构参数，甚至需要钻头生　产企业针对某种地层专门设计合适的钻头。这种不　同于对一般工具的需求决定了钻头生产企业不同于　一般工具生产企业的生产特点，主要表现在：多品　种，小批量，对应用情况快速反应等。为缩短钻头　设计与研发周期，本文开发了一种集绘图、设计计　算和分析等为一体的ＰＤＣ取心钻头设计支持系统。　１　系统的功能及要求　钻头生产企业对钻头设计的总体要求是：第一，　对已有产品进行符合现场的修改设计，这是便利的快　速设计途径；第二，不断进行针对特定地层的新产品　设计，这需要在结构上作与现有产品根本不同的改　动。一般来说，无论是修改设计还是全新设计，方法　大多是依据经验确定钻头的结构要素，再结合必要的　设计计算和分析。　计算机辅助设计系统必须有效地满足上述钻头　设计要求和需求。本文针对ＰＤＣ取心钻头的计算机　支持设计系统的具体功能规定如下：　ａ．能够对已有产品进行参数修改，并实现自动　修改设计；　ｂ．能实现新产品的快速设计；　ｃ．能提供钻头设计所需的相关设计计算和分析　功能。　另外，对ＰＤＣ取心钻头计算机支持系统的要求是：　ａ．界面友好，操作方便；　ｂ．系统开放性好，实现使钻头设计造型灵活；　ｃ．实现三维可视化设计。　２系统总体模块结构设计　２．１　系统模块结构设计　软件的结构设计是系统总体设计的一个重要内　容，它将确定系统中每个程序由哪些模块组成，以及　这些模块之间的关系和每个模块分别对应实现的系　统功能及其分解的子功能。根据上述对系统功能的　需求，采用自顶向下逐步求精的设计方法，遵循耦合　收稿日期：２０１１－０７．０７　作者简介：曾小慧（１９６２一），女，湖北天门人，副教授，硕士生导师，从事机械及其ＣＡＤ／

２０１６年２月　物　探　装　备　第２６卷第１期　·交流与探讨·　ＰＤＣ钻头刀翼优化设计研究　贺子延　杨凤申　刘　坤　王江涛　王艳明　（东方地球物理公司装备服务处装备研究中心，河北涿州０７２７５０）　贺子延，杨凤申，刘坤，王江涛，王艳明．ＰＤＣ钻头刀翼优化设计研究．物探装备，２０１６，２６（１）：２５。２８，３２　摘要　７６三翼ＰＤＣ钻头在钻井试验中，钻进速率有了明显的提高，但也有堵塞喷嘴、排屑不畅等情况发生，影响　了钻井效率的提高。基于ＰＤＣ钻头理论和计算流体力学原理，对钻头７／翼形状进行优化，设计出新钻头，并运用　Ｆｌｕｅｎｔ软件进行井底流场模拟分析，得到７／翼形状对井底清洗的影响规律。提升了钻头的井底清洗返屑能力，提　高了西７６三翼ＰＤＣ钻头的性能。　关键词ＰＤＣ钻头　刀翼　井底流场　模拟　Ｈｅ　Ｚｉｙａｎ，Ｙａｎｇ　Ｆｅｎｇｓｈｅｎ，Ｌｉｕ　Ｋｕｎ，Ｗａｎｇ　Ｊｉａｎｇｔａｏ　ａｎｄ　Ｗａｎｇ　Ｙａｎｍｉｎｇ．Ａ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＰＤＣ　ｂｉｔ　ｂｌａｄｅｓ　ＥＧＰ，２０１６，２６（１）：２５－２８，３２　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ｏｆ　７６　ｍｍ　ＰＤＣ　ｂｉｔ　ｗｉｔｈ　３－ｂｌａｄｅｓ　ｉｓ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ　ｉｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｎｏｚｚｌｅ　ｉｓ　ｂｌｏｃｋｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｕｔｔｉｎｇｓ　ａｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｈａｒｄｌｙ．Ｉｔ　ｆｉｎａｌｌｙ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｒａｔｅ．Ｄｅｐｅｎｄｉｎｇ　ｏｎ　ＰＤＣ　ｂｉｔ　ｔｈｅ　ｏｒｙ　ａｎｄ　ＣＦＤ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｔｈｅ　ｂｌａｄｅｓ　ｓｈａｐｅ，ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａ　ｎｅｗ　ｂｉｔ，ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｂｏｔｔｏｍ　ｈｏｌｅ　ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ｂｙ　Ｆｌｕｅｎｔ，ａｎｄ　ｇｏｔ　ｒｅｇｕｌａｒ　ｔｈａｔ　ｂｌａｄｅ　ｓｈａｐｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｔｈｅ　ｂｏｔｔｏｍ　ｈｏｌｅ　ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅ　ｂｉｔ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｃｌｅａｒｉｎｇ　ｂｏｔｔｏｍ　ａｎｄ　ｒｅｔｕｒｎｉｎｇ　ｃｕｔｔｉｎｇｓ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ￣７６ｍｍ　ＰＤＣ　ｂｉｔ　ｉｓ　ｅｎｈａｎｃｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ＰＤＣ　ｂｉｔ，ｂｌａｄｅ，ｂｏｔｔｏｍ　ｈｏｌｅ　ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　０　引言　在物探钻井勘探中，钻头作为破碎岩石的工具，　其性能、质量、结构对提高施工效率、降低钻井成本　有着重要的意义。我们最近研制的　７６三翼ＰＤＣ　钻头，在现场应用中，在相同条件下（工作场所、同一　钻机及磨损状态相同的钻头）与最有对比性的钻头　（指型号与规格）相比，钻井时间节省４０　左右，大　大提高了钻井速率。但经过长时间作业后，　７６三　翼ＰＤＣ钻头存在着排屑困难、堵塞喷嘴等问题，制约　了钻头的持续钻井能力，降低了钻井效率。因此，提　升井底返屑能力，对提高钻井效率有着重要的意义。　在ＰＤＣ钻头水力学分析里，排屑槽与喷嘴一起　提供了清洗和冷却ＰＤＣ切削齿及减少岩屑向环形　空间排除所经距离的基本流动模式。要迅速清除大　量岩屑，排屑槽的形状有非常重要的影响。而刀翼　的刃口面及背部支撑面构成了排屑槽的形状Ｌ１］。因　此，我们通过对刀翼形状进行优化来改善ＰＤＣ钻头　的水力结构，从而达到提升井底清洗能力的目的。　１优化前的钻头　１．１　钻头结构　优化前的　７６三翼ＰＤＣ钻头，结构如图１所　示。１号刀翼为０。，２号刀翼与１号刀翼夹角为１２０。，　３号刀翼与１号刀翼夹角为２１０。。１号喷嘴直径为　１０　ｍｍ，轴向夹角为２０。；２号喷嘴直径为　８　ＩＴｌｍ，　轴向夹角为３０。；３号喷嘴直径为　８　ｍｍ，轴向夹角　为２０。。　由图１ａ可见，从钻头中心向外，刀翼厚度在１５ｍｍ　左右；由图１ｂ可见，刀翼由冠部向保径块垂直，厚度　由１５　１ＴＩ１ＴＩ左右，增厚为１７　ｍｍ左右。　细条状的刀翼设计使得钻头基体与刀翼各侧面　形成的排屑槽空间较大，给岩屑留出充足的空间，减　少了刀翼随着进尺对岩屑的挤压作用。　１．２试验与分析　我们在黄土塬地区对钻头进行试验，地层为黄　＊贺子延。１９８３年出生，工程师。２００９年西北工业大学材料学院材料加工工程硕士研究生毕业；研究方向：物探装备制造。

科学管理

244 2019年第1期

1 吐哈油田复杂岩性地层钻井简介吐哈油田主要含复杂岩性地层的区块有照壁山、柯克亚、鲁克沁等，自上而下钻遇的地层有：第四系西域组、第三系鄯善群；中生界白垩系吐谷鲁群，侏罗系上统齐古组，侏罗系中统七克台组、三间房组、西山窑组，侏罗系下统三工河组、八道湾组，三叠系上统克拉玛依组、三叠系上统。其中照壁山区块中下部地层（2500-4300m）为致密砂泥岩互层，地层可钻性较差、研磨性极强。由于钻头在这种复杂岩性地层中钻进时受力不均引起的交变应力对切削齿造成的恶劣冲击是导致钻头切削齿破坏失效的主因。主要表现有：金刚石复合片先期损坏，单只钻头行程短、使用寿命短、机械钻速低等。因此，在前期钻井施工中大多采用牙轮钻头钻进的方式穿越复杂岩性地层，在此条件下施工的钻头破岩效率低、钻压较大井身质量难以控制、起下钻频繁，造成钻井周期延长和钻井费用增加，那以满足油田目前勘探开发形式下高效钻井的要求。2 PDC钻头个性化设计研究2.1 地层可钻性研究通过在室内开展岩石力学参数实验，对岩石动力学参数和声学参数进行测定，采集照壁山、柯克亚、鲁克沁等多个复杂岩性地层发育区块的岩芯，对岩芯可钻性、研磨性实验结果和声波时差测井资料进行对比分析，建立了地层可钻性、研磨性的科学计算模型，最终形成了复杂岩性区块的PDC钻头地层可钻性、研磨性分析剖面。2.2 钻头优化设计研究3 现场试验情况及结果分析为验证吐哈复杂岩性地层中新型PDC钻头的适应性，在照壁山、柯克亚、鲁克沁等典型复杂岩性地层区块开展了多口井的现场试验。实践证明，新型PDC钻头对复杂岩性地层适应性良好，机械钻速、使用寿命和单只行程有了明显的提高，使钻井周期大幅缩短、钻井运行效率显著提高。下面例举新型钻头在照壁山区块的两口试验井中的现场应用情况及效果。3.1 试验1井试验情况及结果分析试验1井位于红旗坎构造带照壁山区块，处于山前逆掩带，中部地层泥岩与砂砾岩互层发育，下部地层致密细砂岩与泥岩发育，夹黑色煤、泥质粉砂岩，属非均质性极强的高研磨强冲击性地层。前期开展的多次PDC钻头试验效果较差，严重制约着该区中下部地层的钻井速度。在该井的侏罗系中下统地层开展了81/2″新型PDC钻头试验，先后入井3次，钻进井段为3155-3811m，3813.14-4044.58m，4053.34-4168.4m，累计进尺1002.5m，累计纯钻时间237.67h，平均机械钻速4.22m/h。与同区同期已钻井相比，单只钻头进尺提高了714.11%；单只纯钻时间提高了205.41%；机械钻速提高了86.08%，节约钻头用量6只，新型钻头在此井取得了非常显著应用效果。表1 试验1井81/2″新型PDC钻头指标与同区同期邻井对比序号项目单只进尺（m）纯钻时间（h）机械钻速（m/h）钻头用量（只）1试验1井应用指标1002.5237.674.2212同区同期邻井钻井指标123.1477.821.587对比值879.36119.641.36-6幅度714.11%205.41%86.08%-85.71%4 结束语（1）通过对钻头整体结构、冠部头型、布齿参数、水力结构、切削元件的个性化设计研究，增强了PDC钻头穿越非均质多变夹层和高研磨、强冲击性地层的能力，有效减少了PDC钻头先期损坏，从而大幅提高了钻头在井底的有效工作时间和效率，这是新型钻头取得显著效果的重要原因之一。（2）试验应用表明，针对吐哈油田复杂岩性地层的新型PDC钻头有较好的适应性，突破了常规PDC钻头使用的瓶颈，使单只钻头行程、使用寿命、机械钻速均得到了成倍提高，同时有效减少了钻头用量和起下钻频率、提高了钻井运行效率、降低了钻井成本。（3）试验应用表明，双排布齿的设计确实利于延长单只钻头使用寿命和行程，但后排齿的后倾角度和出露高度的大小对钻头的抗冲击能力和切削破岩能力的影响，还有待进一步研究评估，也是下一步研究的重点。（4）针对吐哈复杂岩性地层的新型PDC钻头的个性化设计成功，对于扩大PDC钻头的使用范围具有很大的意义，为此类地层的钻井提速提供了切实可行的技术思路，为加速石油勘探开发做出了积极贡献。参考文献[1] 刘志鹏，曾恒，周学军.适用于特定地层PDC钻头个性化设计[J].钻井工程，2013[2] 杨庆理.PDC钻头在井底的涡动分析研究[J].石油矿场积雪，2007适用于复杂岩性地层的PDC钻头个性化设计与应用徐军 程洪伟 付光军 刘登兵中国石油集团西部钻探吐哈钻井公司 新疆 鄯善 838200摘要：针对常规PDC钻头在吐哈油田复杂岩性地层钻井施工中，由于其软硬交错、高含砾、强研磨性的特性，造成钻头机械钻速低、行程短、用量高的问题，开展了PDC钻头整体结构、冠部头型、布齿参数、水力参数等方面的个性化设计，研制出新型PDC钻头。复杂岩性地层现场试验表明，所设计的新型PDC钻头具有很强的适应性，有效提高了单只钻头行程和机械钻速，提速效果显著，从而提高钻井运行效率、缩短钻井周期、降低钻井作业成本，为复杂岩性地层的快速高效钻探提供了切实可行的技术思路，为加快油田勘探开发步伐贡献了积极的力量。关键词：复杂岩性地层PDC钻头个性化设计 机械钻速