[發明專利]一種提升攜巖能力的流線型PDC鉆頭及其設計方法

有效

• 申請號: 202110432296.4
• 申請日: 2021-04-21
• 公開（公告）號: CN113107373B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 蔡燦;蒲治成;高超;譚政博;王官平;楊顯鵬;張沛;曹煜磊;何文
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: E21B10/43
• 分類號: E21B10/43;E21B10/60;G06F30/17;G06F30/20
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本發明涉及一種提升攜巖能力的流線型PDC鉆頭及其設計方法，所述流線型PDC鉆頭本體上布置有5個新型流線型刀翼，每相鄰兩個刀翼尾部之間的流道布置有一個不對稱扭曲分流葉片。該提升攜巖能力的流線型PDC鉆頭設計方法包括新型流線型刀翼設計方法及不對稱扭曲分流葉片設計方法兩大部分。本發明與傳統PDC鉆頭相比，在相鄰兩個刀翼尾部之間的流道增加了分流葉片，且刀翼采用新型流線型設計，加快了環空流體流速，從而能夠提升鉆頭攜巖效率、防止泥包產生，提高鉆井效率。

技術領域

本發明涉及一種提升攜巖能力的流線型PDC鉆頭及其設計方法，屬于鉆井工程裝備領域。

技術背景

PDC鉆頭是上世紀二十年代出現的一種切削型鉆頭，是在鉆頭胎體或剛體上鑲焊或鑲嵌了人工合成的金剛石復合片，這種復合片能夠通過切削的式來破碎井底的巖石，由于具有較高的機械鉆速和較長的使用壽命等優點，近年來已成為油氣勘探開發中的主力鉆井裝備。但PDC鉆頭在泥巖或泥質含量較高的地層鉆進過程中的泥包問題、攜巖效率低都是目前需要進一步解決的難題。

針對上述問題，提出一種提升攜巖能力的流線型PDC鉆頭及其設計方法。

發明內容

本發明的第一個目的是提供了一種提升攜巖能力的流線型PDC鉆頭，以減少泥包產生，提升鉆井效率。

一種提升攜巖能力的流線型PDC鉆頭，包括鉆頭本體、新型流線型刀翼、PDC齒、保徑齒、分流葉片。

所述鉆頭本體上布置有5個新型流線型刀翼，每相鄰兩個刀翼尾部之間的流道中布置有一個分流葉片，分流葉片與鉆頭本體固定連接。

所述分流葉片為不對稱扭曲葉片，葉片根部至葉緣翼型由不等厚度不等弦長的翼型組成，每個導流葉片均由空間截面Span＝0、0.25、0.50、0.75、 1.0處的5個不同翼型擬合而成，其中Span＝0為葉片根部側截面，Span＝1.0為輪緣側截面。

導流葉片翼型弦長C與刀翼保徑段長度L的比值為0.65～0.75，導流葉片最大厚度d_max與導流葉片翼型弦長C的比值為0.08～0.12，由導流葉片組成的導流葉輪外徑D₁略小于鉆頭外徑D₂。

所述新型流線型刀翼上布置有若干PDC切削齒及若干保徑齒，刀翼保徑段邊線為流線型。

本發明的第二個目的是提供一種提升攜巖能力的流線型PDC鉆頭設計方法，其設計包括以下步驟：

S1：獲取PDC鉆頭的鉆速、鉆井排量、刀翼數量和保徑段長度；

S2：在鉆頭保徑段刀翼初始邊線MN上均勻取點，分別編號為0,1,2…… 6，用旋渦密度函數代替該邊線計算出選取各點的誘導速度；

S3：通過選取點的誘導速度計算出各點對應的α角，再根據α角算出相鄰兩點連線與u軸之間的夾角β_n，然后畫出新的保徑段邊線M'N；

S4：用六次多項式對新的保徑段邊線M'N進行光滑處理；

S5：重復S2-S4步驟，直至達到刀翼流線型設計要求，完成對新型流線型刀翼的迭代設計；

S6：在相鄰兩個刀翼尾部之間的每個流道中布置一個不對稱扭曲分流葉片。

如上所述的一種提升攜巖能力的流線型PDC鉆頭設計方法，其中，旋渦密度函數為：

其中，S是鉆頭保徑段直線坐標；A₀、A₁是2個具有速度量綱的系數，單位為m/s；l是保徑段長度，單位為m。

如上所述的一種提升攜巖能力的流線型PDC鉆頭設計方法，其中，刀翼保徑段曲線上各點α角度是：