油井專用鉆頭設計技術發展及現狀研究

李善長

油井鉆頭設計分為前期準備、布齒設計、工作性能分析和其他部分設計等階段。其中最重要的是布齒設計。前期準備包括根據現有資料和經驗確定油井鉆頭尺寸、切削齒大小和數目、布齒方式、噴嘴等。布齒設計階段確定切削齒的參數，包括油井鉆頭冠部形狀設計以及切削結構進行設計。

油井鉆頭設計理論與方法研究進展

一、剖面設計。剖面形狀直接影響油井鉆頭各部位切削齒的受力狀態。在實驗室對不同冠部形狀的油井鉆頭進行鉆進試驗，受力分析結果表明，在切削面積相同的條件下，平底型油井鉆頭上的各切削齒的受力分布較均勻。錐型油井鉆頭在冠頂附近切削齒的縱向受力比油井鉆頭中心和外緣處要大得多，而側向受力則完全相反。錐面越長，受力分布越不均勻。因此，具有深內錐的油井鉆頭，其穩定性較好。外錐齒的側向力只有在平衡的條件下才能起到穩定油井鉆頭的作用，否則會使油井鉆頭偏離旋轉中心，容易崩碎或加速磨損。

二、布齒設計。切削齒的加速磨損和沖擊碎裂是影響油井鉆頭在硬的、研磨性地層中鉆進效果的兩個主要因素。為提高油井鉆頭鉆進硬的、研磨性地層的水平，國內油井鉆頭設計者都把工作的重點集中在改善油井鉆頭的抗沖擊性和耐磨性方面。在布齒設計中主要有以下2個方面的嘗試：

第一，通過減小切削齒尺寸、增加切削齒和刀翼數量來提高油井鉆頭的耐磨性；第二，采用同軌跡布齒方法來提高油井鉆頭的穩定性。

這兩種設計上的改進雖然使油井鉆頭工作壽命有了一定程度的提高，但其鉆進速度并不令人滿意。

采用高密度布齒，增大了金剛石的體積，確實可以提高油井鉆頭的耐磨性，但通常給鉆進速度帶來負面影響。硬地層需要高鉆壓來克服巖石的門限剪切強度。但考慮到切削齒的熱加速磨損問題，又不能無限制地增大鉆壓。因此，高密度布齒設計的結果往往導致切削齒刮擦而不是有效剪切井底巖石。在布齒密度較小的情況下，較大的載荷作用可使切削齒有效地吃入并剪切破碎巖石，不僅鉆進效率高，而且會減少切削齒與巖石的接觸時間。相反，當布齒密度較高時，切削齒受力較小，結果是以研磨方式而不是剪切方式破碎巖石，不但破巖效率低，而且增加了切削齒與巖石的接觸時間。破巖效率的降低和切削齒與巖石接觸時間的增加，可能是限制高密度布齒的油井鉆頭在硬地層中鉆進效果的主要原因。此外，高密度布齒對水力作用的不利影響也是限制油井鉆頭性能的原因之一。

三、水力學研究。在對新型油井鉆頭的研制過程中，在材料和結構的研究達到一定程度以后，運用流體力學方法來分析油井鉆頭頭部水力場顯得尤為重要，甚至成為提高油井鉆頭鉆進速度和使用壽命的決定性因素。主要研究目的為：一是防止油井鉆頭泥包，以提高機械鉆速和延長使用壽命；二是使流動平穩，提高流體的清巖和冷卻切削齒能力；三是減少漩渦和射流對切削齒的沖擊以防止斷齒。目前的研究手段為通過實驗和數值計算，分析在不同油井鉆頭形態和水力參數條件下流場的異同，以期找到改善油井鉆頭形態調整水力參數的方向。

油井鉆頭設計技術的發展

一、CAD的發展。目前，油井鉆頭大都采用計算機輔助技術及整體模擬技術設計，運用CAD、優化設計和計算機仿真等現代設計方法，自行開發的一套專用設計軟件。它由幾何結構設計、工作性能模擬和CAD繪制設計圖三部分組成，實現油井鉆頭設計全過程的電算化。應用表明，該套軟件原理新穎、速度快、精度高、操作方便，完全實現了油井鉆頭設計、分析和繪圖全過程的電算化，能夠大幅度提高油井鉆頭的設計效率和設計質量，大大提高了油井鉆頭設計的科學性和準確性。

二、三維設計的發展。國內外有大量的文獻介紹了 油井鉆頭的設計理論和方法，對油井鉆頭冠部及切削齒的設計提出了許多假設和理論計算。通常的做法是由研究人員提供設計思路，合作制造單位根據思路設計油井鉆頭的原理圖，然后根據原理圖制作實物模型進行實驗。這個過程的缺點有3點：設計周期長；修改非常困難；設計成本高。針對這種情況，通過實踐，探索了一條數字化設計油井鉆頭的方法，不僅可以直接從原理生成三維油井鉆頭模型，而且可以根據設計平面圖直接生成三維油井鉆頭模型，由三維油井鉆頭模型直接轉換到NUMECA這樣的大型分析軟件進行網格生成并進行分析計算，經過后處理分析發現問題，及時修改油井鉆頭的設計參數，然后再進行設計分析直至得到滿意的設計結果。這樣就省略了80%的中間過程，大大地提高了設計的效率。

國內研究的最新動向

近年來，國外在井底流場和水力結構優化設計方面的研究相繼越來越多。而國內對油井鉆頭在井底流場和水力結構優化設計的研究還較少，只對改善油井鉆頭的水力結構設計進行過初步研究，因此需要進行大力研究和開發。以提高設計和操作技術水平，使油井鉆頭的鉆進速度、耐久性和穩定性都能有較大的改善。

（作者單位：遼河裝備集團有限公司）