1、一）一）PDCPDC钻头结构设计的基本参数钻头结构设计的基本参数钻头结构设计参数钻头结构设计参数切削结构切削结构水力结构水力结构1 1、切削结构设计的基本参数、切削结构设计的基本参数切削结构冠部形状刀翼的数量及结构切削齿的分布切削齿的空间结构保径结构水力结构水力结构流道的结构流道的结构喷嘴的分布及空间结构喷嘴的分布及空间结构2 2、水力结构设计的基本参数、水力结构设计的基本参数二二) )钻头设计理论的研究钻头设计理论的研究1、传统的、传统的PDC钻头设计理论钻头设计理论 等切削体积原则；等切削体积原则； 等功率原则；等功率原则； 等磨损原则。等磨损原则。 等切削体积原则：等切削体积原则： 即以
2、每个切削齿的切削体积相等为原则。即以每个切削齿的切削体积相等为原则。 11jjjjrsrssj 第第j颗切削齿的破岩面积；颗切削齿的破岩面积；Rj第第j颗切削齿距旋转中心的距离。颗切削齿距旋转中心的距离。 等功率原则：等功率原则： 每个切削齿的切削功率相等。每个切削齿的切削功率相等。111jjjjjjArsArsSj第第j颗切削齿的破岩面积；颗切削齿的破岩面积；Rj第第j颗切削齿距旋转中心的距离。颗切削齿距旋转中心的距离。Aj岩石的单位体积破碎功。岩石的单位体积破碎功。 等磨损原则等磨损原则: 等磨损原则的目标函数为使钻头每个切等磨损原则的目标函数为使钻头每个切削齿的磨损速度一致。削齿的磨损速
3、度一致。 由于影响磨损速度的因素众多，目前还由于影响磨损速度的因素众多，目前还没有合理的函数表达式。没有合理的函数表达式。传统传统PDC钻头设计理论的局限性钻头设计理论的局限性 传统传统PDCPDC钻头设计理论与方法，对于钻头设计理论与方法，对于PDCPDC钻头的设计有一定的指导意义，但在钻头的设计有一定的指导意义，但在实际应用过程中还存在许多问题，特别实际应用过程中还存在许多问题，特别对于刮刀式对于刮刀式PDCPDC钻头的设计，理论与实际钻头的设计，理论与实际差距更大。原因在以下几个方面：差距更大。原因在以下几个方面：等切削体积布齿原则可以用于等切削体积布齿原则可以用于PDCPDC钻头的实际
4、设计。但是实际应用钻头的实际设计。但是实际应用表明，按等切削原则设计时，靠近钻头规径部位布齿密度不够，外缘表明，按等切削原则设计时，靠近钻头规径部位布齿密度不够，外缘部分切削齿的磨损比中心区域切削齿大三倍左右。同时等切削体积布部分切削齿的磨损比中心区域切削齿大三倍左右。同时等切削体积布齿原则没有考虑齿与地层的相互作用，不能准确反映切削齿受力以及齿原则没有考虑齿与地层的相互作用，不能准确反映切削齿受力以及磨损的规律。磨损的规律。对于等功率、等磨损原则，由于对钻头齿与地层相互作用的规律的对于等功率、等磨损原则，由于对钻头齿与地层相互作用的规律的研究不够系统完善，还不能用于实际钻头设计。研究不够系统
5、完善，还不能用于实际钻头设计。传统的传统的PDCPDC钻头设计理论用于钻头设计理论用于“满天星满天星”式式PDCPDC钻头结构设计精度较钻头结构设计精度较高，但刮刀式高，但刮刀式PDCPDC钻头的结构与钻头的结构与“满天星满天星”式式PDCPDC钻头结构形式差别巨钻头结构形式差别巨大，其设计理论在传统理论的基础上发展完善。大，其设计理论在传统理论的基础上发展完善。 图1PDCPDC钻头的不平衡力钻头的不平衡力二）二）PDCPDC钻头设计理论的最新研究成果钻头设计理论的最新研究成果1）平衡力设计）平衡力设计 由于钻头齿的受力的合力不平衡（如由于钻头齿的受力的合力不平衡（如图图1），在旋转过程中使
6、钻头的旋转中心），在旋转过程中使钻头的旋转中心偏离井眼中心，造成钻头在公转的同时偏离井眼中心，造成钻头在公转的同时伴有间断性自转，从而形成涡动。伴有间断性自转，从而形成涡动。 平衡力设计的方法 改变切削齿的空间角度消除不平衡力；改变切削齿的空间角度消除不平衡力； 采用不对称刀翼设计消除不平衡力；采用不对称刀翼设计消除不平衡力； 采用低摩擦保径设计抵消不平衡力。采用低摩擦保径设计抵消不平衡力。 采用轨道式布齿形成的沟槽限制钻头采用轨道式布齿形成的沟槽限制钻头的涡动。的涡动。 图2 钻头切削的井底A常规 B涡动图图3 平衡力设计示意平衡力设计示意 改变切削齿的角改变切削齿的角度及位置度及位置不对称
7、刀翼设计不对称刀翼设计图4 轨道布齿示意图同轨道部齿图5 轨道布齿切削的井底 图图5 低摩擦保径低摩擦保径 2）减振齿设计 钻头受钻柱运动的影响以及与地层的钻头受钻柱运动的影响以及与地层的相互作用，纵向振动不可避免。钻头的相互作用，纵向振动不可避免。钻头的纵向振动使的切削齿受到不规则的冲击纵向振动使的切削齿受到不规则的冲击作用，造成切削齿的破坏。为减小切削作用，造成切削齿的破坏。为减小切削齿的冲击破坏，提出了减振设计的方法。齿的冲击破坏，提出了减振设计的方法。该方法主要有两种形式：该方法主要有两种形式： 图图6 冲击抑制器示意图冲击抑制器示意图图8 减振齿设计3)具有自主知识产权的设计理论具有
8、自主知识产权的设计理论 根据刮刀根据刮刀PDC钻头的结构特钻头的结构特点，以钻头实际应用的磨损情况点，以钻头实际应用的磨损情况为依据，结合为依据，结合PDC钻头设计的基钻头设计的基本理论，提出了刮刀本理论，提出了刮刀PDC钻头设钻头设计的新理论：局部强化设计理论。计的新理论：局部强化设计理论。 问题的提出问题的提出 现有的现有的PDC钻头，虽然在传统设计钻头，虽然在传统设计理论为基础设计引入新的设计理论，但理论为基础设计引入新的设计理论，但是在实际应用过程中，在正常磨损的情是在实际应用过程中，在正常磨损的情况下远没有达到等磨损的程度，在鼻部况下远没有达到等磨损的程度，在鼻部至侧部存在明显的偏磨
9、现象，如图所式：至侧部存在明显的偏磨现象，如图所式： 图图7 钻头容易破坏的部位钻头容易破坏的部位图图8 钻头严重磨损部位钻头严重磨损部位严重磨损部位根据钻头受力差异在不同部位使用不同性能的齿 钻头齿受力的有限元分析钻头齿受力的有限元分析原因分析原因分析 由于对于切削齿与地层相互作用的规律认识不够，由于对于切削齿与地层相互作用的规律认识不够，等功率与等磨损原则没有真正的由于实际钻头设计，等功率与等磨损原则没有真正的由于实际钻头设计，而依据传统的等切削体积准则进行的设计存在明显的而依据传统的等切削体积准则进行的设计存在明显的误差。误差。 钻头的冠部形状对钻头不同部位切削齿受力与磨钻头的冠部形状对
10、钻头不同部位切削齿受力与磨损的影响巨大，而至今对于其影响规律没有明确的结损的影响巨大，而至今对于其影响规律没有明确的结论。论。 刮刀式刮刀式PDC钻头的结构形式使钻头的流道畅通无钻头的结构形式使钻头的流道畅通无阻，极大的改善了水力携岩的条件，但其结构形状也阻，极大的改善了水力携岩的条件，但其结构形状也使布齿的空间受到了限制，难以实现等磨损布齿。使布齿的空间受到了限制，难以实现等磨损布齿。 由于切削齿与地层相互作用的规律不可由于切削齿与地层相互作用的规律不可能在短时间内认识清楚，上述问题从根本能在短时间内认识清楚，上述问题从根本上解决条件还不成熟。对于刮刀式钻头结上解决条件还不成熟。对于刮刀式钻
11、头结构，实际应用结果表明刮刀式构，实际应用结果表明刮刀式PDCPDC钻头的宏钻头的宏观结构是理想的观结构是理想的PDCPDC钻头结构形式，钻头的钻头结构形式，钻头的设计应当以这种结构形式为基础。那么，设计应当以这种结构形式为基础。那么，如何解决现有钻头切削齿偏磨的问题，进如何解决现有钻头切削齿偏磨的问题，进一步提高钻头的质量呢？一步提高钻头的质量呢？局部强化设计理论的构思局部强化设计理论的构思 对于刮刀式对于刮刀式PDC钻头，冠部形状、刮钻头，冠部形状、刮刀数确定，钻头局部布齿的有效长度确刀数确定，钻头局部布齿的有效长度确定，局部布齿的数量也即确定。定，局部布齿的数量也即确定。图11 刮刀PD
12、C钻头布齿特点 在此条件下，要解决钻头局部磨损严在此条件下，要解决钻头局部磨损严重的问题只有以下几种途径：重的问题只有以下几种途径： 磨损严重的部位采用最大密度布齿，磨损严重的部位采用最大密度布齿，以最大限度的增加局部切削齿的当量密以最大限度的增加局部切削齿的当量密度，其它部位采用等切削体积布齿；度，其它部位采用等切削体积布齿；极限密度布极限密度布齿部位齿部位强化部位等切削部位图图12钻头布齿密度的基本思路钻头布齿密度的基本思路局部最大密度布齿局部最大密度布齿图图11 钻头布齿密度的三维展示钻头布齿密度的三维展示磨损严重的部位采用高质量的切削齿，磨损严重的部位采用高质量的切削齿，增加局部耐磨性
13、。其它部位采用次品级增加局部耐磨性。其它部位采用次品级的切削齿，使磨损速度达到一致；的切削齿，使磨损速度达到一致；最小间距最小间距不同质量不同质量图图12 实际钻头布齿密度展示实际钻头布齿密度展示 采用不同尺寸的切削齿，增加易磨损采用不同尺寸的切削齿，增加易磨损部位局部的耐磨性部位局部的耐磨性.大小齿组合大小齿组合图图12 大小齿组合的强化方式大小齿组合的强化方式 优化钻头的冠部形状，以增加磨损严优化钻头的冠部形状，以增加磨损严重的部位的总弧长，以在此部位放置更重的部位的总弧长，以在此部位放置更多的齿多的齿。局部强化设计的主要内容局部强化设计的主要内容 钻头易损坏部位局部强化设计；钻头易损坏部
14、位局部强化设计； 适当强化保径部位的布齿密度；适当强化保径部位的布齿密度； 内锥部位的布齿以等切削体积原则设内锥部位的布齿以等切削体积原则设计；计； 钻头的冠部形状、刀翼数量根据地层钻头的冠部形状、刀翼数量根据地层条件确定；条件确定； 钻头切削齿的空间结构参数根据地层钻头切削齿的空间结构参数根据地层条件参考优化设计结果确定。条件参考优化设计结果确定。 通过改变刀翼的角度达到平衡力设计通过改变刀翼的角度达到平衡力设计。4、PDC钻头的优化设计钻头的优化设计 在进行设计理论研究的同时，还对钻在进行设计理论研究的同时，还对钻头结构参数进行了优化，这些优化设计头结构参数进行了优化，这些优化设计包括：包
15、括：1）钻头结构的三维设计与仿真三维仿真三维仿真 三维结构设计展示三维结构设计展示图图15 三维干涉验证三维干涉验证图图21 钢体三维设计钢体三维设计水力结构参数的三维结构设计水力结构参数的三维结构设计 喷嘴角度与喷嘴角度与位置是有限元数位置是有限元数值模拟的计算结值模拟的计算结果。使射流的携果。使射流的携岩效果和水射流岩效果和水射流辅助破岩效果都辅助破岩效果都达到最优。达到最优。刀翼及水道的三维设计刀翼及水道的三维设计 为使岩粉尽为使岩粉尽快排离井底，避快排离井底，避免出现二次破碎免出现二次破碎现象，防止钻头现象，防止钻头泥包，在钻头强泥包，在钻头强度允许的前提下，度允许的前提下，最大限度的
16、增加最大限度的增加过流空间。过流空间。2）水力结构的优化设计）水力结构的优化设计 利用利用ansys软件进行了水力结构的优化设计软件进行了水力结构的优化设计 窄刀翼流道深 中心喷嘴大角度图图18 水力结构的优化结果水力结构的优化结果短保径短保径保保径径齿齿出出刃刃图图18 保径部分结构设计保径部分结构设计冠 部 形 状 设 计打 开 数 据 库等 体 积 原 则 布 齿 设 计加 载 系 统创 建 数 据 库切 削 齿 刀 翼 位 置 确 定切 削 齿 空 间 结 构 参 数 确 定局 部 强 化 设 计满 意 否输 出 钻 头 结 构 数 据否是平 衡 力 设 计聚晶聚晶金刚石层金刚石层 针
17、对长裸眼段、盐膏层等复杂针对长裸眼段、盐膏层等复杂井段，以及定向井钻井，采用适井段，以及定向井钻井，采用适合于倒划眼工艺的设计，每个刀合于倒划眼工艺的设计，每个刀翼加装倒划眼齿，以利于在易缩翼加装倒划眼齿，以利于在易缩径井段顺利倒划起出钻头。径井段顺利倒划起出钻头。 6.876.872.332.331.81.82.282.280.850.850.720.726.926.920.570.570.950.950 01 12 23 34 45 56 67 78 816(171/2)16(171/2)121/4121/481/281/257/8-65/857/8-65/857/8以下57/8以下200
18、2年2002年2003年2003年389.02389.0284.6584.65307.7307.733.8433.84759.84759.84589.34589.34335.75335.7539.139.164.6964.690 010010020020030030040040050050060060070070080080016(171/2)16(171/2)121/4121/481/281/257/8-65/857/8-65/857/8以下57/8以下2002年2002年2003年2003年18.0418.046.816.811.521.521.031.035.765.764.314.31
19、1.531.5302468101214161820121/481/257/8-65/857/8以下2002年2003年787.81787.81890.33890.336 6148.26148.26447.03447.03442.27442.2794.5994.5901002003004005006007008009001000121/481/257/8-65/857/8以下2002年2002年2003年2003年8.978.971.021.021.261.260.780.781.691.691.681.6801234567891016(171/2)121/481/257/8-65/82002年
20、2002年2003年2003年127.09127.09358.89358.89939.17939.1752.9452.94263.87263.87405.22405.220100200300400500600700800900100016(171/2)121/481/257/8-65/82002年2002年2003年2003年3.893.896.876.872.352.354.034.030.90.90.820.823.253.254.544.544.244.241.281.280.950.958.388.3801234567891016(171/2)121/481/257/8-65/857/8以下合计2002年2002年2003年2003年595.66595.66759.84759.84403.74403.7486.986.938.8638.86442.76442.76822.56822.56470.6470.6437.82437.8276.3576.3564.6964.69371.99371.99010020030040050060070080090016(171/2)121/481/257/8-65/857/8以下合计2002年2002年2003年2003年
