PDC钻头设计课件

• 鼻部与保径部位距离近 可给钻头冠部提供更大
L
冠面面积 从而得到更好
的冲击能力，
•
适合比较硬的
地层
肩部，外径曲面和保径
• 肩部
– 从鼻部外缘线到过渡面的曲面部分。
• 外径曲面
– “外径曲面” 保持肩部和保径部分之间光滑的 曲面。
• 保径
– 有助于钻头稳定和保持井眼尺寸。
钻头冠面的类型
• 4 种常规类型：
螺旋刀翼
ai
ai+1
刀翼形状 • 直刀翼和螺旋刀翼
• 对于直刀翼来说，切削齿的径向力完全累加 到了保径上。
• 而螺旋刀翼，仅是部分的径向力作用在了保 径上，是比直刀翼的影响小的。
Fr1
Fr2
Fr3
Fr4
Fr5
Fr6
S Fri
Fr1
Fr2
Fr3
Fr4
Fr5
Fr6 S Fri cos ai
< S Fri cos ai
切削结构
6 bladed bit
Single Set (No Redundancy)
r1
CL
1 2 3 4 5 6 …..
单一模式布置类型
顺时针旋转
逆时针旋转
单一模式布置类型
顺时针旋转
逆时针旋转
单一模式布置类型
顺时针旋转
逆时针旋转.
单一模式布置类型
• 顺时针旋转
– 比逆时针旋转类型稳定性要差，很难达到要求 的稳定性。
– 攻击性相对较强。
• 逆时针旋转
– 非常好的稳定性。 – 攻击性比顺时针旋转设计要弱。
切削结构
稳定性
脊高
Rh2 Rh1
Rh1 > Rh2 => Rh1 更稳定
切削结构
多元化切削齿的布置
• 钻头的性能（稳定性）和钻井效率（ROP） 都直接的受切削齿布置得影响。
• 在实际使用中，切削齿的不同的布置方式可 能起到钻头性能和寿命的最佳效果。
力平衡
切 削 齿 序
径 向 位 置
号
基本的复合片参数
圆
齿
剖
后
侧
复
周
高
面
倒
倒
合
角
角
角
角
片
度
尺
寸
复
合
刀
片
翼
尺
号
寸
力平衡
复合片受力图
Fv = Vertical Force (WOB) Fc = Circumferential Force (RPM) Fr = Radial Force Fn = Normal Force (Resultant)
力平衡
• 非对称的切削形状
• 实际切削状态是非对称的切 削形状。
• 结果就是，偏心作用力迫使 钻头横向运动。
Fc1 Fn1 Fv1 Fr1
Fc2 Fn2 Fv2 Fr2
Fn
Total Radial Force ≠ 0
力平衡
• 欠平衡力 • 随着钻头的工作，钻压作用在切削齿上，
总扭矩也就通过所有转动力（FC)产生 了。
PDC钻头设计理念介绍
内容
• 理解钻头剖面结构 • 剖面结构对钻头性能的影响 • 后倒角特点 • 力平衡设计 • 切削结构特点 • 新的设计软件的应用 - IDEAS
钻头剖面
• 钻头剖面直接影响到以下性能:
– 钻头稳定性 – 钻头导向性 – 布齿密度 – 钻头寿命 – ROP – 清洗和冷却效果
回顾
▪ 5）下图反映了钻头的攻击性:
• 1. 弱; 2.中等; 3. 强
15º
30º
20º
切削结构
多元化切削齿的布置
• 所谓多元是指多套的切削齿结构； • 其中每一套都包含了一系列的切削齿 • 在每一套中的切削齿都有其各自的运动轨迹
Single Set
1 1 11 1 1 11 1 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1
2
2
Plural Set
1
3
5
CL
2
3
7
10
Gauge
切削结构
– 多套切削特点 – 单套切削结构 - New IDEAS2
• 力平衡 • 刀翼分布 • 刀翼和保径几何形状 • Lo-Vibe (可选)特性 • 特殊切削结构 (e.g.: ARCS)
切削结构
加强稳定性特征
• 震动可能是由于钻头的特征产生的。
• 有些特征是可见的，而有些是不可见的。
• 可见的特征包括：刀翼形状和布置，保 径形状，低磨阻块等；
多元化切削齿的布置
• 多元化的布置会形成比单一模式的更明显的 脊结构
Single Set Cn = 1
12345678
2
4
6
8
Plural Set
Cn = 2
切削结构
力平衡
▪ 不可见的减小震动的特征 ▪在各种特定的使用参数下，电脑模拟PDC齿和岩石的接触 特征。 ▪ 该程序可计算力、扭矩、钻时和PDC齿磨损情况。 ▪ 这种程序可概括欠平衡力的大小、方向和相互关系。
• 由于是对称的，产生的震动是重复的且不断扩大 Rs
刀翼布置
• 对称 与 非对称
• 非对称刀翼，通常是相邻的两个刀翼间的所夹的角 度是不同的。
• 和声被打破，两个信号之间的间隔时间是最大的。
Ru
Lo-Vibe
• “Lo-Vibe” (可选)
• 限制吃入深度，提高稳定性。 (DOC)
ROP = DOC x RPM DOC = ROP/RPM
• 攻击性较强，适合于 软地层，可取得很高 的机械钻速。
• 攻击性较弱，适合于 较硬地层，机械钻速 低。
10°
30°
典型使用的后倒角
• 角
后倒
– 5° to 10°
– 15°
– 20°
– 30°
• 地层硬度特性
– 非常软的粘土和泥岩。 – 高 ROP
– 适合所有地层。 – 最好的应用是在软地层中shale)
.
Fr
Fc
Fv Fn
力平衡
• 切削的形状
• 切削地层形成的形状对钻头的 稳定性有影响。
• 对称切削 (理想状态) 没有偏离
的作用力产生 (径向力).
Fc1
Fc2
• 非对称的切削形状会产生使钻 头产生偏心运动偏离作用力
Fn1 Fv1
Fr1
Fv2
Fn2
Fr2
Fn
Total Radial Force = 0
• 不可见特征包括：力平衡，复合片性能 和结构等。
切削结构
定义: 通过独特的设计，来布置PDC 复合片从 而达到预期的性能和寿命。
目标: 通过独特的井底覆盖模式来满足不同的 需求（硬度，研磨性，潜在的震动等） ， 达到用户满意。
切削结构
重点
• 钻头的性能和钻井效率直接受切削齿 的布置类型影响。
• 多种布齿特点可能达到理想的性能和 寿命的目的。
Cutter
max DOC
d
Lo-Vibe
回顾
1) 地层的特性与钻头剖面的对应关系.
A. 软且研磨性
B. 硬但没有研磨性 C. 中软且没有研磨性 D. 中到硬且有研磨性
1. 短抛
2. 中抛 3. 平抛 4. 长抛
2) 判断：刀翼的形状， lo-vibe和力平衡 是可见的稳定性特征。
T
F
回顾
• 3) Indicate Forces on a PDC cutter:
– 如图所示，钻头的 0°基准线
A.P
和通过复合片面中心线的角度
Ref.
• 侧倒角
S.R
– 指复合片面部延长线和通过钻 0 头中心线的夹角。
力平衡
• 纵向位置
0 REF.
– 从基准水平线到复合片面
L.P
中心线间的垂直距离。
所有的上述数据输入电脑程序，将有助于利用先进的软件来模拟每一颗 切削齿与地层的切削模式和受力分析。
切削结构
力平衡
切削齿的位置由以下因素来确定：
▪ 径向位置 ▪ 剖面角度 ▪ 刀翼圆周角 ▪ 后倒角 ▪ 侧倒角 ▪ 切削齿外露高度
力平衡
切削齿的分布和定位
• 径向位置 – 指钻头中心到复合片面中心点的 距离 。
• 倾角 – 指复合片沿着钻头剖面方向与钻 头轴线垂直向的夹角。
R.P来自百度文库
I.A
力平衡
• 角位置
• 大曲面 (R)：通过大的
R
表面面积来达到很好
的抗冲击能力，适合
在硬且夹层多的地层
中使用。
• 小或称尖曲面 (r)：可
r
在切削片上形成较高
的点式冲击，适合于
软且均质性好的地层。
得到较高的ROP.
鼻部与中心距离的关系
• 鼻部与中心距离小可提
供给肩部更大的表面面
L
积和布齿密度，
– 适合软但是研磨性强 的地层
钻头冠面的类型
长抛面 中抛面 短抛面 平抛面
后倒角
• 这个角度的大小决定了PDC切削片攻击地 层的能力。
• 大后倒角可以提高抗冲击能力和研磨能力。 • 小后倒角可以提高机械钻速。 • 整个钻头上使用的后倒率是不一样的， • 这样可以得到不同的目的， B.R • 比如ROP 和寿命。
B.R
后倒角
.
• A. Radial force; B. Normal force; C. Circumferential force; D. WOB
回顾
• 4) Indicate the plurality of the PDC bit shown below:
•
• Plurality: ___ - ___ - ___
WOB
Fc Fc
Fr
Fr
Fr X Fr
X
r Fc Fc
WOB
力平衡
• 所有的径向力和转动力累 加起来就决定了欠平衡力 的大小和方向。 CIF2
• 两个欠平衡力的合力就是 总的欠平衡力。
TIF
CIF TIF2
RIF
刀翼形状
• 直刀翼和螺旋刀翼
• 刀翼的形状和布置对减少钻头震动，有一定的影响。
直刀翼
切削结构的类型
主要有两种 类型:
▪ 单一模式
每一条曲面轨迹只对应一颗PDC齿
▪ 多元模式
每一条曲面轨迹对应着一颗以上的PDC齿
切削结构
单一模式
• 最早期的和最常用的 切削齿布置模式。
• 切削齿沿着剖面分布， 已达到完全的覆盖井 底。
• 这种布置结构就是单 一
1 1 1 1 1 1 11
• 模式，是每一颗齿都
深锥面特点
• 优点：
– 较高的稳定性 – 中心区域的金刚石覆盖率大
• 不足之处：
– 导向性不好； – 清洗效果不好； – 攻击能力低。
浅锥面特点：
• 优点：
– 导向性强； – 清洗效果好； – 攻击性强。
• 不足之处：
– 稳定性差； – 金刚石覆盖率低。
鼻部位置定义
• 鼻部定义
L R
鼻部曲面特点
• 注：钻头的剖面设计必须与钻井环 境需要相匹配
钻头剖面结构组成
• 钻头剖面包括:
– 顶点 – 锥形面 – 鼻部 – 肩部 – 外径弧面 – 保径部分
顶点
锥形面
保径部分 外径弧面
肩部 鼻部
锥面角
• 顶点 –钻头的几何中心点
• 锥面 – 通常用角度来表示特点：
– 深锥面 (~90°) – 浅锥面 (~150°)
– 适合所有地层 – 切削片寿命长 – 最好是用在研磨性的砂岩地层
– 比较硬的地层 – 典型的应用在保径部位
后倒角的布置
15°
20°
Back Rake
25 °
30°
6 blades / 16mm cutters 12.25” M616VPX, ER20091
稳定性特性影响因素介绍
• 钻头冠面特点 • 切削结构
– 平抛面 – 短抛面 – 中抛面 – 长抛面
• 平抛面常用在较硬且研磨性弱的地层；而长 抛面常用在较软而且研磨性很强的地层。
钻头冠面的类型
平抛面 应用： •硬，非研磨性地层 •(Ej.: L石灰岩，白云岩) • 强力定向作业
钻头冠面的类型
短抛面
应用： • 硬且中等研磨性地层 (Ej.: Calcareous sandstone, limestone, cherts) • 典型的定向作业
钻头冠面的类型
中抛面
应用: •中硬到硬且研磨性强的地层 (i.e.: Sandstone, limestone, hard shales) • 转盘或是马达钻井作业
钻头冠面的类型
长抛面
应用： • 软且研磨性地层 (i.e.: 硅质 shales, silicious clays) • 适合转盘钻进
S Fri
刀翼形状
• 直刀翼和螺旋刀翼(cont.) • 较低的保径应力减小了钻头随保径本身转动的
几率。
• 同时，因为转动而产生的震动破坏了也降低到 了最小化。
刀翼形状
螺旋刀翼
• 减小保径所受应力，最小化 震动发生，提高稳定性。
• 是保证力平衡的主要结构。
刀翼布置
• 对称 与 非对称
• 对称刀翼是指在相邻的两个刀翼之间的角度是相等 的。