[发明专利]一种锥形齿PDC钻头设计方法

说明书

本发明涉及一种锥形齿PDC钻头设计方法，属于油气井钻井工具属于油气井钻井工具的设计学领域。该方法主要是通过室内实验获取岩石的可钻性以及根据钻井设计要求确定钻井条件，再根据岩石可钻性确定钻头刀翼数量和切削齿直径，然后根据钻井条件确定钻头直径，最后根据岩石可钻性与钻头结构参数确定锥形齿与PDC齿的高度差。本发明将实验与数值计算相集合的方式来设计钻头结构参数，计算精度高，为锥形齿PDC钻头的设计提供支撑，提高钻头的破岩效率。

技术领域

本发明涉及一种锥形齿PDC钻头设计方法，属于油气井钻井工具的设计学领域。

技术背景

PDC钻头依靠高硬度、耐磨、自锐的聚晶金刚石复合片（简称PDC齿或切削齿）作为切削元件来剪切和破碎岩石。PDC钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，因此其在油气井的钻进中得到广泛使用。

在油气钻井工程中，地层的地质条件往往很复杂，深部地层的泥页岩和泥质砂岩等在上覆地层压力以及高密度钻井液条件下，不仅密度和硬度增加，而且从常压下的脆性岩石向塑脆性岩石或塑性岩石转化，可钻性很差，加之深部井段的水力能量严重不足，不能有效发挥水力辅助破岩作用，钻进的速度相当低。钻头经常要穿越多种不同岩性的地层，这些地层不仅包括相对比较易钻的软岩层，而且包括可钻性较差的硬地层、高研磨性地层、塑性地层，软硬交错的互层、含砾等严重不均质地层，以及大倾角的高陡地层等。这些复杂的地层条件容易导致PDC钻头的异常失效,在常规PDC钻头上设置锥形齿，能够提高钻头的破岩效率，同时锥形齿的抗冲击能力比常规圆形PDC齿的抗冲击能力强。为进一步提升锥形齿PDC钻头的性能，拓宽钻头的应用领域，研究出一种锥形齿PDC钻头设计方法显得尤为重要。

发明内容

为了解决现有锥形齿PDC钻头中锥形齿与PDC齿之间高度差的设计仅仅依靠经验去设计，而提出一种锥形齿PDC钻头设计方法，通过岩石的可钻性来确定钻头的刀翼数量和切削齿直径，通过钻井条件来确定钻头的直径，最后依靠岩石可钻性和钻头参数来确定锥形齿与PDC齿的高度差，本发明将实验与数值计算相集合的方式来设计钻头结构参数，计算精度高，为锥形齿PDC钻头的设计提供支撑，提高钻头的破岩效率。

本发明通过下列技术方案来实现：

一种锥形齿PDC钻头设计方法，钻头上设置有锥形齿与PDC齿，且锥形齿与PDC齿直径相同，且锥形齿与PDC齿为同轨设置（径向半径相同），PDC齿略高于锥形齿，如图2所示，钻头以PDC齿刮切为主，锥形齿犁削为辅的破岩方式，其特征在于：该设计方法包括以下步骤：

通过室内可钻性实验得出岩石的可钻性d_k

根据钻井设计要求得知钻头需要钻进的井段为垂直井还是水平井；

给定岩石可钻性d_k，按照公式1求出钻头刀翼数K；

（1）

上式中所述K表示钻头的刀翼数量，单位为个；d_k为岩石可钻性；单位为级；

给定岩石可钻性d_k，按照公式2求出钻头切削齿直径d_M；

(2)