[发明专利]凿岩钻头的计算机辅助设计

说明书

优先权要求

本申请要求于2006年12月20日提交的美国实用专利申请序列 号11/642,755的利益。

技术领域

本发明总体上涉及地钻旋转锥形钻头(earth-boring rotary drill bit)，尤其涉及通过数字建模与模拟对这种钻头的设计和轴承的优化。

背景技术

在利用旋转方法在地层中钻孔时，地钻钻头典型地采用至少一个 可旋转地安装在其上面的旋转锥形刀具。钻头固定到钻柱的下端，其 中钻柱从表面或者通过井下电机旋转。当钻柱旋转时，安装到钻头上 的刀具旋转并滑动到钻孔的底部，由此接触并瓦解地层材料。旋转的 刀具有齿，该齿被来自钻柱的重量推动穿入并挖到钻孔的底部。

当刀具沿钻孔的底部旋转并滑动时，刀具及旋转安装到其上的轴 承受来自钻头上重量的大的静止负荷，而当刀具沿钻孔底部不平坦表 面旋转并滑动时，其承受所遇到的大的瞬时或冲击负荷。因此，大多 数地钻钻头都具有精确形成的轴颈轴承(journal bearing)和轴承表 面，及增加钻头钻孔寿命的密封润滑系统。该润滑系统通常是密封的， 以避免润滑剂损失并防止例如在钻孔中遇到的诸如磨粒的外来物质对 轴承的污染。压力补偿器系统最小化跨密封的压力差，使得润滑剂压 力等于或稍大于钻头和钻孔侧壁之间环形空间中的流体静力压力。

轴承设计成使得润滑剂膜存在于负荷轴承表面之间。轴承表面之 间的润滑剂膜可以薄到使相对移动的表面的不规则表面特征相互作 用。

目前轴承设计的方法在极大程度上是通过现场的反复实验、通过 在观察其现场性能之后稍微修改目前设计或者通过在实验室设计并建 立用于测试的物理模型。地钻钻头承受极端的压力和温度，因此钻头， 尤其是密封和轴承表面，比现有技术工作时间长的能力就导致地钻钻 探具有更高负荷能力和增加的寿命并因此有更经济地工作。通过反复 实验的设计是昂贵且耗时的。到目前为止，在已经设计出的帮助轴承 设计的混合润滑剂计算机模型中，大多数是基于理想化支撑的轴，而 且还没有考虑轴的偏斜、失准及与关于轴承中传热的粗糙面接触 (asperity contact)。这些计算机模型已经用于其中小的轴颈和推力 轴承承当小负荷的硬盘驱动的轴承系统，还用于其中轴颈轴承承当重 负荷的汽车引擎中的曲轴轴承。

发明内容

本发明的实施方式有利地提供了用于通过使用稳态混合的热弹 流体动力学计算机模型优化地钻钻头设计的方法和程序产品，其中该 计算机模型考虑到了表面粗糙度、粗糙面接触、表面热弹性变形、润 滑剂粘性的温度-压力依赖特性及例如轴支撑和轴承表面之间失准的 系统几何约束的影响。该计算机模型允许对在苛刻运行环境下运行的 钻头进行设计。在优选实施方式中，该计算机模型应用到轴颈轴承， 在可选实施方式中，该计算机模型应用到耦合的轴颈-推力轴承。

在本发明的一种实施方式中，设计处理的方法首先涉及利用用于 特定钻头的设计参数构成计算机模型。设计参数可以包括如钻头的通 用布局、钻头制造所选的材料及相关的材料属性、还有用在钻头轴承 中的润滑剂的属性等。设计处理涉及一系列计算，通过这些计算来计 算钻头轴承中的流体动力学特性和粗糙面接触压力并使系统平衡。可 能要求进行设计处理的迭代，来实现期望的钻头和轴承设计。

本发明的实施方式还包括优化地钻钻头设计的计算机可读介质。 例如，根据本发明的实施方式，计算机可读介质包括一组指令，当该 组指令被计算机执行时，使计算机接受初始设计参数的输入、执行一 系列计算并返回用于地钻钻头的最优设计。在可选实施方式中，当该 组指令被计算机执行时，将使计算机执行一系列计算，该计算将提供 用于地钻钻头中轴承的最优设计。

在本发明的另一种实施方式中，优化地钻钻头设计的系统可以包 括具有处理器、耦合到该处理器的存储器及存储在该存储器中的地钻 钻头优化程序产品的计算机。该地钻钻头优化程序产品可以包括执行 接收输入数据操作的指令，包括执行优化地钻钻头设计操作所需的输 入数据，而且在一种实施方式中，还包括执行地钻钻头轴承优化所需 的输入数据。

本发明实施方式的结果是所设计的地钻钻头包括具有高功率密 度的紧凑轴承设计。计算机模型已经利用实验测量数据进行了验证。

附图说明