側鉆開窗PDC鉆頭的個性化設計*

許朝輝 高德利中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室

側鉆開窗PDC鉆頭的個性化設計*

許朝輝 高德利中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室

鉆頭的設計包括剖面設計、布齒設計、流道設計等。由于開窗鉆頭具有獨特的受力特性和切削要求，因此在參考常規地層PDC鉆頭的設計經驗基礎上，針對開窗鉆頭進行了個性化設計。采用三維輔助設計軟件Solidworks進行三維建模和設計。通過三維實體的建模，可以形象、直觀地實現設計意圖。在鉆頭的設計、修改和優化過程中有效地利用三維建模軟件來完成，使得設計過程更加快捷、直觀和方便。將三維數字化模型直接用三維打印機打印，然后成型模具，經過燒結成型后焊接PDC齒，完成整個鉆頭的加工。

PDC鉆頭；個性化設計；開窗；三維打印

1 套管開窗過程及鉆頭受力分析

套管開窗是一個非常復雜的過程。在上部鉆柱的驅動下（旋轉和施壓），既要受斜向器的導斜面的支撐，還要不斷地切削套管，而且切削面還在不斷的變化。

鉆頭在開窗的過程中，一邊沿著斜向器的導斜面下滑，另一側切削套管。由于斜向器的傾斜角度的變化以及鉆頭在套管上所處的位置的不同，鉆頭與套管壁接觸的部位也在變化。

文獻[1]中對這三個過程中第一階段（鉆頭切入套管）和第二階段（鉆頭全尺寸開窗切削套管）進行了受力分析。利用其分析結果，可以為鉆頭的設計提供指導和依據。

2 PDC開窗鉆頭的個性化設計

鉆頭的設計包括剖面設計、布齒設計、流道設計等。由于開窗鉆頭具有獨特的受力特性和切削要求，因此在參考常規地層PDC鉆頭的設計經驗基礎上，針對開窗鉆頭進行了個性化設計。

2.1 鉆頭剖面的設計

鉆頭的剖面設計直接影響鉆頭的以下性能：鉆頭的穩定性、導向性、布齒密度、鉆頭壽命、ROP、清晰和冷卻效果。因此鉆頭的剖面設計是鉆頭設計中最重要的一個環節。剖面設計主要就是設計合適的錐面角度、鼻部曲面、肩部、外徑曲面以及保徑，如圖1所示。

（1）錐面設計。國際鉆井承包商協會（IADC）將PDC鉆頭冠部形狀歸納為四種基本類型，即平底型、淺錐型、中錐型和長錐型。錐面淺時，鉆頭導向性強，清洗效果好，攻擊性強，但是穩定性差，金剛石覆蓋率低；錐面越深，穩定性越高，中心區域的金剛石覆蓋率越大，但是導向性不好，清洗效果不好，攻擊能力低。對于開窗PDC鉆頭來說，需要較強的導向性，同時清洗效果也要求較高，攻擊性越強越好。因此，開窗PDC鉆頭的設計中要求使用淺錐面。

圖1 鉆頭剖面形狀

（2）鼻部設計。鼻部的結構主要由兩個參數來決定：離中心的距離L和半徑大小R。R值越大，通過大的表面面積來達到很好的抗沖擊能力，適合在硬且夾層多的地層中使用。鼻部與中心距離小可提供給肩部更大的表面面積和布齒密度，適合軟質、研磨性強的地層。鼻部與保徑部位距離近可給鉆頭冠部提供更大冠面面積，從而獲得更好的沖擊能力，適合比較硬的地層。對于開窗鉆頭來說，由于切削套管需要比較大的抗沖擊能力，因此R值和L值都要選得大一些。由于鉆頭絕大部分處于全尺寸開窗階段，因此在這一段上應該盡可能多地增加布齒密度，所以L值也應該適當增大，以提供給冠部更大的冠面面積和布齒密度。

（3）肩部和保徑設計。確定了錐角和鼻部距離以及半徑以后，就要進行肩部形狀和保徑長度的設計。肩部的大小也就決定了冠部的冠面。冠面一般有平拋面、短拋面、中拋面和長拋面四種形式。平拋面常用在較硬且研磨性弱的地層；長拋面常用在較軟而且研磨性很強的地層。對于開窗鉆頭來說，由于套管比較硬，并且具有很強的方向性，因此選擇平拋面進行設計。保徑段的長度決定了PDC鉆頭鉆進過程中的穩定性。

2.2 布齒設計

布齒設計包括切削齒尺寸選擇、切削齒數量及布置方式設計、切削齒工作角設計等。布齒設計是PDC鉆頭設計的核心內容，對PDC鉆頭的鉆進效率、穩定性和工作壽命都有著十分重要的影響[2]。

（1）切削齒尺寸選擇。國內外生產廠家提供了很多尺寸的PDC切削齒供鉆頭設計者選用。目前應用比較多的切削齒主要有?19 mm、?13 mm和?8 mm三種規格。鑒于本鉆頭尺寸較小，并且切削的是較硬地層，因此選擇?8 mm規格切削齒。

（2）徑向布齒設計。徑向布齒設計一般應遵循以下兩方面的原則：①在設計鉆速水平下，保證井底切削覆蓋良好；②使各切削齒磨損相對均勻，提高切削齒的利用率。根據上述原則，可以按照以下步驟來進行徑向布齒設計：首先設定每轉吃入深度、切削齒尺寸、后傾角等參數；根據套管切削覆蓋要求，確定鉆頭中心部位的切削的徑向坐標；選擇鉆頭中心部位的某切削齒（2～3號齒）作為設計參考齒，然后計算設計參考齒的切削面積、接觸弧長；結合鉆頭剖面和切削齒剖面輪廓，確定4號齒的徑向坐標和高度坐標。依次類推，確定其他切削齒的徑向坐標和高度坐標。

（3）周向布齒設計。周向布齒就是將一定數量的切削齒按一定方式分布在鉆頭冠部表面上。其目的就是在保證鉆頭穩定性，提高水力清洗和冷卻效果的前提之下，設計一定數量的刀翼便于切削齒的安裝。按照以上原則，本文采取的是螺旋式6刀翼的布置方案。

2.3 流道設計

為了更好的讓切削下來的套管金屬切屑能被鉆井液攜帶出地面，同時還要冷卻切削齒，開窗鉆頭的流道要求安裝更多的噴嘴[3]。刀翼布置完成后再進行噴嘴的布置設計，首先參照鉆頭水力參數要求確定鉆頭噴嘴當量直徑，然后確定鉆頭噴嘴數量和直徑，再確定噴嘴的角度和布置位置，在開窗PDC鉆頭上，鉆頭共設計了4個水眼。根據位置結構的安排，傾斜角度略有不同。

3 造型與建模

采用三維輔助設計軟件Solidworks進行三維建模和設計。通過三維實體的建模，可以形象、直觀地實現設計意圖。在裝配好切削齒后，能夠方面地檢查切削齒的位置是否安裝合理，是否會出現干涉，是否能滿足加工制造的需求。而且，通過后期的有限元分析，能夠快速檢查鉆頭基體的強度是否能滿足需求，并且能適時調整，形象、直觀地將設計意圖融入到設計中去。

有了鉆頭的三維實體模型，還可以建立外模具。無論是實體模型或者外模具，都可以用3D打印機將其打印出來，利用這個打印的模型，1∶1實體進行翻砂鑄造燒結，然后再焊接上PDC齒。這種將三維設計融合，直接數字模型加工制造的模式，對于小批量個性化的PDC鉆頭的設計與加工非常實用，既節省了成本，又縮短了加工制造的周期，同時由于無需轉經二維圖紙的中間環節，大大提高了制造的精度。

4 結論

（1）基于開窗側鉆鉆頭的特有性質，設計了一種能用于開窗的PDC個性化鉆頭，并且在開完窗后還能在地層中繼續鉆進一段距離，為后續作業提供必要的支持。

（2）在設計開窗PDC鉆頭時，既要利用好以前常規用于鉆地層的PDC鉆頭的設計經驗，也要有針對性地對開窗鉆頭的獨特性進行個性化設計。

（3）在鉆頭的設計，修改和優化過程中有效地利用三維建模軟件來完成，使得設計過程更加快捷、直觀和方便。將三維數字化模型直接用三維打印機打印，然后成型模具，經過燒結成型后焊接PDC齒，完成整個鉆頭的加工。從設計、修改到加工制造整個過程拋開了二維圖，使得個性化鉆頭的設計更加快捷，大大降低了成本，縮短了設計到加工的周期。

[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]劉建風．PDC鉆頭布齒設計技術[J]．勘探地球物理進展，2003（3）：225-227.

[3]朱海燕，王錫洲，劉時英，等．PDC鉆頭水力學研究最新進展[J]．石油鉆采工藝，2009，31（5）：23-28.

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.2.003

基金論文：國家科技重大專項（2011ZX05009—005）。