[发明专利]一种PDC钻头内部喷管结构的设计方法

说明书

技述领域

本发明涉及一种用于石油钻井业的一种新型PDC钻头内部喷管 结构的设计方法。

背景技术

PDC钻头(Polycrystalline Diamond Compact Bit)使用聚晶金刚石 复合片作为切削元件，以切削方式破岩，具有很好的综合经济性能， 是石油钻井业的一种实用钻具。PDC钻头在世界范围内得到了普遍应 用。在均质的中到软地层中PDC钻头具有破岩效率高、钻速快、进尺 多、寿命长等优点。但是，在研究开发与使用过程中，PDC钻头仍然 存在PDC钻头齿的磨损、掉齿、断裂和钻头泥包等问题，严重降低了 造价昂贵的PDC钻头的使用寿命。人们发现这些损坏主要是由于钻头 不能在井下稳定地工作而造成的。

PDC钻头的不稳定性在实际使用除钻井参数选择不当和地层结 构复杂外，PDC钻头水力设计不合理是造成钻头不稳定行而出现破坏 的一个重要原因，现已有的PDC钻头稳定性设计中都考虑的只是机 械设计因素，没有考虑泥浆射流将对钻头产生作用力和力矩而对钻头 稳定性产生的影响，毫无疑问，根据流体力学理论，考虑水力射流影 响将有利于保持钻头稳定和钻头不偏离井眼中心的功能。而这涉及到 钻头内部射流喷管的结构设计和布置。如图2所示，PDC钻头外部包 括流道3，刀翼4，和喷管5。钻头内部包括用于泥浆射流的分支喷 管，它们和主喷管相连接。内部喷管结构如图1剖开部分和图2所示， 它包括主喷管1和几个分支喷管2。

发明内容

本发明目的是为了提高钻头稳定性，同时防止钻头偏离井眼中 心产生井斜，从而解决PDC钻头使用中存在的齿磨损、掉齿、断裂 等问题，改善PDC钻头的稳定性，提供有利于钻头稳定性的钻头内 部喷管结构的设计方法。

本发明需要解决的技术问题是：从水力学上保持钻头在钻进过程 中的钻头稳定性和钻头不偏离井眼中心。

本发明的技术方案是：一种新型PDC钻头内部喷管结构的设计 方法，其特点是：

1.钻头水力设计时使刀翼的个数为偶数分布，喷管的个数为偶数 分布；使与相应喷管相连接的钻头内部各分支喷管中心轴线通过钻头 几何中心轴线oo’，以保证泥浆自喷管射出时施加给钻头的作用力能 通过钻头中心轴线而使得多股射流对钻头产生的合力扭矩为零，而保 证钻头稳定性；

2.使各钻头流道喷管与对面流道的喷管两两处于同一纵向平面 内，且两分支喷管的中心轴线必须相交于钻头中心轴线oo’上，便 于钻头加工又能保证消除射流反作用水平分力产生的扭矩，使钻头不 偏离设计井眼；

3.在前两步的原则下，钻头水力设计应先根据钻头水平平面图上 钻头刀翼位置和钻井设计要求，确定与该刀翼相应的某一喷管位置， 在钻头纵剖面图上将该喷管中心轴线与钻头中心轴线相交，交点为 A，自该交点A可做其对面流道上的分支喷管的轴线，理论上为无数 条，再由该喷管的设计倾角Θ和点A共同来唯一确定该轴线，再根 据该中心轴线确定钻头内部喷管在主管上的位置。其他喷管位置确定 方法与此相同。

本发明的有益效果是和用本发明方法设计的喷管结构的特点是： 泥浆通过喷管射流后，钻头内部喷管系统能消除由于水力设计不合理 而产生的扭矩和射流对钻头产生的横向作用力，从而能保证钻头在钻 进过程中的稳定性和井眼的不偏移。

附图说明

图1为PDC钻头内部喷管结构图；

图2为PDC钻头外部结构示意图；

图3为分支喷管在钻头表面位置和钻头几何中心轴线位置图；

图4为喷管结构的一个纵剖面图；

图5为分支喷管位置确定图。

具体实施方式

一种PDC钻头内部喷管结构的设计方法，PDC钻头外部，如图 2所示，包括刀翼4、喷管5和流道3，设计时：