【技术实现步骤摘要】
一种全局力平衡PDC钻头布齿设计方法
[0001]本专利技术涉及石油天然气钻井
,尤其涉及一种全局力平衡
PDC
钻头布齿设计方法
。
技术介绍
[0002]随着全球能源需求的增长,石油和天然气资源的开发利用越来越重要
。
钻井是开采石油和天然气的关键环节
。PDC
钻头(多晶金刚石复合钻头,
Polycrystalline Diamond Compact Bit
)由于其优异的性能,已经成为当前油气钻井领域的主要破岩工具,市场占有率高达
75%
~
80%。PDC
钻头通过合理的结构设计和科学的布齿方案来提高其综合工作性能
。
[0003]PDC
钻头的布齿设计是指确定切削齿的数量
、
形状
、
尺寸
、
位置和方向等参数,其直接影响其机械钻速
、
磨损速度
、
钻井稳定性以及可操纵性等关键性能指标
。
合理的布齿不仅能提高设计效率,还能优化破岩比功率,从而发挥钻头的最大效用
。
目前
PDC
钻头布齿设计主要采用经验法,这种方法依赖设计者的经验,效率较低
。
另外,经验法设计的布齿方案不一定能使钻头达到理想的工作状态,无法有效提高钻头的适应性
。
[0004]针对上述问题,采用数值优化算法进行
PDC
钻头布 ...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.
一种全局力平衡
PDC
钻头布齿设计方法,其特征在于,包括:建立钻头复合坐标系统;所述钻头复合坐标系统包括钻头圆柱坐标系
O1R1H1θ1、
切削齿位置坐标系
O2X1Y1Z1、
切削齿基准线坐标系
O2X2Y2Z2、
切削齿侧转坐标系
O2X3Y3Z3和切削齿前倾坐标系
O2X4Y4Z4;建立切削齿受力模型,分析切削齿受力情况;根据切削齿的受力情况,分析钻头的整体受力情况,获得侧钻比和弯扭比;建立以侧钻比和弯扭比最小化为目标函数的全局力平衡布齿模型;利用粒子群优化算法对全局力平衡布齿模型进行求解,得到全局力平衡
PDC
钻头布齿方案
。2.
如权利要求1所述的全局力平衡
PDC
钻头布齿设计方法,其特征在于,所述切削齿受力模型的建立方法包括:建立切削齿受力初始模型表示单切削齿的切向力
F
t
和法向力
F
n
:;;其中,
K
d
为地层可钻性级数值;
A
为
PDC
齿的切削面积;
α
c
为
PDC
齿的后倾角;将钻头中的第
i
颗切削齿受力分解至钻头钻进的
X、Y、Z
方向,得到切削齿受力模型:;其中,
F
t(i)、
F
n(i)
分别为第
i
颗切削齿的切向力和法向力;
α
c(i)
,
β
c(i)
,
γ
c(i)
,
θ
c(i)
分别表示第
i
颗齿的后倾角
、
侧转角
、
法向角
、
周向角;
H
c(i)
,
R
c(i)
分别表示第
i
颗齿的轴向位置和径向位置;
h1为钻头的冠部高度;
Lg
为钻头的保径段长度
。3.
如权利要求1所述的全局力平衡
PDC
钻头布齿设计方法,其特征在于,所述侧钻比和弯扭比的获取方法包括:根据切削齿受力情况分析钻头整体受力情况,将所有主切削齿的力对点坐标原点
O
的合力和合力矩表示为:
;;...
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