PDC钻头布齿设计技术

第26卷第3期2003年6月 勘探地球物理进展Progress in Exploration G eophysicsV ol.26,N o.3Jun.,2003文章编号:167128585(2003)0320225203PDC钻头布齿设计技术刘建风(成都理工大学环境与土木工程学院,四川成都610059)摘要:合理的布齿是保证PD C钻头具有优良工作性能的关键。

目前常用的PD C钻头布齿设计方法是图解调整法,该方法速度慢,设计工作烦琐,工作量大,效率低,欠灵活,而且有时会出现不必要的误差。

讨论了PD C钻头布齿设计的特点,按切削原则设计了钻头冠部形状,并选择了合理的切削结构,为PD C钻头布齿计算机辅助设计软件提供了理论支撑。

关键词:PD C钻头;布齿;结构设计中图分类号:P63414 文献标识码:AComputer2aided placement of tooth for PDC bitLiu Jianfeng(C ollege of Environment and Civil Engineering,Chengdu University of T echnology,Chengdu610059,China)Abstract:Proper placement of tooth is the key to ensure the performance of PDC bit.The comm only used method for placement of tooth for PDC bit is to draw and adjust the scheme.It is boring and inefficient,s ometimes even leads to errors.This paper discusses the principle and the way to place teeth for PDC bit,which provide a theoretical ground for placement of tooth for PDC bit by the C omputer2aided design.K ey w ords:PDC bit;tooth placement;structural design PDC钻头(P olycrystalline Diam ond C om pact Bit)用人造聚晶金刚石复合片作为切削元件以切削方式破碎岩石。

它结构简单,无运动部件,整个钻头是一个整体,在软到中等硬度均质地层中破岩能力强、钻速高(为牙轮钻头的2倍以上)、进尺快(为牙轮钻头的4～6倍)、工作寿命长、钻进成本低、事故少,因此倍受业内人士的关注。

我国的PDC钻头生产技术与国外先进水平相比有很大差距,尤其是在设计方面。

所以开展PDC 钻头设计技术方面的研究是一项极有意义的工作[1～3]。

PDC钻头设计分为前期准备、布齿设计、工作性能分析和其他部分设计等阶段[4]。

其中最重要的是布齿设计。

在进行PDC钻头布齿设计时,应先根据资料和经验确定钻头总体结构、布齿方式、喷嘴大小和数目等,然后对钻头冠部形状和切削结构进行设计。

1　钻头冠部形状设计PDC钻头的冠部形状从长抛物线型到平底型共分成9个等级。

冠部形状决定了PDC的布齿面,不同的冠部形状其切削齿相对高差和切削齿轴线与钻头轴线间的夹角也不相同,从而影响各切削齿的切削体积,导致各齿破岩能力不一样;另外,不同冠部形状还会使切削齿受力情况不同。

因而,一个合理的冠部形状会增加钻头的稳定性,利于井底的清洗及减小切削齿的磨损[5]。

从设计上讲,无论何种冠部形状,最终都以“易于布齿、便于加工、保证质量、提高效率”为原则。

为了提高效率,理论上可按以下几种原则设计:①按等切削原则;②按等磨损原则;③按等功率原则。

本文按“等切削原则”设计冠部形状。

设钻头半径为R,切削齿半径为r,钻头每转进尺为δ,切削齿总数为N,一般地,δ<r,则钻头每转的破岩体积V为V=πR2δ 按等切削原则,各齿每转破碎岩石体积V为V=V/N=πR2δ/N设第i个齿的旋转半径(切削齿工作面中心到钻头轴线的距离)为x i,切削面积为S i,则有V=2πx i S i,即S i=R2δ2Nx i(1)收稿日期:20021225。

作者简介:刘建风(1977),男,成都理工大学硕士在读,研究方向为岩土钻掘设计与工程施工。

这说明要实现等切削,就要求切削齿尽量靠近钻头中心,离钻头中心越近,其切削面积越大。

但钻头中心部分的切削齿无法达到这一要求,存在一个最小旋转半径,只有旋转半径大于这个最小旋转半径的切削齿才能实现等切削。

这主要取决单个切削齿最大切削面积,即无其他齿干扰时单齿最大切削面积S max (图1中的阴影部分),其计算式为　S max =(π-2arccos δ2r )r 2+δ24r 2-δ2　(2)将式(2)代入式(1)获得对应的最小旋转半径为x min =R 2·δ2N ·(π-2arccos δ2r )r 2+δ24r 2-δ2(3) 一般情况下,PDC 钻头冠部形状轮廓线主要由内锥面、顶部圆弧面和保径面三部分组成(如图2),内锥面和顶部圆弧面以x =x min 为分界线,当x i >x min 时,切削齿等切削。

应用文献1中按等切削原则设计冠部形状轮廓线得到理论冠部曲线的一般方程式为Z =x min2ln (x +x 2-x 2min )-x 2x minx 2-x 2min +c(4)式中,c 是保径环长度,为常数,这时钻头冠部形状轮廓线由多段近似圆弧的曲线组成;当x i ≤x min 时,切削齿不能等切削,钻头冠部形状轮廓线是过(x min ,x min2ln xmin +c )点的直线,其方程式为Z =tg φ(x -x min )+x min2ln x min +c (5)式中,φ为直线倾角,采用类比法确定。

图1　单切削齿最大切削面积图2　钻头冠部形状轮廓线2　切削结构设计切削结构设计主要是确定切削齿空间的位置,包括切削齿的选择、布齿密度、切削齿的结构角以及切削齿中心的周向、径向布置。

2.1　切削齿的选择包括齿的大小和大概数目,主要由所钻地层岩性的特点来决定。

2.2　布齿密度主要由所钻地层的硬度和研磨性来决定。

2.3　切削齿的结构角切削齿最重要的两个结构角是齿前角(见图3)和侧转角(见图5)。

和其他切削刀具一样,PDC 切削齿结构角对切削齿的切削效率和工作性能有重要影响。

齿前角决定切削齿作用于地层力的方向,合理的齿前角能提高切削效率、保护切削齿、延长钻头的寿命,有助于提高钻速。

侧转角决定齿前切屑的排屑力的方向,反映工作面方向与切削齿对齿前切削侧向作用力的大小及方向之间的关系。

合理的侧转角有利于钻头清洗和岩屑搬移,减少钻头泥包发生几率。

PDC 钻头切削结构由若干个分布在钻头表面不同部位的切削齿组成,每个切削齿的空间方位和工作部位都不同,所以各切削齿的齿前角和侧转角也不同。

由于要保持切削齿良好的工作性能,须控制切削齿在工作过程中的磨损,使切削齿磨损降为最小。

因此,以切削齿磨损最小为目标对切削齿齿前角和侧转角进行优化,确定各齿结构角大小。

如图4中,a ,b ,c 为切削齿齿刃在井底半径平面内留下的切痕轮廓线;d ,e ,f 为切削齿磨损一段时间后齿刃在井底半径平面内留下的切痕轮廓线。

a ,c ,d ,f 分别是切削齿与井底接触区的内、外端点;b ,e 分别为切痕轮廓线的中点;ad 和cf 分别为接触区的内、外端点处两轮廓线的间隙;be 为切削齿齿刃的磨损量。

设h w 1=|ad |,h w 2=|df |,h w 3=|b e |,进行优化的数学模型为设计变量X =[α,β]T(6)目标函数min F (X )=|hw1-h w2|(7)约束条件α1≤α≤α2;β1≤β≤β2;|h w 3-h w |<ε(8)622勘探地球物理进展 第26卷式中,α,β,ε,h w 分别为齿前角、侧转角、一假定为很小的数值、切削齿允许磨损高度。

通过上述优化计算,即可求得钻头上各齿的齿前角和侧转角。

2.4　切削齿的周向布置切削齿的周向布置是在垂直于钻头轴线平面内按一定方式确定切削齿的周向位置角(见图5),得到周向布置图。

切削齿在钻头表面有螺旋形、翼片形和随意等三种布置方式[6],随意布齿在齿的清洗和冷却方面容易出问题,一般用得较少;翼片形布齿实际上是螺旋形布齿的一种特例,故本文只讨论最常用的螺旋形。

图5　切削齿的周向布置示意图螺旋形布置是使每个切削齿工作面的圆心位于数条螺旋线上,而这些空间螺旋线在垂直于钻头轴线平面内的投影是数条平面螺旋线,因此,可结合钻头冠部形状,在垂直于钻头轴线平面内对钻头切削齿进行周向布置设计。

螺旋形的布齿基线有等距螺旋线和变距螺旋线之分,这两种布齿方式都与相应的水力结构相配合,其基线在垂直于钻头平面内的极坐标形式分别是r =a θ+θ0 (9)r =a (θ+θ0)n(0<n <1)(10) 在进行周向布齿时,先用螺旋线方程确定切削齿工作面圆心位置,再根据切削齿侧转角的大小确定齿的方向。

由于切削齿周向布置的特点是:越往钻头外侧,切削齿径向密度越大。

因此,利用等距螺旋线方式布齿时,越向外侧同一螺旋线上相邻切削齿之间切向坐标θ的差越小;利用变距螺旋线布齿时,因为0<n <1,随着r 增大螺旋线的径向间距越小。

所以,即使螺旋线上相临切削齿之间分布角θ间距相同,但越靠近钻头外侧,切削齿的径向密度也越高。

变距螺旋线控制每个切削齿的径向坐标各不相同,使得钻头外侧切削齿排列密度高于钻头内侧,利用等分布角θ分布的等螺旋线控制同一变距螺旋线上相临两切削齿θ的间距相等。

2.5　切削齿的径向布置切削齿径向布置是在钻头半径平面内沿冠部外形轮廓布置切削齿,确定中心齿、保径齿和其他各齿的径向位置,得到径向布齿图(图6),它反映切削齿的分布密度和在井底的覆盖情况。

设计重点是使切削齿能完全覆盖井底。

确定中心齿位置的原则是使中心齿处于切掉中心岩石的最有利位置;确定保径齿位置的原则是保证保径齿工作面超出规径线部分与加工要求磨削量相等。

在确定中心齿和保径齿的位置时,把切削齿与井底半径平面相交的图形视为圆。

确定了冠部形状、中心齿和保径齿的位置后,所有切削齿中心的连线就确定了,它是冠部曲线的等距线,两曲线间距为齿中心出露高度(见图3),它等于切削齿半径乘以齿出露系数,出露系数通常采用类比法确定。

最后,根据由周向布置得到的各齿旋转半径x i ,确定各齿工作面圆心在径向布置图上的具体位置。

图6　径向布置示意图3　结束语通过探讨PDC 钻头布齿设计的特点,得到确定钻头冠部形状和切削结构的方法,以及PDC 钻头布齿设计所需的基本参数和各参数的计算方法,为我们利用Visual C ++和Visual Lisp (AutoC AD 2000中)语言编制PDC 钻头的布齿计算机辅助设计软件提供理论支撑。