油井專用鉆頭設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀研究

1、    油井專用鉆頭設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀研究    李善長(zhǎng)油井鉆頭設(shè)計(jì)分為前期準(zhǔn)備、布齒設(shè)計(jì)、工作性能分析和其他部分設(shè)計(jì)等階段。其中最重要的是布齒設(shè)計(jì)。前期準(zhǔn)備包括根據(jù)現(xiàn)有資料和經(jīng)驗(yàn)確定油井鉆頭尺寸、切削齒大小和數(shù)目、布齒方式、噴嘴等。布齒設(shè)計(jì)階段確定切削齒的參數(shù)，包括油井鉆頭冠部形狀設(shè)計(jì)以及切削結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。油井鉆頭設(shè)計(jì)理論與方法研究進(jìn)展一、剖面設(shè)計(jì)。剖面形狀直接影響油井鉆頭各部位切削齒的受力狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)不同冠部形狀的油井鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)，受力分析結(jié)果表明，在切削面積相同的條件下，平底型油井鉆頭上的各切削齒的受力分布較均勻。錐型油井鉆頭在冠頂附近切削

2、齒的縱向受力比油井鉆頭中心和外緣處要大得多，而側(cè)向受力則完全相反。錐面越長(zhǎng)，受力分布越不均勻。因此，具有深內(nèi)錐的油井鉆頭，其穩(wěn)定性較好。外錐齒的側(cè)向力只有在平衡的條件下才能起到穩(wěn)定油井鉆頭的作用，否則會(huì)使油井鉆頭偏離旋轉(zhuǎn)中心，容易崩碎或加速磨損。二、布齒設(shè)計(jì)。切削齒的加速磨損和沖擊碎裂是影響油井鉆頭在硬的、研磨性地層中鉆進(jìn)效果的兩個(gè)主要因素。為提高油井鉆頭鉆進(jìn)硬的、研磨性地層的水平，國(guó)內(nèi)油井鉆頭設(shè)計(jì)者都把工作的重點(diǎn)集中在改善油井鉆頭的抗沖擊性和耐磨性方面。在布齒設(shè)計(jì)中主要有以下2個(gè)方面的嘗試：第一，通過(guò)減小切削齒尺寸、增加切削齒和刀翼數(shù)量來(lái)提高油井鉆頭的耐磨性；第二，采用同軌跡布齒方法來(lái)提高油

3、井鉆頭的穩(wěn)定性。這兩種設(shè)計(jì)上的改進(jìn)雖然使油井鉆頭工作壽命有了一定程度的提高，但其鉆進(jìn)速度并不令人滿意。采用高密度布齒，增大了金剛石的體積，確實(shí)可以提高油井鉆頭的耐磨性，但通常給鉆進(jìn)速度帶來(lái)負(fù)面影響。硬地層需要高鉆壓來(lái)克服巖石的門(mén)限剪切強(qiáng)度。但考慮到切削齒的熱加速磨損問(wèn)題，又不能無(wú)限制地增大鉆壓。因此，高密度布齒設(shè)計(jì)的結(jié)果往往導(dǎo)致切削齒刮擦而不是有效剪切井底巖石。在布齒密度較小的情況下，較大的載荷作用可使切削齒有效地吃入并剪切破碎巖石，不僅鉆進(jìn)效率高，而且會(huì)減少切削齒與巖石的接觸時(shí)間。相反，當(dāng)布齒密度較高時(shí)，切削齒受力較小，結(jié)果是以研磨方式而不是剪切方式破碎巖石，不但破巖效率低，而且增加了切削齒

4、與巖石的接觸時(shí)間。破巖效率的降低和切削齒與巖石接觸時(shí)間的增加，可能是限制高密度布齒的油井鉆頭在硬地層中鉆進(jìn)效果的主要原因。此外，高密度布齒對(duì)水力作用的不利影響也是限制油井鉆頭性能的原因之一。三、水力學(xué)研究。在對(duì)新型油井鉆頭的研制過(guò)程中，在材料和結(jié)構(gòu)的研究達(dá)到一定程度以后，運(yùn)用流體力學(xué)方法來(lái)分析油井鉆頭頭部水力場(chǎng)顯得尤為重要，甚至成為提高油井鉆頭鉆進(jìn)速度和使用壽命的決定性因素。主要研究目的為：一是防止油井鉆頭泥包，以提高機(jī)械鉆速和延長(zhǎng)使用壽命；二是使流動(dòng)平穩(wěn)，提高流體的清巖和冷卻切削齒能力；三是減少漩渦和射流對(duì)切削齒的沖擊以防止斷齒。目前的研究手段為通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，分析在不同油井鉆頭形態(tài)和水

5、力參數(shù)條件下流場(chǎng)的異同，以期找到改善油井鉆頭形態(tài)調(diào)整水力參數(shù)的方向。油井鉆頭設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展一、cad的發(fā)展。目前，油井鉆頭大都采用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)及整體模擬技術(shù)設(shè)計(jì)，運(yùn)用cad、優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)仿真等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，自行開(kāi)發(fā)的一套專用設(shè)計(jì)軟件。它由幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作性能模擬和cad繪制設(shè)計(jì)圖三部分組成，實(shí)現(xiàn)油井鉆頭設(shè)計(jì)全過(guò)程的電算化。應(yīng)用表明，該套軟件原理新穎、速度快、精度高、操作方便，完全實(shí)現(xiàn)了油井鉆頭設(shè)計(jì)、分析和繪圖全過(guò)程的電算化，能夠大幅度提高油井鉆頭的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，大大提高了油井鉆頭設(shè)計(jì)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。二、三維設(shè)計(jì)的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外有大量的文獻(xiàn)介紹了 油井鉆頭的設(shè)計(jì)理論和方法，對(duì)油井鉆

6、頭冠部及切削齒的設(shè)計(jì)提出了許多假設(shè)和理論計(jì)算。通常的做法是由研究人員提供設(shè)計(jì)思路，合作制造單位根據(jù)思路設(shè)計(jì)油井鉆頭的原理圖，然后根據(jù)原理圖制作實(shí)物模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這個(gè)過(guò)程的缺點(diǎn)有3點(diǎn)：設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)；修改非常困難；設(shè)計(jì)成本高。針對(duì)這種情況，通過(guò)實(shí)踐，探索了一條數(shù)字化設(shè)計(jì)油井鉆頭的方法，不僅可以直接從原理生成三維油井鉆頭模型，而且可以根據(jù)設(shè)計(jì)平面圖直接生成三維油井鉆頭模型，由三維油井鉆頭模型直接轉(zhuǎn)換到numeca這樣的大型分析軟件進(jìn)行網(wǎng)格生成并進(jìn)行分析計(jì)算，經(jīng)過(guò)后處理分析發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)修改油井鉆頭的設(shè)計(jì)參數(shù)，然后再進(jìn)行設(shè)計(jì)分析直至得到滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果。這樣就省略了80%的中間過(guò)程，大大地提高了設(shè)計(jì)的效率。國(guó)內(nèi)研究的最新動(dòng)向近年來(lái)，國(guó)外在井底流場(chǎng)和水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究相繼越來(lái)越多。而國(guó)內(nèi)對(duì)油井鉆頭在井底流場(chǎng)和水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究還較少，只對(duì)改善油井鉆頭