[发明专利]一种提升携岩能力的流线型PDC钻头及其设计方法

说明书

本发明涉及一种提升携岩能力的流线型PDC钻头及其设计方法，所述流线型PDC钻头本体上布置有5个新型流线型刀翼，每相邻两个刀翼尾部之间的流道布置有一个不对称扭曲分流叶片。该提升携岩能力的流线型PDC钻头设计方法包括新型流线型刀翼设计方法及不对称扭曲分流叶片设计方法两大部分。本发明与传统PDC钻头相比，在相邻两个刀翼尾部之间的流道增加了分流叶片，且刀翼采用新型流线型设计，加快了环空流体流速，从而能够提升钻头携岩效率、防止泥包产生，提高钻井效率。

技术领域

本发明涉及一种提升携岩能力的流线型PDC钻头及其设计方法，属于钻井工程装备领域。

技术背景

PDC钻头是上世纪二十年代出现的一种切削型钻头，是在钻头胎体或刚体上镶焊或镶嵌了人工合成的金刚石复合片，这种复合片能够通过切削的式来破碎井底的岩石，由于具有较高的机械钻速和较长的使用寿命等优点，近年来已成为油气勘探开发中的主力钻井装备。但PDC钻头在泥岩或泥质含量较高的地层钻进过程中的泥包问题、携岩效率低都是目前需要进一步解决的难题。

针对上述问题，提出一种提升携岩能力的流线型PDC钻头及其设计方法。

发明内容

本发明的第一个目的是提供了一种提升携岩能力的流线型PDC钻头，以减少泥包产生，提升钻井效率。

一种提升携岩能力的流线型PDC钻头，包括钻头本体、新型流线型刀翼、PDC齿、保径齿、分流叶片。

所述钻头本体上布置有5个新型流线型刀翼，每相邻两个刀翼尾部之间的流道中布置有一个分流叶片，分流叶片与钻头本体固定连接。

所述分流叶片为不对称扭曲叶片，叶片根部至叶缘翼型由不等厚度不等弦长的翼型组成，每个导流叶片均由空间截面Span＝0、0.25、0.50、0.75、 1.0处的5个不同翼型拟合而成，其中Span＝0为叶片根部侧截面，Span＝1.0为轮缘侧截面。

导流叶片翼型弦长C与刀翼保径段长度L的比值为0.65～0.75，导流叶片最大厚度d_max与导流叶片翼型弦长C的比值为0.08～0.12，由导流叶片组成的导流叶轮外径D₁略小于钻头外径D₂。

所述新型流线型刀翼上布置有若干PDC切削齿及若干保径齿，刀翼保径段边线为流线型。

本发明的第二个目的是提供一种提升携岩能力的流线型PDC钻头设计方法，其设计包括以下步骤：

S1：获取PDC钻头的钻速、钻井排量、刀翼数量和保径段长度；

S2：在钻头保径段刀翼初始边线MN上均匀取点，分别编号为0,1,2…… 6，用旋涡密度函数代替该边线计算出选取各点的诱导速度；

S3：通过选取点的诱导速度计算出各点对应的α角，再根据α角算出相邻两点连线与u轴之间的夹角β_n，然后画出新的保径段边线M'N；

S4：用六次多项式对新的保径段边线M'N进行光滑处理；

S5：重复S2-S4步骤，直至达到刀翼流线型设计要求，完成对新型流线型刀翼的迭代设计；

S6：在相邻两个刀翼尾部之间的每个流道中布置一个不对称扭曲分流叶片。

如上所述的一种提升携岩能力的流线型PDC钻头设计方法，其中，旋涡密度函数为：

其中，S是钻头保径段直线坐标；A₀、A₁是2个具有速度量纲的系数，单位为m/s；l是保径段长度，单位为m。

如上所述的一种提升携岩能力的流线型PDC钻头设计方法，其中，刀翼保径段曲线上各点α角度是：