側鉆開窗PDC鉆頭的個性化設計*

許朝輝 高德利中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室

側鉆開窗PDC鉆頭的個性化設計*

許朝輝 高德利中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室

鉆頭的設計包括剖面設計、布齒設計、流道設計等。由于開窗鉆頭具有獨特的受力特性和切削要求，因此在參考常規(guī)地層PDC鉆頭的設計經驗基礎上，針對開窗鉆頭進行了個性化設計。采用三維輔助設計軟件Solidworks進行三維建模和設計。通過三維實體的建模，可以形象、直觀地實現(xiàn)設計意圖。在鉆頭的設計、修改和優(yōu)化過程中有效地利用三維建模軟件來完成，使得設計過程更加快捷、直觀和方便。將三維數(shù)字化模型直接用三維打印機打印，然后成型模具，經過燒結成型后焊接PDC齒，完成整個鉆頭的加工。

PDC鉆頭；個性化設計；開窗；三維打印

1 套管開窗過程及鉆頭受力分析

套管開窗是一個非常復雜的過程。在上部鉆柱的驅動下（旋轉和施壓），既要受斜向器的導斜面的支撐，還要不斷地切削套管，而且切削面還在不斷的變化。

鉆頭在開窗的過程中，一邊沿著斜向器的導斜面下滑，另一側切削套管。由于斜向器的傾斜角度的變化以及鉆頭在套管上所處的位置的不同，鉆頭與套管壁接觸的部位也在變化。

文獻[1]中對這三個過程中第一階段（鉆頭切入套管）和第二階段（鉆頭全尺寸開窗切削套管）進行了受力分析。利用其分析結果，可以為鉆頭的設計提供指導和依據(jù)。

2 PDC開窗鉆頭的個性化設計

鉆頭的設計包括剖面設計、布齒設計、流道設計等。由于開窗鉆頭具有獨特的受力特性和切削要求，因此在參考常規(guī)地層PDC鉆頭的設計經驗基礎上，針對開窗鉆頭進行了個性化設計。

2.1 鉆頭剖面的設計

鉆頭的剖面設計直接影響鉆頭的以下性能：鉆頭的穩(wěn)定性、導向性、布齒密度、鉆頭壽命、ROP、清晰和冷卻效果。因此鉆頭的剖面設計是鉆頭設計中最重要的一個環(huán)節(jié)。剖面設計主要就是設計合適的錐面角度、鼻部曲面、肩部、外徑曲面以及保徑，如圖1所示。

（1）錐面設計。國際鉆井承包商協(xié)會（IADC）將PDC鉆頭冠部形狀歸納為四種基本類型，即平底型、淺錐型、中錐型和長錐型。錐面淺時，鉆頭導向性強，清洗效果好，攻擊性強，但是穩(wěn)定性差，金剛石覆蓋率低；錐面越深，穩(wěn)定性越高，中心區(qū)域的金剛石覆蓋率越大，但是導向性不好，清洗效果不好，攻擊能力低。對于開窗PDC鉆頭來說，需要較強的導向性，同時清洗效果也要求較高，攻擊性越強越好。因此，開窗PDC鉆頭的設計中要求使用淺錐面。

圖1 鉆頭剖面形狀

（2）鼻部設計。鼻部的結構主要由兩個參數(shù)來決定：離中心的距離L和半徑大小R。R值越大，通過大的表面面積來達到很好的抗沖擊能力，適合在硬且夾層多的地層中使用。鼻部與中心距離小可提供給肩部更大的表面面積和布齒密度，適合軟質、研磨性強的地層。鼻部與保徑部位距離近可給鉆頭冠部提供更大冠面面積，從而獲得更好的沖擊能力，適合比較硬的地層。對于開窗鉆頭來說，由于切削套管需要比較大的抗沖擊能力，因此R值和L值都要選得大一些。由于鉆頭絕大部分處于全尺寸開窗階段，因此在這一段上應該盡可能多地增加布齒密度，所以L值也應該適當增大，以提供給冠部更大的冠面面積和布齒密度。

（3）肩部和保徑設計。確定了錐角和鼻部距離以及半徑以后，就要進行肩部形狀和保徑長度的設計。肩部的大小也就決定了冠部的冠面。冠面一般有平拋面、短拋面、中拋面和長拋面四種形式。平拋面常用在較硬且研磨性弱的地層；長拋面常用在較軟而且研磨性很強的地層。對于開窗鉆頭來說，由于套管比較硬，并且具有很強的方向性，因此選擇平拋面進行設計。保徑段的長度決定了PDC鉆頭鉆進過程中的穩(wěn)定性。

2.2 布齒設計

布齒設計包括切削齒尺寸選擇、切削齒數(shù)量及布置方式設計、切削齒工作角設計等。布齒設計是PDC鉆頭設計的核心內容，對PDC鉆頭的鉆進效率、穩(wěn)定性和工作壽命都有著十分重要的影響[2]。

（1）切削齒尺寸選擇。國內外生產廠家提供了很多尺寸的PDC切削齒供鉆頭設計者選用。目前應用比較多的切削齒主要有?19 mm、?13 mm和?8 mm三種規(guī)格。鑒于本鉆頭尺寸較小，并且切削的是較硬地層，因此選擇?8 mm規(guī)格切削齒。

（2）徑向布齒設計。徑向布齒設計一般應遵循以下兩方面的原則：①在設計鉆速水平下，保證井底切削覆蓋良好；②使各切削齒磨損相對均勻，提高切削齒的利用率。根據(jù)上述原則，可以按照以下步驟來進行徑向布齒設計：首先設定每轉吃入深度、切削齒尺寸、后傾角等參數(shù)；根據(jù)套管切削覆蓋要求，確定鉆頭中心部位的切削的徑向坐標；選擇鉆頭中心部位的某切削齒（2～3號齒）作為設計參考齒，然后計算設計參考齒的切削面積、接觸弧長；結合鉆頭剖面和切削齒剖面輪廓，確定4號齒的徑向坐標和高度坐標。依次類推，確定其他切削齒的徑向坐標和高度坐標。

（3）周向布齒設計。周向布齒就是將一定數(shù)量的切削齒按一定方式分布在鉆頭冠部表面上。其目的就是在保證鉆頭穩(wěn)定性，提高水力清洗和冷卻效果的前提之下，設計一定數(shù)量的刀翼便于切削齒的安裝。按照以上原則，本文采取的是螺旋式6刀翼的布置方案。

2.3 流道設計

為了更好的讓切削下來的套管金屬切屑能被鉆井液攜帶出地面，同時還要冷卻切削齒，開窗鉆頭的流道要求安裝更多的噴嘴[3]。刀翼布置完成后再進行噴嘴的布置設計，首先參照鉆頭水力參數(shù)要求確定鉆頭噴嘴當量直徑，然后確定鉆頭噴嘴數(shù)量和直徑，再確定噴嘴的角度和布置位置，在開窗PDC鉆頭上，鉆頭共設計了4個水眼。根據(jù)位置結構的安排，傾斜角度略有不同。

3 造型與建模

采用三維輔助設計軟件Solidworks進行三維建模和設計。通過三維實體的建模，可以形象、直觀地實現(xiàn)設計意圖。在裝配好切削齒后，能夠方面地檢查切削齒的位置是否安裝合理，是否會出現(xiàn)干涉，是否能滿足加工制造的需求。而且，通過后期的有限元分析，能夠快速檢查鉆頭基體的強度是否能滿足需求，并且能適時調整，形象、直觀地將設計意圖融入到設計中去。

有了鉆頭的三維實體模型，還可以建立外模具。無論是實體模型或者外模具，都可以用3D打印機將其打印出來，利用這個打印的模型，1∶1實體進行翻砂鑄造燒結，然后再焊接上PDC齒。這種將三維設計融合，直接數(shù)字模型加工制造的模式，對于小批量個性化的PDC鉆頭的設計與加工非常實用，既節(jié)省了成本，又縮短了加工制造的周期，同時由于無需轉經二維圖紙的中間環(huán)節(jié)，大大提高了制造的精度。

4 結論

（1）基于開窗側鉆鉆頭的特有性質，設計了一種能用于開窗的PDC個性化鉆頭，并且在開完窗后還能在地層中繼續(xù)鉆進一段距離，為后續(xù)作業(yè)提供必要的支持。

（2）在設計開窗PDC鉆頭時，既要利用好以前常規(guī)用于鉆地層的PDC鉆頭的設計經驗，也要有針對性地對開窗鉆頭的獨特性進行個性化設計。

（3）在鉆頭的設計，修改和優(yōu)化過程中有效地利用三維建模軟件來完成，使得設計過程更加快捷、直觀和方便。將三維數(shù)字化模型直接用三維打印機打印，然后成型模具，經過燒結成型后焊接PDC齒，完成整個鉆頭的加工。從設計、修改到加工制造整個過程拋開了二維圖，使得個性化鉆頭的設計更加快捷，大大降低了成本，縮短了設計到加工的周期。

[1]Voden G，Pfannenstiel G，Matthews R．Technical Improvements in Mill-Profile Design and Cutting Structures:Case Histories and Developments[C]．SPE Production Operations Symposium，2005.

[2]劉建風．PDC鉆頭布齒設計技術[J]．勘探地球物理進展，2003（3）：225-227.

[3]朱海燕，王錫洲，劉時英，等．PDC鉆頭水力學研究最新進展[J]．石油鉆采工藝，2009，31（5）：23-28.

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.2.003

基金論文：國家科技重大專項（2011ZX05009—005）。