PDC鉆頭設(shè)計(jì)課件解讀

1、CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. PDC鉆頭設(shè)計(jì)理念介紹 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?理解鉆頭剖面結(jié)構(gòu) ?剖面結(jié)構(gòu)對(duì)

2、鉆頭性能的影響 ?后倒角特點(diǎn) ?力平衡設(shè)計(jì) ?切削結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ?新的設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用 - IDEAS 內(nèi)容 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 鉆頭剖面 ?鉆頭剖面直接影響到以下性能: 鉆頭穩(wěn)定性 鉆頭導(dǎo)向性 布齒密度 鉆頭壽命 ROP 清洗和冷卻效果 ?注：鉆頭的剖面設(shè)計(jì)必須與鉆井環(huán)境需要相匹配 CONFIDENTIAL: For Internal Use Onl

3、y. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 鉆頭剖面結(jié)構(gòu)組成 ?鉆頭剖面包括: 頂點(diǎn) 錐形面 鼻部 肩部 外徑弧面 保徑部分 頂點(diǎn) 錐形面 鼻部 保徑部分 外徑弧面 肩部 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc

4、. 錐面角 ?頂點(diǎn) 鉆頭的幾何中心點(diǎn) ?錐面 通常用角度來(lái)表示特點(diǎn)： 深錐面 (90) 淺錐面 (150) CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 深錐面特點(diǎn) ?優(yōu)點(diǎn)： 較高的穩(wěn)定性 中心區(qū)域的金剛石覆蓋率大 ?不足之處： 導(dǎo)向性不好； 清洗效果不好； 攻擊能力低。 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be di

5、sclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 淺錐面特點(diǎn)： ?優(yōu)點(diǎn)： 導(dǎo)向性強(qiáng)； 清洗效果好； 攻擊性強(qiáng)。 ?不足之處： 穩(wěn)定性差； 金剛石覆蓋率低。 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 鼻部位置定義 ?鼻部定義 L R CONFIDEN

6、TIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 鼻部曲面特點(diǎn) ?大曲面 (R)：通過(guò)大的表面面積來(lái)達(dá)到很好的抗沖擊能力，適合在硬且?jiàn)A層多的地層中使用。 ?小或稱尖曲面 (r)：可在切削片上形成較高的點(diǎn)式?jīng)_擊，適合于軟且均質(zhì)性好的地層。得到較高的ROP. R r CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used o

7、r reproduced without written permission from Smith International, Inc. 鼻部與中心距離的關(guān)系 ?鼻部與中心距離小可提供給肩部更大的表面面積和布齒密度， 適合軟但是研磨性強(qiáng)的地層 ?鼻部與保徑部位距離近可給鉆頭冠部提供更大冠面面積 從而得到更好的沖擊能力， ? 適合比較硬的地層 L L CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith Intern

8、ational, Inc. 肩部，外徑曲面和保徑 ?肩部 從鼻部外緣線到過(guò)渡面的曲面部分。 ?外徑曲面 “外徑曲面” 保持肩部和保徑部分之間光滑的曲面。 ?保徑 有助于鉆頭穩(wěn)定和保持井眼尺寸。 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 鉆頭冠面的類(lèi)型 ?4 種常規(guī)類(lèi)型： 平拋面 短拋面 中拋面 長(zhǎng)拋面 ?平拋面常用在較硬且研磨性弱的地層；而長(zhǎng)拋面常用在較軟而且研磨性很

9、強(qiáng)的地層。 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 平拋面 應(yīng)用： ?硬，非研磨性地層 ?(Ej.: L石灰?guī)r，白云巖) ? 強(qiáng)力定向作業(yè) 鉆頭冠面的類(lèi)型 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission f

10、rom Smith International, Inc. 應(yīng)用： ? 硬且中等研磨性地層 (Ej.: Calcareous sandstone, limestone, cherts) ? 典型的定向作業(yè) 短拋面 鉆頭冠面的類(lèi)型 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 應(yīng)用: ?中硬到硬且研磨性強(qiáng)的地層 (i.e.: Sandstone, limestone, ha

11、rd shales) ? 轉(zhuǎn)盤(pán)或是馬達(dá)鉆井作業(yè) 中拋面 鉆頭冠面的類(lèi)型 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 應(yīng)用： ? 軟且研磨性地層 (i.e.: 硅質(zhì) shales, silicious clays) ? 適合轉(zhuǎn)盤(pán)鉆進(jìn) 長(zhǎng)拋面 鉆頭冠面的類(lèi)型 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed,

12、 used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 鉆頭冠面的類(lèi)型 短拋面 中拋面 平拋面 長(zhǎng)拋面 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 后倒角 ?這個(gè)角度的大小決定了PDC切削片攻擊地層的能力。 ?大后倒角可以提高抗沖擊能力和研磨能力。 ?小后倒角可以提高機(jī)械

13、鉆速。 ?整個(gè)鉆頭上使用的后倒率是不一樣的， ?這樣可以得到不同的目的， ?比如ROP 和壽命。 B.R B.R CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 10 30 后倒角 ?攻擊性較強(qiáng)，適合于軟地層，可取得很高的機(jī)械鉆速。 ?攻擊性較弱，適合于較硬地層，機(jī)械鉆速低。 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be d

14、isclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 典型使用的后倒角 ? 后倒角 5 to 10 15 20 30 ?地層硬度特性 非常軟的粘土和泥巖。 高 ROP 適合所有地層。 最好的應(yīng)用是在軟地層中shale) 適合所有地層 切削片壽命長(zhǎng) 最好是用在研磨性的砂巖地層 比較硬的地層 典型的應(yīng)用在保徑部位 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced withou

15、t written permission from Smith International, Inc. 6 blades / 16mm cutters 12.25” M616VPX, ER20091 Back Rake 30 15 20 25 后倒角的布置 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?鉆頭冠面特點(diǎn) ?切削結(jié)構(gòu) 多套切削特點(diǎn) 單套切削結(jié)構(gòu) - New I

16、DEAS2 ?力平衡 ?刀翼分布 ?刀翼和保徑幾何形狀 ?Lo-Vibe (可選)特性 ?特殊切削結(jié)構(gòu) (e.g.: ARCS) 穩(wěn)定性特性影響因素介紹 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?震動(dòng)可能是由于鉆頭的特征產(chǎn)生的。 ?有些特征是可見(jiàn)的，而有些是不可見(jiàn)的。 ?可見(jiàn)的特征包括：刀翼形狀和布置，保徑形狀，低磨阻塊等； ?不可見(jiàn)特征包括：力平衡，復(fù)合片性能和結(jié)

17、構(gòu)等。 加強(qiáng)穩(wěn)定性特征 切削結(jié)構(gòu) CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 定義: 通過(guò)獨(dú)特的設(shè)計(jì)，來(lái)布置PDC 復(fù)合片從而達(dá)到預(yù)期的性能和壽命。 目標(biāo): 通過(guò)獨(dú)特的井底覆蓋模式來(lái)滿足不同的需求（硬度，研磨性，潛在的震動(dòng)等） ，達(dá)到用戶滿意。 切削結(jié)構(gòu) CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed,

18、 used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?鉆頭的性能和鉆井效率直接受切削齒的布置類(lèi)型影響。 ?多種布齒特點(diǎn)可能達(dá)到理想的性能和壽命的目的。 重點(diǎn) 切削結(jié)構(gòu) CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 主要有兩種 類(lèi)型: ? 單一模式 每一條曲面軌跡只對(duì)應(yīng)一

19、顆PDC齒 ? 多元模式 每一條曲面軌跡對(duì)應(yīng)著一顆以上的PDC齒 切削結(jié)構(gòu)的類(lèi)型 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?最早期的和最常用的切削齒布置模式。 ?切削齒沿著剖面分布，已達(dá)到完全的覆蓋井底。 ?這種布置結(jié)構(gòu)就是單一 ?模式，是每一顆齒都單一模式 1 1 1 1 1 1 1 1 切削結(jié)構(gòu) CONFIDENTIAL: For Internal Use On

20、ly. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. Single Set (No Redundancy) 6 bladed bit C L r1 1 2 3 4 5 6 . 切削結(jié)構(gòu) CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International,

21、Inc. 順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 單一模式布置類(lèi)型 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 單一模式布置類(lèi)型 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith I

22、nternational, Inc. 順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn). 單一模式布置類(lèi)型 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 比逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)類(lèi)型穩(wěn)定性要差，很難達(dá)到要求的穩(wěn)定性。 攻擊性相對(duì)較強(qiáng)。 ?逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 非常好的穩(wěn)定性。 攻擊性比順時(shí)針旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)要弱。 單一模式布置類(lèi)型 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May

23、not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 穩(wěn)定性 脊高 Rh1 Rh2 Rh1 Rh2 = Rh1 更穩(wěn)定 切削結(jié)構(gòu) CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?鉆頭的性能（穩(wěn)定性）和鉆井效率（ROP）都直接的受切削齒布置

24、得影響。 ?在實(shí)際使用中，切削齒的不同的布置方式可能起到鉆頭性能和壽命的最佳效果。 多元化切削齒的布置 切削結(jié)構(gòu) CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?所謂多元是指多套的切削齒結(jié)構(gòu)； ?其中每一套都包含了一系列的切削齒 ?在每一套中的切削齒都有其各自的運(yùn)動(dòng)軌跡 Plural Set Single Set 2 2 2 3 3 5 7 10 1 1 1 1 1 1

25、1 1 1 3 5 7 2 4 6 8 C L Gauge 1 1 1 1 9 10 切削結(jié)構(gòu) 多元化切削齒的布置 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?多元化的布置會(huì)形成比單一模式的更明顯的脊結(jié)構(gòu) Plural Set Cn = 2 Single Set Cn = 1 2 4 6 8 1 3 5 7 2 4 6 8 切削結(jié)構(gòu) 多元化切削齒的布置 CONFIDE

26、NTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 力平衡 ? 不可見(jiàn)的減小震動(dòng)的特征 ?在各種特定的使用參數(shù)下，電腦模擬PDC齒和巖石的接觸特征。 ? 該程序可計(jì)算力、扭矩、鉆時(shí)和PDC齒磨損情況。 ? 這種程序可概括欠平衡力的大小、方向和相互關(guān)系。 切削結(jié)構(gòu) CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used o

27、r reproduced without written permission from Smith International, Inc. 切削齒的位置由以下因素來(lái)確定： ? 徑向位置 ? 剖面角度 ? 刀翼圓周角 ? 后倒角 ? 側(cè)倒角 ? 切削齒外露高度 切削結(jié)構(gòu) 力平衡 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 切削齒的分布和定位 ?徑向位置 指鉆頭中心到復(fù)合

28、片面中心點(diǎn)的距離 。 ?傾角 指復(fù)合片沿著鉆頭剖面方向與鉆頭軸線垂直向的夾角。 R.PI.A力平衡 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?角位置 如圖所示，鉆頭的 0基準(zhǔn)線和通過(guò)復(fù)合片面中心線的角度 ?側(cè)倒角 指復(fù)合片面部延長(zhǎng)線和通過(guò)鉆頭中心線的夾角。 A.P?Ref.S.R0?力平衡 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. M

29、ay not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?縱向位置 從基準(zhǔn)水平線到復(fù)合片面中心線間的垂直距離。 0 REF.L.P所有的上述數(shù)據(jù)輸入電腦程序，將有助于利用先進(jìn)的軟件來(lái)模擬每一顆切削齒與地層的切削模式和受力分析。 力平衡 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Sm

30、ith International, Inc. 基本的復(fù)合片參數(shù) 力平衡 切削齒序號(hào) 徑向位置 圓周角 齒高 剖面角度 后倒角 側(cè)倒角 復(fù)合片尺寸 復(fù)合片尺寸 刀翼號(hào) CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. 復(fù)合片受力圖 Fv = Vertical Force (WOB) Fc = Circumferential Force (RPM) Fr = Radial Fo

31、rce Fn = Normal Force (Resultant) Fc Fn Fv Fr . 力平衡 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?切削的形狀 ?切削地層形成的形狀對(duì)鉆頭的穩(wěn)定性有影響。 ?對(duì)稱切削 (理想狀態(tài)) 沒(méi)有偏離的作用力產(chǎn)生 (徑向力). ?非對(duì)稱的切削形狀會(huì)產(chǎn)生使鉆頭產(chǎn)生偏心運(yùn)動(dòng)偏離作用力 Total Radial Force = 0 Fn

32、1 Fn2 Fc2 Fc1 Fr1 Fv1 Fn Fv2 Fr2 力平衡 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?非對(duì)稱的切削形狀 ?實(shí)際切削狀態(tài)是非對(duì)稱的切削形狀。 ?結(jié)果就是，偏心作用力迫使鉆頭橫向運(yùn)動(dòng)。 Fn2 Fc2 Fv2 Fr2 Fn1 Fc1 Fr1 Fv1 Fn Total Radial Force 0 力平衡 CONFIDENTIAL: For

33、Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?欠平衡力 ?隨著鉆頭的工作，鉆壓作用在切削齒上，總扭矩也就通過(guò)所有轉(zhuǎn)動(dòng)力（FC)產(chǎn)生了。 Fc Fc Fr Fr Fc Fc Fr Fr r WOB WOB X X 力平衡 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written

34、permission from Smith International, Inc. CIF2 ?所有的徑向力和轉(zhuǎn)動(dòng)力累加起來(lái)就決定了欠平衡力的大小和方向。 ?兩個(gè)欠平衡力的合力就是總的欠平衡力。 RIF TIF2 TIF CIF 力平衡 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?直刀翼和螺旋刀翼 ?刀翼的形狀和布置對(duì)減少鉆頭震動(dòng)，有一定的影響。 螺旋刀翼 ai ai

35、+1 直刀翼 刀翼形狀 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?直刀翼和螺旋刀翼 ?對(duì)于直刀翼來(lái)說(shuō)，切削齒的徑向力完全累加到了保徑上。 ?而螺旋刀翼，僅是部分的徑向力作用在了保徑上，是比直刀翼的影響小的。 Fr 1 Fr 2 Fr 3 Fr 4 Fr 5 Fr 6 Fr 1 Fr 2 Fr 3 Fr 4 Fr 5 Fr 6 S Fri S Fri cos ai S

36、 Fri S Fri cos ai 刀翼形狀 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?直刀翼和螺旋刀翼(cont.) ?較低的保徑應(yīng)力減小了鉆頭隨保徑本身轉(zhuǎn)動(dòng)的幾率。 ?同時(shí)，因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的震動(dòng)破壞了也降低到了最小化。 刀翼形狀 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or

37、reproduced without written permission from Smith International, Inc. 螺旋刀翼 ?減小保徑所受應(yīng)力，最小化震動(dòng)發(fā)生，提高穩(wěn)定性。 ?是保證力平衡的主要結(jié)構(gòu)。 刀翼形狀 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smith International, Inc. ?對(duì)稱 與 非對(duì)稱 ?對(duì)稱刀翼是指在相鄰的兩個(gè)刀翼之間的角度是相等的。 ?由于是對(duì)稱的，產(chǎn)生的震動(dòng)是重復(fù)的且不斷擴(kuò)大 R s 刀翼布置 CONFIDENTIAL: For Internal Use Only. May not be disclosed, used or reproduced without written permission from Smit