[发明专利]一种考虑动态磨损的PDC钻头侧向力平衡布齿方法

摘要

本发明涉及一种考虑动态磨损的PDC钻头侧向力平衡布齿方法，属于油气钻井工具的动力学领域。该方法主要包括产生初始布齿结构；得出PDC钻头侧向力的平均值Y；构建函数模型F；寻找最佳布齿结构p0；计算最佳布齿结构p0’对应的PDC钻头侧向力均值YG和YZ；输出最终布齿结构p0’及其对应的PDC钻头侧向力均值YZ等共17个步骤。本发明能够保证切削齿在不断磨损状况下PDC钻头所受侧向力始终处于较小水平，解决了目前无法保证磨损钻头侧向力平衡的问题，能够减小PDC钻头的振动，提高PDC钻头的钻进精准度及破岩效率。

主权项

一种考虑动态磨损的PDC钻头侧向力平衡布齿方法，其特征在于，其方法步骤为：①产生初始布齿结构，初始布齿结构的数量m大于布齿参数的维度n，初始布齿结构构成集合X；其中，每一个初始布齿结构对应一组布齿参数；所述的布齿参数包括PDC钻头上切削齿的前倾角参数、侧转角参数、法向角参数、周向角参数、轴向位置参数和径向位置参数；所述布齿参数维度n是指参与PDC钻头侧向力平衡布齿设计的布齿参数的个数。②计算切削齿的磨损高度和切削齿所受的侧向力，得到不同布齿结构下PDC钻头在各个磨损时刻所受的侧向力；③根据各个磨损时刻PDC钻头所受侧向力，得出PDC钻头侧向力的平均值Y；④根据集合X和PDC钻头侧向力平均值Y构建函数模型F；⑤基于函数模型F，寻找最佳布齿结构p0，所述的最佳布齿结构p0是指拥有最小侧向力平均值的布齿结构；⑥判断最佳布齿结构p0是否属于集合X，如果最佳布齿结构p0属于集合X，则进行步骤⑦；如果最佳布齿结构p0不属于集合X，则跳过步骤⑦～⑨，直接执行步骤⑩；⑦产生新的布齿结构，新的布齿结构构成集合X’；⑧计算切削齿的磨损高度和切削齿所受的侧向力，得到集合X’对应的PDC钻头侧向力平均值Y’；⑨令X”＝X+X’；Y”＝Y+Y’；根据集合X”和PDC钻头侧向力均值Y”构建函数模型F’；并寻找最佳布齿结构p0’；跳过步骤⑩，直接执行步骤⑩令F’＝F，p0’＝p0，X”＝X，Y”＝Y；计算最佳布齿结构p0’所对应的切削齿的磨损高度和切削齿所受的侧向力，得出最佳布齿结构p0’所对应的PDC钻头侧向力均值YZ；基于函数模型F’计算最佳布齿结构p0’对应的PDC钻头侧向力均值YG；判断YZ和YG之间的相对误差EZG是否小于ε。如果EZG≥ε，则进行步骤如果EZG<ε，则跳过步骤直接执行步骤其中，所述的相对误差ε等于5％。基于函数模型F’寻找不属于集合X”的特殊布齿结构p”；所述的特殊布齿结构p”是指基于函数模型F’计算出侧向力均值与均方差的比值最小所对应的布齿结构。计算特殊布齿结构p”所对应的切削齿的磨损高度和切削齿所受的侧向力，得出特殊布齿结构p”所对应的PDC钻头侧向力均值y”；令X＝X”+p”；Y＝Y”+y”，返回步骤④；输出最终布齿结果，即布齿结构p0’及其对应的PDC钻头侧向力均值YZ。