[发明专利]一种基于全旋转指向式钻井工具提高破岩效率的方法

说明书

一种基于全旋转指向式钻井工具提高破岩效率的方法，通过在Matlab软件中建立数字化PDC钻头和数字化岩石模型，以及钻头与岩石相互作用仿真程序，在旋转导向钻井条件下，模拟PDC钻头与岩石相互作用过程；给出了破岩效率的定量表示方法，提出了一种通过控制导向机构中内、外偏心环的转速比的方法来提高全旋转指向式钻具破岩效率方法，对全旋转指向式导向钻井工具破岩效率的提高有一定的指导意义，为提高旋转导向钻井工具破岩效率的研究提供了思路。

技术领域

本发明涉及井下闭环旋转导向钻井技术领域，特别涉及一种基于井下闭环全旋转指向式导向钻井工具提高破岩效率的方法。

背景技术

目前井下闭环旋转导向钻井工具按工作方式基本可以分为：静态偏置推靠式、动态偏置(调制式)推靠式、静态偏置指向式和动态偏置指向式四类。参照图1公开了一种动态偏置指向式旋转导向钻具，包括了可控弯接头由旋转外套(7)、导向轴(5)、导向机构、导向驱动机构(1、4)和电子控制系统组成，导向机构为导向工具的核心，主要由内偏心环(4)和外偏心环(3)组成，导向轴的一端由导向机构控制，另一端安装钻头(6)；因此，对导向机构中内、外偏心环转速比的控制成为了提高动态偏置指向式旋转导向钻具破岩效率的关键。许多科研机构仅对PDC钻头钻井的破岩效率进行了研究，但没有对PDC钻头在旋转导向钻井系统中的破岩效率进行讨论，对智能钻井工具的研究存在一定的缺陷。

发明内容

为了克服现有技术方案的缺陷，对旋转导向钻井工具破岩的破岩效率进行深入研究，本发明的目的在于提供一种基于全旋转指向式钻井工具提高破岩效率的方法，通过控制可控弯接头导向机构中内、外偏心环的转速比来提高全旋转指向式钻具破岩效率，为井下闭环旋转导向系统的破岩，尤其是动态偏置指向式旋转导向钻具的破岩研究提供一定的方法指导。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于全旋转指向式钻井工具提高破岩效率的方法，包括以下步骤：

步骤一：建立PDC钻头的数字化模型

(1)齿面数字化

采用极坐标等弧长数字化方法对PDC齿工作面进行数字化建模，等弧长数字化方法，是对齿刃轮廓线按一定角度步长进行等弧长划分，再过轮廓线上的各等分点作纵、横坐标轴的平行线，生成数字化单元网格，每两条网格线的交点即为一个数字化节点，相邻4个有效节点围成的矩形区域即为一个PDC齿工作面的面积微元，其数学模型为：

式中：x_p、y_p、z_p为齿面数字化节点坐标；R为PDC钻头切削齿半径，mm；θ_step为齿的角度步长，°；0≤i，j≤360/θ_step。

(2)齿侧面数字化

PDC主切削齿的齿侧为圆柱面，为了得到其数字化模型，将其在周向及轴线方向等分即可，设某节点的坐标为(x_m,y_m,z_m)，那么：

式中：l_step为轴线方向上的长度划分步长0≤j≤l/l_step，l为切削齿圆柱部分长度；R为PDC钻头切削齿半径，mm；θ_step为齿的角度步长，°；0≤i，j≤360/θ_step。

(3)规径齿数字化