PDC钻头布齿软件设计方法研究

摘要：PDC钻头是油气钻井的重要钻进工具，合理的布齿形式能有效提高钻进速度，降低钻头损耗，节约钻探成本。本文应用现代计算机软件技术对PDC钻头布齿设计方法进行研究，在国内外对冠部形状、切削齿径向布置和周向布置设计方法的已有研究成果上，建立了确定齿前角和侧转角的优化设计方法，并以Visual C++和Visual Lisp语言编制应用软件实现PDC钻头的设计计算和绘图。实践表明，采用软件成图具有布齿设计速度快，精确度高，可操作性强，使用方便快捷，有很好的应用价值和推广前景。

关键字：PDC钻头、布齿、软件、齿前角、侧转角

中图分类号： TE2 文献标识码： A 文章编号：

1. 引言

PDC钻头是刮刀钻头在高级技术工艺条件下的复现，利用PDC层切削破坏岩石，具有硬度高、整体强度高、耐磨性好、热稳定性好、自锐性好等优点，在油气钻井中得到了广泛的应用。目前国内常用图解调整法设计PDC钻头，该方法效率低、工作量大、设计过程繁琐，并不时出现误差。本文应用国内外对PDC钻头布齿设计的最新研究成果，以软件方式实现大量布齿设计计算模型的求解，充分克服了图解调整法的不足。

2. PDC钻头布齿方法研究

PDC钻头布齿方式直接影响钻头的工作性能。每个切削齿在钻头上都有六个独立的参数，即三个空间位置参数：切削齿到钻头轴线的距离Rc、切削齿到钻头轴线方向的高度Hc、切削齿到钻头圆周方向的位置角，和三个结构参数：装配角、齿前角、侧转角，每个参数都影响着单个切削齿乃至整个钻头的破岩性能。故高质量、性能优良的设计，需要合理分析各参数对破岩性能的影响并确定最佳值。PDC钻头设计主要分整体结构设计、布齿设计和工作性能分析三个阶段。整体设计根据现有资料和经验确定钻头尺寸、切削齿大小和数目、布齿方式、喷嘴等。布齿设计阶段确定切削齿的参数，包括钻头冠部形状设计、径向布齿设计、周向布齿设计、切削齿齿前角和侧转角设计。工作性能分析阶段主要权衡设计方案利弊并调整修改设计。

2.1 冠部形状设计

冠部形状会引起切削齿具置差异，这包括切削齿相对高差和切削齿轴线与钻头轴线间夹角，从而影响各切削齿的切削体积，导致破岩能力不同。合理的冠部形状会增加钻头稳定性，利于井底的清洗和减少切削齿的磨损。PDC钻头冠部形状轮廓线主要由内锥面和顶部圆弧面两部分组成，通常采用等切削、等磨损和等功率三种不同的设计原则设计。冠部形状轮廓线的设计方程式推导参考文献[1]。

2.2 径、周向布齿设计

切削齿的径向布置是要在钻头半径平面内沿冠部外形轮廓布置切削齿。径向布齿主要确定Rc、Hc和，得到径向布齿图，它反映切削齿在钻头上的径向布置和在井底半径方向的覆盖情况。分三个步骤设计：确定经验数据—确定中心齿和规径齿位置—确定各切削齿Rc、Hc和。

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各个切削齿的周向位置角，得到周向布齿图，主要采用螺旋形布齿或翼片形布齿。每种布齿方式都与之相应的水力结构相配合。文献[2]中有关于径向布齿和周向布齿的具体设计计算。

2.3 齿前角、侧转角优化设计

PDC钻头切削齿工作角由切削齿的齿前角和侧转角决定，工作角对切削齿的切削效率和工作性能有重要影响。正确设计切削齿的齿前角和侧转角是PDC钻头设计中的重要内容。PDC钻头的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相同。已有文献指出，由于各个切削齿工作部位和切削条件不同，齿前角和侧转角应不同，对于特定岩石性质和钻井条件，各切削齿都存在一个合理的齿前角和侧转角。但对于如何合理确定这个合理数值一直没有有效的方法。现在大都根据单齿切削实验确定一个较好齿前角和侧转角，钻头上各齿都采用这个数值，这样设计由于各齿接触井底部位不同，最影响切削效率的实际切削角度相差较大，也就是说结构角相同，工作角却不相同，而且未必合理。文中以实验结果讨论齿前角和侧转角的优化设计。

2.3.1 模型优化

假设对于某种岩石，通过在一定条件下的单齿或多齿切削实验，确定出前倾角和侧倾角分别为和时，切削效果最好。那么，就设法让各个切削齿的实际工作角度即前倾角和侧倾角的平均值都与和相等，通过这种方法取得齿前角和侧转角的最佳值[2,3]，相应的数学模型为：

设计变量：

目标函数：

约束条件：

式中，为相同实验条件下、不同的、值对切削齿的磨损量，和分别为切削齿工作区域上实际前倾角和侧倾角平均值，、为齿前角的最小值和最大值，、为侧转角的最小值和最大值。

2.3.2 模型求解

求解模型时，先选取、初始值，确定钻头上各结构参数，并计算切削齿在井底的接触角以确定工作区域；然后计算工作区域内各点的前倾角和侧倾角，求出统计平均值和，计算目标函数；再调整、值，重复上述过程，直到最小，此时、即为最优齿前角和侧转角。

3. 布齿软件设计

PDC钻头布齿设计计算量大，输入和调整的参数多，为提高软件运行速度和模块化程度，将布齿设计的计算用Visual C++来实现，对计算结果的处理和绘图以Visual Lisp实现。

3.2 布齿程序设计

布齿程序是本软件的核心部分，该程序由许多功能相对独立的模块组成，参数输入模块实现钻头基本参数的输入，包括钻头半径、切削齿型号、齿数、保径齿磨削量、出露系数、选择冠部形状设计原则、周向布齿螺旋线方程和参数等；冠部形状设计模块主要功能是根据输入参数按照设计原则设计出钻头冠部轮廓线方程式；径向布齿设计模块确定中心齿和规径齿位置、各切削齿的径向位置Rc、Hc、和装配角；周向布齿设计模块完成钻头水力结构设计和各切削齿周向位置角设计；齿前角、侧转角设计模块根据以上设计结果，按照2.3节提供的方法对齿前角、侧转角进行优化设计；工作性能预测分析模块主要人为判断已完成的布齿设计方案是否满足设计要求、有没有更好的设计方案等，如果不满足设计要求，则更改设计模型、修改参数后重新进行设计，若符合设计，则执行参数输出模块；参数输出模块将完成的PDC钻头布齿设计所有参数输出到供Visual Lisp程序调用的接口中。CAD根据输入的设计参数进行布齿、成图。

3.2 软件整体设计

图2为该软件整体设计流程图。软件运行时，首先在CAD绘图软件中加载Visual Lisp程序，该程序自动调用Visual C++程序实现布齿设计，并返回满足设计要求的布齿参数和其它数据；然后Visual Lisp程序对这些数据进行处理，并在CAD中生成PDC钻头的布齿模型；模型生成后可以对图形进行修改，最后实现图形的输出。

4. 结论

PDC钻头布齿设计软件采用的设计方法精确度高、设计效率高、方法先进。实际应用情况表明，该软件具有运行速度快、模块化程度高、集成性好等优点，同时，软件用户界面友好，以对话框形式实现人机交互，对操作者计算机水平要求低，设计人员容易掌握，操作使用方便简捷。

[参考文献]

[1]李树盛,蔡镜仑等. PDC钻头冠部形状设计的原理和方法. 石油机械，1998.3

[2]刘建风. PDC钻头布齿设计研究及其计算机辅助设计. 成都理工大学硕士学位论文，2003

[3]彭军生,杨利. PDC钻头技术的新发展. 石油机械，2001.11

[4]Behr S M, Warren T M, etc. Three-dimensional modeling of PDC bit [J]. SPE21928，1991

[作者简介] 周从明，1980年出生，男（汉族），浙江宁海人，成都理工大学地质工程专业硕士，主要从事岩土设计及计算机应用等方向的研究