[发明专利]一种考虑动态磨损的PDC钻头侧向力平衡布齿方法

说明书

本发明涉及一种考虑动态磨损的PDC钻头侧向力平衡布齿方法，属于油气钻井工具的动力学领域。该方法主要包括产生初始布齿结构；得出PDC钻头侧向力的平均值Y；构建函数模型F；寻找最佳布齿结构p₀；计算最佳布齿结构p₀’对应的PDC钻头侧向力均值Y_G和Y_Z；输出最终布齿结构p₀’及其对应的PDC钻头侧向力均值Y_Z等共17个步骤。本发明能够保证切削齿在不断磨损状况下PDC钻头所受侧向力始终处于较小水平，解决了目前无法保证磨损钻头侧向力平衡的问题，能够减小PDC钻头的振动，提高PDC钻头的钻进精准度及破岩效率。

技术领域

本发明涉及一种考虑动态磨损的PDC钻头侧向力平衡布齿方法，属于油气钻井工具的动力学领域。

背景技术

PDC钻头是石油钻井行业常用的一种钻井工具。统计数据表明，目前PDC钻头在世界油气钻井市场的份额已达80％，占世界钻井总进尺比例的90％以上，已成为石油钻井领域中的主力钻头。在实际钻井工程中，PDC钻头在钻压和扭矩的联合作用下破岩，此时岩石会给切削齿一反作用力，所有反作用力在垂直于钻进方向的平面内的合力即为钻头所受的侧向力，通常PDC钻头的侧向力是纯害而无益的，其不仅影响PDC钻头的寿命，也影响PDC的钻进效率。因此，PDC钻头在设计时基本上都要进行侧向力的平衡分析。

目前PDC钻头侧向力平衡布齿设计没有考虑切削齿的磨损，而PDC钻头破岩钻进的大部分时间却都在切削齿的磨损状态下完成。通常钻头不同部位的齿其磨损程度不同，即使是同一颗齿，在不同的工作时间段其磨损程度也有很大差别。齿磨损量的变化会导致PDC钻头所受侧向力的变化，这会打破钻头原有的力学平衡状态，使侧向力变大，较大的侧向力易导致钻头发生横向冲击和振动，致使PDC钻头与井壁发生碰撞，使切削齿发生损坏，如磨损、崩齿和金刚石层剥落等，进而导致PDC钻头的过早失效。

因此，为保证PDC钻头在磨损状态下仍能保持较好的侧向力平衡水平，特提出了一种考虑动态磨损的PDC钻头侧向力平衡布齿方法，以期提高钻进稳定性、降低钻头的横向振动、延长钻头寿命、提高钻井效率。

发明内容

本发明提供一种考虑动态磨损的PDC钻头侧向力平衡布齿方法，旨在解决目前侧向力平衡布齿方法只能保证新PDC钻头的侧向力平衡，无法保证磨损钻头侧向力平衡的问题。采用该发明能够使PDC钻头在切削齿动态磨损的整个阶段内都具有较小的侧向力水平，能够减小PDC钻头的振动，提高PDC钻头的钻进精准度及破岩效率。

本发明实现其目的所采用的技术方案是：

本发明一种考虑动态磨损的PDC钻头侧向力平衡布齿方法，其方法步骤为：

①产生初始布齿结构，初始布齿结构的数量m大于布齿参数的维度n，初始布齿结构构成集合X；

其中，每一个初始布齿结构对应一组布齿参数；所述的布齿参数包括PDC钻头上切削齿的前倾角参数、侧转角参数、法向角参数、周向角参数、轴向位置参数和径向位置参数；所述布齿参数维度n是指参与PDC钻头侧向力平衡布齿设计的布齿参数的个数。

所述的产生初始布齿结构的方法为将每一维布齿参数的变化区间划分为m等分区间，在保证每一维布齿参数在每一个m等分区间上只出现一次的前提下，抽取m组布齿参数，m组布齿参数即构成初始布齿结构。

②计算切削齿的磨损高度和切削齿所受的侧向力，得到不同布齿结构下PDC钻头在各个磨损时刻所受的侧向力；

③根据各个磨损时刻PDC钻头所受侧向力，得出PDC钻头侧向力的平均值Y；

④根据集合X和PDC钻头侧向力平均值Y构建函数模型F；