一种基于全旋转指向式钻井工具提高破岩效率的方法技术

一种基于全旋转指向式钻井工具提高破岩效率的方法，通过在Matlab软件中建立数字化PDC钻头和数字化岩石模型，以及钻头与岩石相互作用仿真程序，在旋转导向钻井条件下，模拟PDC钻头与岩石相互作用过程；给出了破岩效率的定量表示方法，提出了一种通过控制导向机构中内、外偏心环的转速比的方法来提高全旋转指向式钻具破岩效率方法，对全旋转指向式导向钻井工具破岩效率的提高有一定的指导意义，为提高旋转导向钻井工具破岩效率的研究提供了思路。

A Method of Improving Rock Breaking Efficiency Based on Full Rotary Directional Drilling Tool

A method of improving rock breaking efficiency based on full rotary directional drilling tool is presented. By establishing digital PDC bit and digital rock model in MATLAB software and simulation program of interaction between drill bit and rock, the process of interaction between PDC bit and rock is simulated under the condition of rotary directional drilling. The quantitative expression method of rock breaking efficiency is given, and a method of controlling rock breaking efficiency is proposed. The method of improving the rock breaking efficiency of the rotary steering drilling tool by using the ratio of rotational speed of the inner and outer eccentric rings in the mechanism has certain guiding significance for improving the rock breaking efficiency of the rotary steering drilling tool, and provides a train of thought for improving the research of the rock breaking efficiency of the rotary steering drilling tool.

【技术实现步骤摘要】
一种基于全旋转指向式钻井工具提高破岩效率的方法
本专利技术涉及井下闭环旋转导向钻井
，特别涉及一种基于井下闭环全旋转指向式导向钻井工具提高破岩效率的方法。
技术介绍
目前井下闭环旋转导向钻井工具按工作方式基本可以分为：静态偏置推靠式、动态偏置(调制式)推靠式、静态偏置指向式和动态偏置指向式四类。参照图1公开了一种动态偏置指向式旋转导向钻具，包括了可控弯接头由旋转外套(7)、导向轴(5)、导向机构、导向驱动机构(1、4)和电子控制系统组成，导向机构为导向工具的核心，主要由内偏心环(4)和外偏心环(3)组成，导向轴的一端由导向机构控制，另一端安装钻头(6)；因此，对导向机构中内、外偏心环转速比的控制成为了提高动态偏置指向式旋转导向钻具破岩效率的关键。许多科研机构仅对PDC钻头钻井的破岩效率进行了研究，但没有对PDC钻头在旋转导向钻井系统中的破岩效率进行讨论，对智能钻井工具的研究存在一定的缺陷。
技术实现思路
为了克服现有技术方案的缺陷，对旋转导向钻井工具破岩的破岩效率进行深入研究，本专利技术的目的在于提供一种基于全旋转指向式钻井工具提高破岩效率的方法，通过控制可控弯接头导向机构中内、外偏心环的转速比来提高全旋转指向式钻具破岩效率，为井下闭环旋转导向系统的破岩，尤其是动态偏置指向式旋转导向钻具的破岩研究提供一定的方法指导。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种基于全旋转指向式钻井工具提高破岩效率的方法，包括以下步骤：步骤一：建立PDC钻头的数字化模型(1)齿面数字化采用极坐标等弧长数字化方法对PDC齿工作面进行数字化建模，等弧长数字化方法，是对齿刃轮廓线按一定角度步长进行等弧长划分，再过轮廓线上的各等分点作纵、横坐标轴的平行线，生成数字化单元网格，每两条网格线的交点即为一个数字化节点，相邻4个有效节点围成的矩形区域即为一个PDC齿工作面的面积微元，其数学模型为：式中：xp、yp、zp为齿面数字化节点坐标；R为PDC钻头切削齿半径，mm；θstep为齿的角度步长，°；0≤i，j≤360/θstep。(2)齿侧面数字化PDC主切削齿的齿侧为圆柱面，为了得到其数字化模型，将其在周向及轴线方向等分即可，设某节点的坐标为(xm,ym,zm)，那么：式中：lstep为轴线方向上的长度划分步长0≤j≤l/lstep，l为切削齿圆柱部分长度；R为PDC钻头切削齿半径，mm；θstep为齿的角度步长，°；0≤i，j≤360/θstep。(3)规径齿数字化规径齿是由常规切削齿经过线切割加工获得的，由于A点所代表的齿侧节点微元与钻头中心点O之间的距离大于钻头半径，故属于被切割部分，在获得规径齿时，将A点向沿PDC齿工作平面平行的方向AA'进行投影，投影到大圆柱面即钻头外圆柱轮廓面，得到A'点，求出A'点的坐标值(xA’,yA’,zA’)，在XOY平面内设A点坐标为(xA,yA,zA)，则：式中：Δα＝∠AOA’；α＝∠OAA’，即近似取切削前倾角，°；r为钻头标准半径，mm。由几何关系∠XOA'＝φ+Δα,由此求出A'点的坐标值(xA’,yA’,zA’)为：PDC钻头主要特征的数字化就已完成，然后，根据每颗齿在钻头坐标系中的位置参数和方向参数，利用PDC钻头几何学基本方程，进行矩阵的平移、旋转操作，即可得到Matlab软件绘制出的26颗齿构成的PDC钻头数字化模型图。步骤二：岩石的数字化将岩石抽象为由一个个小立方体微元组成的离散化对象的整体，微元的每个顶点为一个数字化节点，假设岩石为长方体岩样，以岩石上表面的形心为原点O，沿钻头竖直向下钻进的方向为OZ轴，建立直角坐标系OXYZ，设岩样的长宽高分别为l,w,h，则岩石上任意节点P(x,y,z)有：步骤三：模拟钻头与岩石相互作用的过程将建立好的PDC所有数字化节点存放于Matlab矩阵之中，按所需要的方式进行平移、旋转操作；在旋转导向钻井条件下，将PDC钻头移至岩石表面，使钻头轴线与岩石OZ轴重合，定义钻头自身轴线旋转，沿OZ轴竖直向下钻进即可模拟钻头与岩石作用过程；设外部齿刃上某节点P在t时刻的坐标为Pt(xt,yt,zt)在t-1时刻坐标为Pt-1(xt-1,yt-1,zt-1),由于仿真过程中每个时间步长钻头转过的角度和进尺都远小于钻头半径，认为节点P在t时刻的速度方向矢量为：同时，P点在t时刻周围有8个岩石数字化节点，这8个节点构成一个岩石正方体微元，通过对速度矢量向上和向下圆整，可得到Pt点在所处岩石微元的指向点Pf(xf,yf,zf)。同理，对速度矢量向上和向下圆整，得到Pt点在所处岩石微元的经过点Pb(xb,yb,zb)。经圆整处理后可获得t时刻P点在三维岩石上的“指向点”和“经过点”，其中“经过点”为被去除的岩石节点，去除“经过点”后，将Pt(xt,yt,zt)坐标值赋给Pf(xf,yf,zf),就得到t时刻井底与井壁的坐标，将其进行三角剖分、曲面重构，即可获得仿真井底与井壁可视化模型；同理，齿面节点经过相应的圆整处理，如果能在岩石上找到其对应的“指向点”，则判定该节点与岩石接触，为计算切削齿接触面积做准备；步骤四：求解内、外偏置环转速比对岩石切削量的影响(1)破岩效率的定量表示破岩效率采用岩石的切销量定量表示，相同时间步长的切销量越大，也就意味着其破岩效率越高。切削量包括切削面积和切削体积，切削齿的工作区域由齿面的工作区域与齿刃的工作区域组成；齿刃工作区域弧长用切削齿的接触角和切削齿的半径R表示，则弧长l为：l＝R·ψH，其ψH中P1与P2的定位角度之差；由于数字化过程中，齿面和齿刃节点均匀分布，设切削齿工作面由N个数字节点组成，切削齿工作区域内包含n个节点，设第j个节点的坐标为(xj，yj,zj)，则齿面接触区域的形心H(xH,yH,zH)的坐标为：在PDC切削齿齿刃上，采用齿刃等效接触点M来代替齿刃接触点进行切削参数的计算与分析，点M为齿面中心点C(xC,yC,zC)与齿面工作区域等效点H的连线与齿刃的交点，M点的坐标为：其中，H点到C点的距离根据接触作区域节点占齿工作面节点的比例，可得接触区域的面积S为：切削面积为接触面积在过齿面定位点的钻头轴线平面上的投影，只要求出过C点钻头轴线法向量与切削齿工作平面法向量的夹角α即可。假设t时刻齿面中心点坐标为C(x2,y2,z2)，t+1时刻的坐标为C’(x'2,y'2,z'2)，齿面法向量在钻头与岩石互作用的过程中，钻头每步转过的角度步长很小，近似认为与齿面中心点在t时刻的速度方向一致，即为该时刻过C点的钻头轴线平面的法向量，向量与向量n夹角的余弦为：切削面积为：Sst＝S·cosα(11)切削体积为t到t+1两个时间步之间的切削面积与齿面中心点走过的距离的乘积，即为：ΔVt＝Sst·|CC’|，则在T时间步内，单颗齿的切削体积为:故PDC全钻头的切削体积为所有切削齿切削体积之和。(2)导向机构方位角的确定在全旋转导向钻具中，可控弯接头导向机构通过改变旋转外套、外偏心环和内偏心环的相对位置，改变导向轴的空间姿态，实现可控弯接头工具角和工具面角的调整，从而实现旋转导向钻井工具的定向钻进，设内偏心环的角速度为ω1，几何中心为E；外偏心环的角速度为ω2，几何中心为E1；偏心环组的中心为E2，旋转外套的角速度为ω本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于全旋转指向式钻井工具提高破岩效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：建立PDC钻头的数字化模型(1)齿面数字化采用极坐标等弧长数字化方法对PDC齿工作面进行数字化建模，其数学模型为：

【技术特征摘要】
1.一种基于全旋转指向式钻井工具提高破岩效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：建立PDC钻头的数字化模型(1)齿面数字化采用极坐标等弧长数字化方法对PDC齿工作面进行数字化建模，其数学模型为：式中：xp、yp、zp为齿面数字化节点坐标；R为PDC钻头切削齿半径，mm；θstep为齿的角度步长，°；0≤i，j≤360/θstep；(2)齿侧面数字化PDC主切削齿的齿侧为圆柱面，为了得到其数字化模型，将其在周向及轴线方向等分即可，设某节点的坐标为(xm,ym,zm)，那么：式中：lstep为轴线方向上的长度划分步长0≤j≤l/lstep，l为切削齿圆柱部分长度；R为PDC钻头切削齿半径，mm；θstep为齿的角度步长，°；0≤i，j≤360/θstep；(3)规径齿数字化规径齿是由常规切削齿经过线切割加工获得的，由于A点所代表的齿侧节点微元与钻头中心点O之间的距离大于钻头半径，故属于被切割部分，在获得规径齿时，将A点向沿PDC齿工作平面平行的方向AA'进行投影，投影到大圆柱面即钻头外圆柱轮廓面，得到A'点，求出A'点的坐标值(xA’,yA’,zA’)，在XOY平面内设A点坐标为(xA,yA,zA)，则：式中：Δα＝∠AOA’；α＝∠OAA’，即近似取切削前倾角，°；r为钻头标准半径，mm；由几何关系∠XOA'＝φ+Δα,由此求出A'点的坐标值(xA’,yA’,zA’)为：PDC钻头主要特征的数字化就已完成，根据每颗齿在钻头坐标系中的位置参数和方向参数，利用PDC钻头几何学基本方程，进行矩阵的平移、旋转操作，即可得到Matlab软件绘制出的26颗齿构成的PDC钻头数字化模型图；步骤二：岩石的数字化将岩石抽象为由一个个小立方体微元组成的离散化对象的整体，微元的每个顶点为一个数字化节点，假设岩石为长方体岩样，以岩石上表面的形心为原点O，沿钻头竖直向下钻进的方向为OZ轴，建立直角坐标系OXYZ，设岩样的长宽高分别为l,w,h，则岩石上任意节点P(x,y,z)有：步骤三：模拟钻头与岩石相互作用的过程将建立好的PDC所有数字化节点存放于Matlab矩阵之中，按所需要的方式进行平移、旋转操作；在旋转导向钻井条件下，将PDC钻头移至岩石表面，使钻头轴线与岩石OZ轴重合，定义钻头自身轴线旋转，沿OZ轴竖直向下钻进即可模拟钻头与岩石作用过程；步骤四：求解内、外偏置环转速比对岩石切削量的影响(1)破岩效率的定量表示破岩效率采用岩石的切销量定量表示，相同时间步长的切销量越大，也就意味着其破岩效率越高；切削量包括切削面积和切削体积，切削齿的工作区域由齿面的工作区域与齿刃的工作区域组成；齿刃工作区域弧长用切削齿的接触角和切削齿的半径R表示，则弧长l为：l＝R·ψH，其ψH中P1与P2的定位角度之差；由于数字化过程中，齿面和齿刃节点均匀分布，设切削齿工作面由N个数字节点组成，切削齿工作区域内包含n个节点，设第j个节点的坐标为(xj,yj,zj)，则齿面接触区域的形心H(xH,yH,zH)的坐标为：在PDC切削齿齿刃上，采用齿刃等效接触点M来代替齿刃接触点进行切削参数的计算与分析，点M为齿面中心点C(xC,yC,zC)与齿面工作区域等效点H的连线与齿刃的交点，M点的坐标为：其中，H点到C点的距离根据接触作区域节点占齿工作面节点的比例，可得接触区域的面积S为：切削面积为接触面积在过齿面定位点的钻头轴线平面上的投影，只要求出过C点钻头轴线法向量与切削齿工作平面法向量的夹角α即可；假设t时刻齿面中心点坐标为C(x2,y2,z2)，t+1时刻的坐标为C'(x'2,y'2,z'2)，齿面法向量在钻头与岩石互作用的过程中，钻头每步转过的角度步长很小，近似认为与齿面中心点在t时刻的速度方向一致，即为该时刻过C点的钻头轴线平面的法向量，向量与向量n夹角的余弦为：切削面积为：Sst＝S·cosα(11)切削体积为t到t+1两个时间步之间的切削面积与齿面中心点走过的距离的乘积，即为：ΔVt＝Sst·|CC’|，则在T时间步内，单颗齿的切削体积为:故PDC全钻头的切削体积为所有切削齿切削体积之和；(2)导向机构方位角的确定在全旋转导向钻具中，可控弯接头导向机构通过改变旋转外套、外偏心环和内偏心环的相对位置，改变导向轴的空间姿态，实现可控弯接头工具角和工具面角的调整，从而实现旋转导向钻井工具的定向钻进，设内偏心环的角速度为ω1，几何中心为E；外偏心环的角速度为ω2，几何中心为E1；偏心环组的中心为E2，旋转外套的角速度为ω3，用2个向量代替内、外偏心环的偏...

【专利技术属性】
技术研发人员：张光伟，高嗣土，田帆，乔阳，向琳，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61