專(zhuān)利名稱(chēng)：用于確定聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭參數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油氣鉆探開(kāi)采所用設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及此種類(lèi)型設(shè)備中所用聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)鉆頭的噴嘴相關(guān)參數(shù)的確定方法。
背景技術(shù)：
鉆鑿工業(yè)使用旋轉(zhuǎn)牽引鉆頭已經(jīng)近百年，并且從那時(shí)起已經(jīng)經(jīng)歷了顯著的變化。 今天最常見(jiàn)的旋轉(zhuǎn)牽引式鉆頭是孕鑲金剛石鉆頭和帶有聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)切削元件的鉆頭。PDC鉆頭切削元件通常包括形成在支撐基底上的盤(pán)形金剛石"臺(tái)面"(如燒結(jié)碳化鎢(WC)基底等)并在高溫高壓條件下粘結(jié)于該基底。許多單獨(dú)的PDC切削元件插入并固定(例如銅焊等)在鉆頭表面的凹槽中并形成從表面伸出的刀片，或者安裝為立插在鉆頭主體內(nèi)。具有PDC切削元件的鉆頭已被證明在鉆鑿地下巖層時(shí)在實(shí)現(xiàn)高的鉆速(ROP) 方面非常有效，同時(shí)表現(xiàn)出低到中等的壓縮強(qiáng)度。鉆井的經(jīng)濟(jì)成本強(qiáng)烈依賴(lài)于鉆速(ROP)或鉆頭鉆入地層的速率，它們通常以英尺每小時(shí)(或米每小時(shí))來(lái)計(jì)量。因此，根據(jù)幾個(gè)約束條件，例如受限于地層特性、鉆井流體特性及其他，鉆井承包商設(shè)法使鉆速(ROP)最大化，使每鉆一英尺(或一米)的費(fèi)用最小化。除了特定鉆頭的鉆井速度之外，影響鉆井經(jīng)濟(jì)效率的另一重要因素是鉆頭持久性或切削元件磨損率。也就是說(shuō)，希望具有一種鉆頭，在它由于切削元件變鈍或破壞之前壽命盡可能長(zhǎng)。鉆井泥漿在PDC鉆頭鉆進(jìn)中起十分重要作用。泥漿不僅僅將巖屑帶離井底，同時(shí)還起著冷卻復(fù)合片，沖擊破巖，防止泥包的作用。尤其是在軟地層中，沖擊破巖的作用更為明顯。但是過(guò)去PDC鉆頭噴嘴的大小、角度以及位置的確定往往依靠與經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，噴嘴的大小、位置、角度沒(méi)有經(jīng)過(guò)優(yōu)化確定，或者無(wú)法進(jìn)行優(yōu)化確定。無(wú)法將鉆井泥漿的冷卻復(fù)合片作用、輔助破巖作用和防止泥包的作用發(fā)揮的更好。因此，本發(fā)明的目的是確定與PDC鉆頭噴嘴的大小、位置、角度相關(guān)的參數(shù)，以提高PDC鉆頭的性能，提高鉆井作業(yè)的效率。

發(fā)明內(nèi)容
為充分發(fā)揮出鉆井泥漿在PDC鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中的輔助作用，本申請(qǐng)使用先進(jìn)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，利用流體分析軟件對(duì)鉆頭工作時(shí)的井底流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，然后利用分析結(jié)果確定鉆頭噴嘴的大小、位置、角度。


附圖1所示為PDC鉆頭從鉆頭底部觀(guān)察的仰視圖；附圖2所示為PDC鉆頭的側(cè)視圖；附圖3所示為根據(jù)本發(fā)明確定PDC鉆頭噴嘴參數(shù)的流程圖。
具體實(shí)施例方式附圖1顯示了 PDC鉆頭從鉆頭底部觀(guān)察的仰視圖，其顯示了該鉆頭的主要部分的結(jié)構(gòu)，其中字母B指示的是刀翼，刀翼的數(shù)目為多個(gè)，本申請(qǐng)中采用Bi，B2，B3. . . Bn的方式對(duì)其進(jìn)行排序，η表示刀翼的數(shù)目。字母N指示的是噴嘴，噴嘴的數(shù)目為多個(gè)，本申請(qǐng)中采用Ni，Ν2, Ν3. . . Nn的方式對(duì)其進(jìn)行排序；其中的字母C表示切削齒，其數(shù)目為多個(gè)。附圖2顯示了 PDC鉆頭的側(cè)視圖，其中的右側(cè)箭頭指示的是鉆井液的入口 1，而左側(cè)箭頭指示的是鉆井液出口 2，入口 1的鉆井液入口流量采用字母P表示，而鉆井液出口 2 的出口壓力采用字母P表示。附圖3顯示了確定PDC鉆頭噴嘴的參數(shù)的步驟，其執(zhí)行順序如下步驟Sl 首先利用三維設(shè)計(jì)軟件完成PDC鉆頭的三維設(shè)計(jì)。三維設(shè)計(jì)中包括PDC 鉆頭噴嘴的大小，分布位置，以及角度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆井的要求確定總的噴嘴面積大小等于每個(gè)噴嘴面積大小之和TFA(總的噴嘴面積大小)=S(N1)+S(N2).....+S(Nn) (η表示刀翼的數(shù)目)根據(jù)鉆頭的機(jī)械鉆速計(jì)算每個(gè)刀翼相應(yīng)的切削體積，每個(gè)刀翼的切削體積相當(dāng)于每個(gè)刀翼對(duì)應(yīng)切削齒的切削總和Vn = V(Cl)+V(C2).…+V(Cn)根據(jù)鉆頭的刀翼數(shù)量及結(jié)構(gòu)先設(shè)計(jì)好噴嘴，每個(gè)噴嘴的設(shè)計(jì)變量有五個(gè)1.表示噴嘴空間位置的0(n，Yn, Zn)2.表示噴嘴角度的(Un，Vn)步驟S2 然后利用流體分析軟件分析PDC鉆頭工作時(shí)的井底流場(chǎng)。分析時(shí)輸入的邊界條件包括鉆頭入口，鉆頭出口，入口流量大小，出口壓力大小。根據(jù)鉆頭現(xiàn)場(chǎng)條件確定流體入口流量L。根據(jù)鉆頭現(xiàn)場(chǎng)條件確定流體出口壓力P。根據(jù)鉆頭現(xiàn)場(chǎng)條件確定流體的密度及粘度的物理屬性。步驟S3 分析后得到的結(jié)果主要是各出口的流量。結(jié)果分析主要是判斷各個(gè)出口的流量是否與鉆頭設(shè)計(jì)需要的流量相一致。分析判據(jù)各個(gè)出口流量比例Fl F2 .. 每個(gè)刀翼切削量Vl V2. . . Vn如果軟件分析結(jié)果與PDC鉆頭設(shè)計(jì)時(shí)的要求不相符合，即可重新對(duì)PDC鉆頭進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，調(diào)整鉆頭噴嘴的大小，分布位置和角度，重復(fù)步驟多次。使流體分析的結(jié)果與設(shè)計(jì)基本相符合。本發(fā)明的有益效果是利用流體分析軟件的分析作用。將PDC鉆頭噴嘴的位置，大小，和角度進(jìn)行優(yōu)化，提高了鉆井液在鉆頭鉆進(jìn)中的輔助作用，提高了鉆井效率。
權(quán)利要求
1.用于確定聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭的噴嘴參數(shù)的方法，該鉆頭包括布置在鉆頭基體上的刀翼；設(shè)置在刀翼上的多個(gè)切削齒；與所述刀翼相應(yīng)設(shè)置的鉆井液噴嘴，該設(shè)計(jì)方法包括如下步驟(1)設(shè)計(jì)出該鉆頭三維幾何模型，給每個(gè)噴嘴一個(gè)預(yù)定位置，角度及大??；(2)將模型輸入流體分析軟件中進(jìn)行模擬分析，得出分析結(jié)果；(3)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行分析判斷，如果分析結(jié)果不符合設(shè)計(jì)要求，則重新調(diào)整噴嘴位置， 角度及大??；(4)重復(fù)上述步驟(1)-(3)，直至模擬分析結(jié)果符合要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述設(shè)計(jì)要求包括鉆頭每個(gè)流道的流量與鉆頭設(shè)計(jì)相關(guān)特征刀翼數(shù)量，復(fù)合片分布相對(duì)應(yīng)，即各個(gè)出口流量比例近似等于每個(gè)刀翼切削量之比。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，每個(gè)噴嘴有一個(gè)初始位置、和初始角度， 分析結(jié)果包括每個(gè)流道模擬流量(Fl，F(xiàn)2......Fn)。
全文摘要
用于確定聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭的噴嘴參數(shù)的方法，該鉆頭包括布置在鉆頭基體上的刀翼；設(shè)置在刀翼上的多個(gè)切削齒；與所述刀翼相應(yīng)設(shè)置的鉆井液噴嘴，該設(shè)計(jì)方法包括如下步驟設(shè)計(jì)出該鉆頭三維幾何模型，給每個(gè)噴嘴一個(gè)預(yù)定位置，角度及大小；將模型輸入流體分析軟件中進(jìn)行模擬分析，得出分析結(jié)果；對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行分析判斷，如果分析結(jié)果不符合設(shè)計(jì)要求，則重新調(diào)整噴嘴位置，角度及大??；重復(fù)上述步驟(1)-(3)，直至模擬分析結(jié)果符合要求。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102201018SQ201010133288
公開(kāi)日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2010年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月26日
發(fā)明者況雨春, 彭小軍, 李猛, 杜向東, 閉磊, 饒巖巖 申請(qǐng)人:成都百施特金剛石鉆頭有限公司