用于确定聚晶金刚石复合片钻头参数的方法技术

用于确定聚晶金刚石复合片钻头的喷嘴参数的方法，该钻头包括：布置在钻头基体上的刀翼；设置在刀翼上的多个切削齿；与所述刀翼相应设置的钻井液喷嘴，该设计方法包括如下步骤：设计出该钻头三维几何模型，给每个喷嘴一个预定位置，角度及大小；将模型输入流体分析软件中进行模拟分析，得出分析结果；对分析结果进行分析判断，如果分析结果不符合设计要求，则重新调整喷嘴位置，角度及大小；重复上述步骤(1)-(3)，直至模拟分析结果符合要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石油气钻探开采所用设备领域，特别涉及此种类型设备中所用聚晶金刚石复合片(PDC)钻头的喷嘴相关参数的确定方法。
技术介绍
钻凿工业使用旋转牵引钻头已经近百年，并且从那时起已经经历了显著的变化。 今天最常见的旋转牵引式钻头是孕镶金刚石钻头和带有聚晶金刚石复合片(PDC)切削元件的钻头。PDC钻头切削元件通常包括形成在支撑基底上的盘形金刚石"台面"(如烧结碳化钨(WC)基底等)并在高温高压条件下粘结于该基底。许多单独的PDC切削元件插入并固定(例如铜焊等)在钻头表面的凹槽中并形成从表面伸出的刀片，或者安装为立插在钻头主体内。具有PDC切削元件的钻头已被证明在钻凿地下岩层时在实现高的钻速(ROP) 方面非常有效，同时表现出低到中等的压缩强度。钻井的经济成本强烈依赖于钻速(ROP)或钻头钻入地层的速率，它们通常以英尺每小时(或米每小时)来计量。因此，根据几个约束条件，例如受限于地层特性、钻井流体特性及其他，钻井承包商设法使钻速(ROP)最大化，使每钻一英尺(或一米)的费用最小化。除了特定钻头的钻井速度之外，影响钻井经济效率的另一重要因素是钻头持久性或切削元件磨损率。也就是说，希望具有一种钻头，在它由于切削元件变钝或破坏之前寿命尽可能长。钻井泥浆在PDC钻头钻进中起十分重要作用。泥浆不仅仅将岩屑带离井底，同时还起着冷却复合片，冲击破岩，防止泥包的作用。尤其是在软地层中，冲击破岩的作用更为明显。但是过去PDC钻头喷嘴的大小、角度以及位置的确定往往依靠与经验进行，喷嘴的大小、位置、角度没有经过优化确定，或者无法进行优化确定。无法将钻井泥浆的冷却复合片作用、辅助破岩作用和防止泥包的作用发挥的更好。因此，本专利技术的目的是确定与PDC钻头喷嘴的大小、位置、角度相关的参数，以提高PDC钻头的性能，提高钻井作业的效率。
技术实现思路
为充分发挥出钻井泥浆在PDC钻头钻进过程中的辅助作用，本申请使用先进计算机辅助技术，利用流体分析软件对钻头工作时的井底流场进行模拟分析，然后利用分析结果确定钻头喷嘴的大小、位置、角度。附图说明附图1所示为PDC钻头从钻头底部观察的仰视图；附图2所示为PDC钻头的侧视图；附图3所示为根据本专利技术确定PDC钻头喷嘴参数的流程图。具体实施例方式附图1显示了 PDC钻头从钻头底部观察的仰视图，其显示了该钻头的主要部分的结构，其中字母B指示的是刀翼，刀翼的数目为多个，本申请中采用Bi，B2，B3. . . Bn的方式对其进行排序，η表示刀翼的数目。字母N指示的是喷嘴，喷嘴的数目为多个，本申请中采用Ni，Ν2, Ν3. . . Nn的方式对其进行排序；其中的字母C表示切削齿，其数目为多个。附图2显示了 PDC钻头的侧视图，其中的右侧箭头指示的是钻井液的入口 1，而左侧箭头指示的是钻井液出口 2，入口 1的钻井液入口流量采用字母P表示，而钻井液出口 2 的出口压力采用字母P表示。附图3显示了确定PDC钻头喷嘴的参数的步骤，其执行顺序如下步骤Sl 首先利用三维设计软件完成PDC钻头的三维设计。三维设计中包括PDC 钻头喷嘴的大小，分布位置，以及角度。根据现场钻井的要求确定总的喷嘴面积大小等于每个喷嘴面积大小之和TFA(总的喷嘴面积大小)=S(N1)+S(N2).....+S(Nn) (η表示刀翼的数目)根据钻头的机械钻速计算每个刀翼相应的切削体积，每个刀翼的切削体积相当于每个刀翼对应切削齿的切削总和Vn = V(Cl)+V(C2).…+V(Cn)根据钻头的刀翼数量及结构先设计好喷嘴，每个喷嘴的设计变量有五个1.表示喷嘴空间位置的0(n，Yn, Zn)2.表示喷嘴角度的(Un，Vn)步骤S2 然后利用流体分析软件分析PDC钻头工作时的井底流场。分析时输入的边界条件包括钻头入口，钻头出口，入口流量大小，出口压力大小。根据钻头现场条件确定流体入口流量L。根据钻头现场条件确定流体出口压力P。根据钻头现场条件确定流体的密度及粘度的物理属性。步骤S3 分析后得到的结果主要是各出口的流量。结果分析主要是判断各个出口的流量是否与钻头设计需要的流量相一致。分析判据各个出口流量比例Fl F2 .. 每个刀翼切削量Vl V2. . . Vn如果软件分析结果与PDC钻头设计时的要求不相符合，即可重新对PDC钻头进行三维设计，调整钻头喷嘴的大小，分布位置和角度，重复步骤多次。使流体分析的结果与设计基本相符合。本专利技术的有益效果是利用流体分析软件的分析作用。将PDC钻头喷嘴的位置，大小，和角度进行优化，提高了钻井液在钻头钻进中的辅助作用，提高了钻井效率。权利要求1.用于确定聚晶金刚石复合片钻头的喷嘴参数的方法，该钻头包括布置在钻头基体上的刀翼；设置在刀翼上的多个切削齿；与所述刀翼相应设置的钻井液喷嘴，该设计方法包括如下步骤(1)设计出该钻头三维几何模型，给每个喷嘴一个预定位置，角度及大小；(2)将模型输入流体分析软件中进行模拟分析，得出分析结果；(3)对分析结果进行分析判断，如果分析结果不符合设计要求，则重新调整喷嘴位置， 角度及大小；(4)重复上述步骤(1)-(3)，直至模拟分析结果符合要求。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述设计要求包括钻头每个流道的流量与钻头设计相关特征刀翼数量，复合片分布相对应，即各个出口流量比例近似等于每个刀翼切削量之比。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个喷嘴有一个初始位置、和初始角度， 分析结果包括每个流道模拟流量(Fl，F2......Fn)。全文摘要用于确定聚晶金刚石复合片钻头的喷嘴参数的方法，该钻头包括布置在钻头基体上的刀翼；设置在刀翼上的多个切削齿；与所述刀翼相应设置的钻井液喷嘴，该设计方法包括如下步骤设计出该钻头三维几何模型，给每个喷嘴一个预定位置，角度及大小；将模型输入流体分析软件中进行模拟分析，得出分析结果；对分析结果进行分析判断，如果分析结果不符合设计要求，则重新调整喷嘴位置，角度及大小；重复上述步骤(1)-(3)，直至模拟分析结果符合要求。文档编号G06F17/50GK102201018SQ201010133288公开日2011年9月28日 申请日期2010年3月26日 优先权日2010年3月26日专利技术者况雨春, 彭小军, 李猛, 杜向东, 闭磊, 饶岩岩 申请人:成都百施特金刚石钻头有限公司本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．用于确定聚晶金刚石复合片钻头的喷嘴参数的方法，该钻头包括：布置在钻头基体上的刀翼；设置在刀翼上的多个切削齿；与所述刀翼相应设置的钻井液喷嘴，该设计方法包括如下步骤：（１）设计出该钻头三维几何模型，给每个喷嘴一个预定位置，角度及大小；（２）将模型输入流体分析软件中进行模拟分析，得出分析结果；（３）对分析结果进行分析判断，如果分析结果不符合设计要求，则重新调整喷嘴位置，角度及大小；（４）重复上述步骤（１）－（３），直至模拟分析结果符合要求。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：况雨春，闭磊，杜向东，李猛，彭小军，饶岩岩，
申请(专利权)人：成都百施特金刚石钻头有限公司，
类型：发明
国别省市：90