侧钻开窗PDC钻头的个性化设计*

许朝辉 高德利中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室

侧钻开窗PDC钻头的个性化设计*

许朝辉 高德利中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室

钻头的设计包括剖面设计、布齿设计、流道设计等。由于开窗钻头具有独特的受力特性和切削要求，因此在参考常规地层PDC钻头的设计经验基础上，针对开窗钻头进行了个性化设计。采用三维辅助设计软件Solidworks进行三维建模和设计。通过三维实体的建模，可以形象、直观地实现设计意图。在钻头的设计、修改和优化过程中有效地利用三维建模软件来完成，使得设计过程更加快捷、直观和方便。将三维数字化模型直接用三维打印机打印，然后成型模具，经过烧结成型后焊接PDC齿，完成整个钻头的加工。

PDC钻头；个性化设计；开窗；三维打印

1 套管开窗过程及钻头受力分析

套管开窗是一个非常复杂的过程。在上部钻柱的驱动下（旋转和施压），既要受斜向器的导斜面的支撑，还要不断地切削套管，而且切削面还在不断的变化。

钻头在开窗的过程中，一边沿着斜向器的导斜面下滑，另一侧切削套管。由于斜向器的倾斜角度的变化以及钻头在套管上所处的位置的不同，钻头与套管壁接触的部位也在变化。

文献[1]中对这三个过程中第一阶段（钻头切入套管）和第二阶段（钻头全尺寸开窗切削套管）进行了受力分析。利用其分析结果，可以为钻头的设计提供指导和依据。

2 PDC开窗钻头的个性化设计

钻头的设计包括剖面设计、布齿设计、流道设计等。由于开窗钻头具有独特的受力特性和切削要求，因此在参考常规地层PDC钻头的设计经验基础上，针对开窗钻头进行了个性化设计。

2.1 钻头剖面的设计

钻头的剖面设计直接影响钻头的以下性能：钻头的稳定性、导向性、布齿密度、钻头寿命、ROP、清晰和冷却效果。因此钻头的剖面设计是钻头设计中最重要的一个环节。剖面设计主要就是设计合适的锥面角度、鼻部曲面、肩部、外径曲面以及保径，如图1所示。

（1）锥面设计。国际钻井承包商协会（IADC）将PDC钻头冠部形状归纳为四种基本类型，即平底型、浅锥型、中锥型和长锥型。锥面浅时，钻头导向性强，清洗效果好，攻击性强，但是稳定性差，金刚石覆盖率低；锥面越深，稳定性越高，中心区域的金刚石覆盖率越大，但是导向性不好，清洗效果不好，攻击能力低。对于开窗PDC钻头来说，需要较强的导向性，同时清洗效果也要求较高，攻击性越强越好。因此，开窗PDC钻头的设计中要求使用浅锥面。

图1 钻头剖面形状

（2）鼻部设计。鼻部的结构主要由两个参数来决定：离中心的距离L和半径大小R。R值越大，通过大的表面面积来达到很好的抗冲击能力，适合在硬且夹层多的地层中使用。鼻部与中心距离小可提供给肩部更大的表面面积和布齿密度，适合软质、研磨性强的地层。鼻部与保径部位距离近可给钻头冠部提供更大冠面面积，从而获得更好的冲击能力，适合比较硬的地层。对于开窗钻头来说，由于切削套管需要比较大的抗冲击能力，因此R值和L值都要选得大一些。由于钻头绝大部分处于全尺寸开窗阶段，因此在这一段上应该尽可能多地增加布齿密度，所以L值也应该适当增大，以提供给冠部更大的冠面面积和布齿密度。

（3）肩部和保径设计。确定了锥角和鼻部距离以及半径以后，就要进行肩部形状和保径长度的设计。肩部的大小也就决定了冠部的冠面。冠面一般有平抛面、短抛面、中抛面和长抛面四种形式。平抛面常用在较硬且研磨性弱的地层；长抛面常用在较软而且研磨性很强的地层。对于开窗钻头来说，由于套管比较硬，并且具有很强的方向性，因此选择平抛面进行设计。保径段的长度决定了PDC钻头钻进过程中的稳定性。

2.2 布齿设计

布齿设计包括切削齿尺寸选择、切削齿数量及布置方式设计、切削齿工作角设计等。布齿设计是PDC钻头设计的核心内容，对PDC钻头的钻进效率、稳定性和工作寿命都有着十分重要的影响[2]。

（1）切削齿尺寸选择。国内外生产厂家提供了很多尺寸的PDC切削齿供钻头设计者选用。目前应用比较多的切削齿主要有ϕ19 mm、ϕ13 mm和ϕ8 mm三种规格。鉴于本钻头尺寸较小，并且切削的是较硬地层，因此选择ϕ8 mm规格切削齿。

（2）径向布齿设计。径向布齿设计一般应遵循以下两方面的原则：①在设计钻速水平下，保证井底切削覆盖良好；②使各切削齿磨损相对均匀，提高切削齿的利用率。根据上述原则，可以按照以下步骤来进行径向布齿设计：首先设定每转吃入深度、切削齿尺寸、后倾角等参数；根据套管切削覆盖要求，确定钻头中心部位的切削的径向坐标；选择钻头中心部位的某切削齿（2～3号齿）作为设计参考齿，然后计算设计参考齿的切削面积、接触弧长；结合钻头剖面和切削齿剖面轮廓，确定4号齿的径向坐标和高度坐标。依次类推，确定其他切削齿的径向坐标和高度坐标。

（3）周向布齿设计。周向布齿就是将一定数量的切削齿按一定方式分布在钻头冠部表面上。其目的就是在保证钻头稳定性，提高水力清洗和冷却效果的前提之下，设计一定数量的刀翼便于切削齿的安装。按照以上原则，本文采取的是螺旋式6刀翼的布置方案。

2.3 流道设计

为了更好的让切削下来的套管金属切屑能被钻井液携带出地面，同时还要冷却切削齿，开窗钻头的流道要求安装更多的喷嘴[3]。刀翼布置完成后再进行喷嘴的布置设计，首先参照钻头水力参数要求确定钻头喷嘴当量直径，然后确定钻头喷嘴数量和直径，再确定喷嘴的角度和布置位置，在开窗PDC钻头上，钻头共设计了4个水眼。根据位置结构的安排，倾斜角度略有不同。

3 造型与建模

采用三维辅助设计软件Solidworks进行三维建模和设计。通过三维实体的建模，可以形象、直观地实现设计意图。在装配好切削齿后，能够方面地检查切削齿的位置是否安装合理，是否会出现干涉，是否能满足加工制造的需求。而且，通过后期的有限元分析，能够快速检查钻头基体的强度是否能满足需求，并且能适时调整，形象、直观地将设计意图融入到设计中去。

有了钻头的三维实体模型，还可以建立外模具。无论是实体模型或者外模具，都可以用3D打印机将其打印出来，利用这个打印的模型，1∶1实体进行翻砂铸造烧结，然后再焊接上PDC齿。这种将三维设计融合，直接数字模型加工制造的模式，对于小批量个性化的PDC钻头的设计与加工非常实用，既节省了成本，又缩短了加工制造的周期，同时由于无需转经二维图纸的中间环节，大大提高了制造的精度。

4 结论

（1）基于开窗侧钻钻头的特有性质，设计了一种能用于开窗的PDC个性化钻头，并且在开完窗后还能在地层中继续钻进一段距离，为后续作业提供必要的支持。

（2）在设计开窗PDC钻头时，既要利用好以前常规用于钻地层的PDC钻头的设计经验，也要有针对性地对开窗钻头的独特性进行个性化设计。

（3）在钻头的设计，修改和优化过程中有效地利用三维建模软件来完成，使得设计过程更加快捷、直观和方便。将三维数字化模型直接用三维打印机打印，然后成型模具，经过烧结成型后焊接PDC齿，完成整个钻头的加工。从设计、修改到加工制造整个过程抛开了二维图，使得个性化钻头的设计更加快捷，大大降低了成本，缩短了设计到加工的周期。

[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]刘建风．PDC钻头布齿设计技术[J]．勘探地球物理进展，2003（3）：225-227.

[3]朱海燕，王锡洲，刘时英，等．PDC钻头水力学研究最新进展[J]．石油钻采工艺，2009，31（5）：23-28.

（栏目主持杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.2.003

基金论文：国家科技重大专项（2011ZX05009—005）。