油井專用鉆頭設(shè)計技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀研究

　　油井鉆頭設(shè)計分為前期準(zhǔn)備、布齒設(shè)計、工作性能分析和其他部分設(shè)計等階段。其中最重要的是布齒設(shè)計。前期準(zhǔn)備包括根據(jù)現(xiàn)有資料和經(jīng)驗確定油井鉆頭尺寸、切削齒大小和數(shù)目、布齒方式、噴嘴等。布齒設(shè)計階段確定切削齒的參數(shù)，包括油井鉆頭冠部形狀設(shè)計以及切削結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。
　　油井鉆頭設(shè)計理論與方法研究進展
　　一、剖面設(shè)計。剖面形狀直接影響油井鉆頭各部位切削齒的受力狀態(tài)。在實驗室對不同冠部形狀的油井鉆頭進行鉆進試驗，受力分析結(jié)果表明，在切削面積相同的條件下，平底型油井鉆頭上的各切削齒的受力分布較均勻。錐型油井鉆頭在冠頂附近切削齒的縱向受力比油井鉆頭中心和外緣處要大得多，而側(cè)向受力則完全相反。錐面越長，受力分布越不均勻。因此，具有深內(nèi)錐的油井鉆頭，其穩(wěn)定性較好。外錐齒的側(cè)向力只有在平衡的條件下才能起到穩(wěn)定油井鉆頭的作用，否則會使油井鉆頭偏離旋轉(zhuǎn)中心，容易崩碎或加速磨損。
　　二、布齒設(shè)計。切削齒的加速磨損和沖擊碎裂是影響油井鉆頭在硬的、研磨性地層中鉆進效果的兩個主要因素。為提高油井鉆頭鉆進硬的、研磨性地層的水平，國內(nèi)油井鉆頭設(shè)計者都把工作的重點集中在改善油井鉆頭的抗沖擊性和耐磨性方面。在布齒設(shè)計中主要有以下2個方面的嘗試：
　　第一，通過減小切削齒尺寸、增加切削齒和刀翼數(shù)量來提高油井鉆頭的耐磨性；第二，采用同軌跡布齒方法來提高油井鉆頭的穩(wěn)定性。
　　這兩種設(shè)計上的改進雖然使油井鉆頭工作壽命有了一定程度的提高，但其鉆進速度并不令人滿意。
　　采用高密度布齒，增大了金剛石的體積，確實可以提高油井鉆頭的耐磨性，但通常給鉆進速度帶來負(fù)面影響。硬地層需要高鉆壓來克服巖石的門限剪切強度。但考慮到切削齒的熱加速磨損問題，又不能無限制地增大鉆壓。因此，高密度布齒設(shè)計的結(jié)果往往導(dǎo)致切削齒刮擦而不是有效剪切井底巖石。在布齒密度較小的情況下，較大的載荷作用可使切削齒有效地吃入并剪切破碎巖石，不僅鉆進效率高，而且會減少切削齒與巖石的接觸時間。相反，當(dāng)布齒密度較高時，切削齒受力較小，結(jié)果是以研磨方式而不是剪切方式破碎巖石，不但破巖效率低，而且增加了切削齒與巖石的接觸時間。破巖效率的降低和切削齒與巖石接觸時間的增加，可能是限制高密度布齒的油井鉆頭在硬地層中鉆進效果的主要原因。此外，高密度布齒對水力作用的不利影響也是限制油井鉆頭性能的原因之一。
　　三、水力學(xué)研究。在對新型油井鉆頭的研制過程中，在材料和結(jié)構(gòu)的研究達到一定程度以后，運用流體力學(xué)方法來分析油井鉆頭頭部水力場顯得尤為重要，甚至成為提高油井鉆頭鉆進速度和使用壽命的決定性因素。主要研究目的為：一是防止油井鉆頭泥包，以提高機械鉆速和延長使用壽命；二是使流動平穩(wěn)，提高流體的清巖和冷卻切削齒能力；三是減少漩渦和射流對切削齒的沖擊以防止斷齒。目前的研究手段為通過實驗和數(shù)值計算，分析在不同油井鉆頭形態(tài)和水力參數(shù)條件下流場的異同，以期找到改善油井鉆頭形態(tài)調(diào)整水力參數(shù)的方向。
　　油井鉆頭設(shè)計技術(shù)的發(fā)展
　　一、CAD的發(fā)展。目前，油井鉆頭大都采用計算機輔助技術(shù)及整體模擬技術(shù)設(shè)計，運用CAD、優(yōu)化設(shè)計和計算機仿真等現(xiàn)代設(shè)計方法，自行開發(fā)的一套專用設(shè)計軟件。它由幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作性能模擬和CAD繪制設(shè)計圖三部分組成，實現(xiàn)油井鉆頭設(shè)計全過程的電算化。應(yīng)用表明，該套軟件原理新穎、速度快、精度高、操作方便，完全實現(xiàn)了油井鉆頭設(shè)計、分析和繪圖全過程的電算化，能夠大幅度提高油井鉆頭的設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，大大提高了油井鉆頭設(shè)計的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。
　　二、三維設(shè)計的發(fā)展。國內(nèi)外有大量的文獻介紹了 油井鉆頭的設(shè)計理論和方法，對油井鉆頭冠部及切削齒的設(shè)計提出了許多假設(shè)和理論計算。通常的做法是由研究人員提供設(shè)計思路，合作制造單位根據(jù)思路設(shè)計油井鉆頭的原理圖，然后根據(jù)原理圖制作實物模型進行實驗。這個過程的缺點有3點：設(shè)計周期長；修改非常困難；設(shè)計成本高。針對這種情況，通過實踐，探索了一條數(shù)字化設(shè)計油井鉆頭的方法，不僅可以直接從原理生成三維油井鉆頭模型，而且可以根據(jù)設(shè)計平面圖直接生成三維油井鉆頭模型，由三維油井鉆頭模型直接轉(zhuǎn)換到NUMECA這樣的大型分析軟件進行網(wǎng)格生成并進行分析計算，經(jīng)過后處理分析發(fā)現(xiàn)問題，及時修改油井鉆頭的設(shè)計參數(shù)，然后再進行設(shè)計分析直至得到滿意的設(shè)計結(jié)果。這樣就省略了80%的中間過程，大大地提高了設(shè)計的效率。
　　國內(nèi)研究的最新動向
　　近年來，國外在井底流場和水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面的研究相繼越來越多。而國內(nèi)對油井鉆頭在井底流場和水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究還較少，只對改善油井鉆頭的水力結(jié)構(gòu)設(shè)計進行過初步研究，因此需要進行大力研究和開發(fā)。以提高設(shè)計和操作技術(shù)水平，使油井鉆頭的鉆進速度、耐久性和穩(wěn)定性都能有較大的改善。