[发明专利]一种优选PDC钻头水力结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石油钻井工程技术，特别涉及一种优选PDC钻头水力结构的方法。

背景技术

作为工业的血液，原油价格的波动对国家经济、政治和军事方面的意义不言而喻。随着原油价格的提升和成品油价格的调整，对石油资源的勘探与开发也进入了一个全新的阶段。如何高效、安全、快速和低成本地开发石油资源成为各大石油公司追逐的目标。作为破碎岩石的主要工具，钻头质量的优劣将直接影响钻井速度、钻井质量和钻井成本。随着钻井工艺的要求及钻井技术的发展，钻头的设计、制造和使用有了较大的发展，而且仍在发展之中。

最近几年，PDC钻头以其无活动部件、地层适应性好、硬度高、耐磨性好等特点而应用日益广泛。在大规模推广应用的过程中，PDC钻头自身所存在的一些问题也逐渐显现，其中最主要的问题之一就是目前PDC钻头水力结构尚缺乏一套成型的设计思路与方法，现有PDC钻头水力结构研究中多针对具体水力结构进行数值计算，然后根据计算结果定性而不是定量地分析然后对钻头水力结构进行微调，但从流体微团在钻头井底流场中停留时间和钻头附近压降两方面入手对PDC钻头水力结构进行优选则未被提出。然而，水力结构的合理与否对钻头安全快速钻进意义重大，钻头水力结构设计不合理会导致钻头泥包、机械钻速下降、切削齿严重磨损、井底携岩效果差等诸多问题。本发明就是在上述背景下产生的。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种优选PDC钻头水力结构的方法，解决了现有PDC钻头水力结构选择过程中存在的无优化标准可使用、人为随机性太大、PDC钻头质量不稳定等问题。

本发明提到的一种优选PDC钻头水力结构的方法，包括以下步骤：

a、利用计算机辅助设计软件建立相同公称直径、不同水力结构PDC钻头的实体模型；

b、采用计算流体力学软件模拟获得相同排量情况下上述不同水力结构PDC钻头的井底流场，并保存数值模拟的结果；

c、根据数值模拟的结果，统计得出全部钻井液流体微团在PDC钻头井底流场中的停留时间；

d、根据数值模拟的结果，计算得出钻井液从进入钻头内腔到从排屑槽上返这一阶段内的压力损耗；

e、选择钻井液流体微团在PDC钻头井底流场中的停留时间最短同时钻井液从进入钻头内腔到从排屑槽上返这一阶段内的压力损耗最小的水力结构作为PDC钻头的最优水力结构。

步骤b中，PDC钻头的钻井院液在井底流场的流动过程如下：从上部接头进入钻头内腔；经喷嘴喷出钻头体，形成高速射流冲击、清洗井底；高速射流的返回流对安装有聚晶金刚石复合片的刀翼表面进行清洗；清洗过后的钻井液进入排屑槽并上返至钻杆与地层之间的环形空间。

步骤c中，所述的全部钻井液流体微团在PDC钻头井底流场中的停留时间，具体是统计得出钻井液流体微团从进入钻头内腔到流出排屑槽这一过程所耗费的时间。

本发明的有益效果是：本发明解决了现有PDC钻头水力结构选择过程中存在的无优化标准可使用、人为随机性太大、PDC钻头质量不稳定等问题；经过水力结构优选的PDC钻头在现场钻进时能够有效避免钻头泥包、井底携岩效果差和机械钻速低等问题，为PDC钻头的推广应用做出应有的贡献。

附图说明

图1是优选PDC钻头水力结构的流程图；

图2是PDC钻头的示意图；

上图中：钻头内腔1、喷嘴2、刀翼表面3、排屑槽4。

具体实施方式

    下面结合附图1和2来详细描述本发明采用的技术方案：

本发明提到的一种优选PDC钻头水力结构的方法，该方法包括以下步骤：

在步骤a中，利用计算机辅助设计软件建立相同公称直径、不同水力结构PDC钻头的实体模型；

在步骤b中，采用计算流体力学软件对上述不同水力结构PDC钻头附近的钻井液流动情况分别进行数值模拟，并保存数值模拟的结果。如图2所示，PDC钻头附近钻井液的流动过程如下：从上部接头进入钻头内腔1；经喷嘴2喷出钻头体，形成高速射流冲击、清洗井底；高速射流的返回流对安装有聚晶金刚石复合片的刀翼表面3进行清洗；清洗过后的钻井液进入排屑槽4并上返至钻杆与地层之间的环形空间；

在步骤c中，根据数值模拟的结果，统计得出钻井液流体微团从进入钻头内腔1到流出排屑槽4这一过程所耗费的时间，即得到钻井液流体微团在PDC钻头井底流场中的停留时间；

在步骤d中，根据数值模拟的结果，计算得出钻井液从进入钻头内腔1到流出排屑槽4这一阶段内的压力损耗；

在步骤e中，选择钻井液流体微团在PDC钻头井底流场中的停留时间最短同时钻井液从进入钻头内腔1到流出排屑槽4这一阶段内的压力损耗最小的水力结构作为PDC钻头的最优水力结构。