大港油田PDC钻头计算机专家系统的开发与应用（下）
日期：2008-8-11 22:56:18 来源：中国自动化网
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2 PDC钻头专用CAD／CAE／CAM一体化系统简介
2.1 PDC钻头设计系统(CAD)
在PDC钻头数据库完成选型之后，对于那些新区块可给予参数推荐，在此基础上，利用专用的PDC钻头设计软件对产品实行针对性设计。在PDC钻头几何学、运动学和岩石破碎学的基础上，运用计算机辅助设计(CAD)、优化设计和计算机仿真等现代设计分析方法，开发成功的一套PDC钻头专用设计与分析软件，该软件包括以下内容：
(1)钻头冠部形状设计程序：根据设计要求，确定钻头的理论冠部曲线形状，并以人机对话方式由设计者在两类典型冠部形状(即圆弧形和抛物线形)中选择一种冠部形状对冠部理论曲线进行拟合，确定出钻头冠部的具体结构参数。
(2)切削齿的径向布齿设计程序：对于不同的冠部形状，在设计者控制下程序实现切削齿径向位置的计算机自动定位。径向布齿是在冠部表面上计算确定出中心齿和保径齿的径向位置后，根据设计者要求的切削齿数目由计算机自动调整布齿密度系数来完成的。
(3)切削齿的周向布齿设计程序：切削齿周向位置由计算机辅助定位。周向布齿是根据设计者对刀翼数、螺旋线角度、水眼数目、水眼出口大小、位置等周向布齿方式和水力设计的具体要求，以人机对话方式确定各切削齿的周向布置，并可随意进行调整。
(4)齿前角和侧转角优化设计程序：齿前角和侧转角是切削齿的两个结构角度，对破岩效率和钻头性能有重要影响。该软件为设计者提供了一种优化方式。它是考虑在钻头工作过程中存在一定程度的磨损后，以其切削效率和磨损状况最佳为目标，来确定每个切削齿最佳的齿前角和侧转角。
(5)齿间距离显示程序：显示同一刀翼上各个切削齿之间的距离。
通过以上程序建立PDC钻头数学模型，并在专用CAD软件里绘制实体模型为下一步力学分析作准备，如图3和图4所示。
2.2 PDC钻头分析系统(CAE)
PDC工作性能分析部分包括以下主要内容及功能：
(1)PDC钻头动态重叠切削图显示程序：可在屏幕上直观地显示出钻头上所有切削齿重叠切削井底的状态图和各个切削齿的切削断面的形状。
(2)切削齿与井底接触角计算程序：确定钻头上各个切削齿与井底岩石相接触的部位和接触角的大小范围，即接触区的内外端角，为其他分析程序提供必要的数据文件。
(3)切削齿侧面与井底干涉计算程序：确定钻头上每个切削齿的侧面是否与井底切槽发生干涉，以及干涉量的大小。可以直观地显示和检查各个切削齿侧面与井底切槽的干涉状态和干涉部位。
(4)钻头工作载荷分析计算程序：对于给定的岩石性质参数和钻头每转进尺，计算钻头各切削齿的轴向力、切向力、径向力、合成力以及全钻头的钻压、横向不平衡力的大小及方向、钻头弯矩及方向等，并显示各切削力沿钻头半径的分布图。
(5)工作扭矩和切削功率计算程序：计算钻头工作扭矩和各切削齿的切削功率，以及钻头切除单位体积岩石所消耗的切削功(它可作为衡量钻头破岩效率高低的一个相对指标)，显示切削功率在钻头上的分布情况。
(6)切削齿磨损量分析计算程序：对于给定的转速、钻头进尺和岩石研磨性系数，计算各切削齿的磨损面积和磨损体积，并显示其分布图。
(7)机械钻速预测分析程序：对于给定的岩石性质参数和钻压、转速，分析钻头在纯机械切削条件下的钻速，可以得到钻头性能的一个相对指标，有利于多个设计方案的分析对比。
通过以上分析，使钻头在井底理想状态下的工作状况在计算机上反映出来，从而减少了设计-实验-反馈-设计的周期，提高了产品开发效率，大大降低了开发成本。胎体强度分析如图5所示。
2.3 PDC钻头制造系统(CAM)
由于钻头产品模具的加工涉及到机床从三轴到五轴的应用，相对比较复杂，以此国内目前应用五轴加工PDC钻头的厂家并不多。中成公司目前拥有一台先进的五轴加工中心，利用CAD建立的三维实体模型，通过CAD／CAM接口直接与数控机床连接，实现了全程数字化生产。该过程大大提高了产品的几何精度，避免了人为因素的影响，使产品质量大幅提高。自应用该技术以来，没有一件产品因尺寸公差问题报废，也从未发生过因钻头切削齿定位精度误差而影响钻头使用效果。CAM加工仿真如图6所示。
3 PDC钻头产品现场应用举例
3.1 大港油田使用记录
我公司在大港油田上部地层的钻头选型设计过程中，应用该选型设计系统，根据该地层的岩性情况，成功开发了84KM243-II型钻头，具体情况如下：
(1)地层描述：①平原组：棕黄色粘土及松散砂层；②明化镇组：上部浅灰色、灰黄色砂岩夹棕黄色泥岩，下部紫红色泥岩夹浅灰色粉砂岩；③馆陶组：上部为紫红色、灰绿色泥岩夹砂岩，下部为厚层状灰白色砂岩夹灰绿色、浅灰色泥岩、底部为厚层状砂砾岩；④东营组：上部以灰色、紫红色泥岩，砂质泥岩为主，夹灰白色含砾砂岩、灰色灰质砂岩及深灰色灰质泥岩。下部为深灰色泥岩与灰质泥岩呈不等厚互层；⑤沙一段：深灰色、褐灰色灰质泥岩，灰质油泥为主，夹深灰色泥岩泥质白云质，生物灰岩及灰褐色油页岩。
(2)选型过程：根据以上地层情况，利用选型系统确定以原有84KM243钻头为母本进行针对性设计，84KM243钻头是针对大庆油田的浅井设计，一只钻头打完一口，穿过的层位较多，因此该钻头的头型和布齿比较保守。经过分析系统的计算机模拟实验，发现 84KM243钻头对于大港地层而言，心部受力较大影响钻头机械钻速(图7)。经过对切削齿参数的反复调整，最后确定图8所示的方案并投入生产，该产品命名为84KM243-II。
(3)使用结果：84KM243-II钻头在大港油田钻井三公司港2—62—2等10口井的平原-馆陶组上部层位钻进中，累计进尺10065m，纯钻时间226.84h，平均机械钻速44.37m，创造了大港油田上部地层单只钻头进尺最高纪录。
3.2 胜利油田使用记录
(1)选型过程：胜利油田地层与大港相似，在此不作岩性描述。在针对渤深上部地层的12?"井眼的钻头选型中，我们利用该钻头选型系统，选择出了12KM236、12KM226、 12KM281三种钻头。利用机械钻速和穿夹层能力加权的方法，成功选择了12KM226钻头并进行了针对性改进。
(2)使用结果：12KM226钻头在胜利油田渤海钻井二公司50115队承钻的渤深6—12井的154～3090m井段，进尺2936m，纯钻132.5h，机械钻速22.16m／h。该钻头钻穿平原组、明化镇组、馆陶组、东营组、沙一段，连续作业至中完。该钻头创造了单只12?"钻头在胜利油田使用的新纪录。
4 小结
PDC钻头技术的发展，经历了一个从传统设计理论向非常规设计理论(防涡动PDC钻头设计原理)发展的过程。在此基础上产生了力平衡设计、抗回旋设计、轨迹式设计等设计理论。PDC钻头的针对性设计也逐渐受到钻头研发人员的重视，针对不同地层性质和使用条件进行设计已成为PDC钻头的一项关键技术。这是一个综合性的系统工程，包括钻头的头型选择，布齿设计，切削角度设计，胎体强度的选择，超硬材料的优选，钻头水力设计等。面对如此复杂的数据量，只有开发专用的设计和分析软件才能使PDC钻头产品不断出新，推进钻井行业的发展。
PDC；钻头计算机专家系统的建立，大大提高了PDC钻头的选型效率和准确性，缩短了设计加工周期，提高了产品设计的成功率。中成公司2003年以前的钻头新产品针对性设计的成功率为67%，设计周期为10d；应用该系统之后钻头新产品针对性设计的成功率为92％，设计周期为2～3d。
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2.1 PDC钻头设计系统(CAD)
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在PDC钻头数据库完成选型之后，对于那些新区块可给予参数推荐，在此基础上，利用专用的PDC钻头设计软件对产品实行针对性设计。在PDC钻头几何学、运动学和岩石破碎学的基础上，运用计算机辅助设计(CAD)、优化设计和计算机仿真等现代设计分析方法，开发成功的一套PDC钻头专用设计与分析软件，该软件包括以下内容：
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(1)钻头冠部形状设计程序：根据设计要求，确定钻头的理论冠部曲线形状，并以人机对话方式由设计者在两类典型冠部形状(即圆弧形和抛物线形)中选择一种冠部形状对冠部理论曲线进行拟合，确定出钻头冠部的具体结构参数。
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(2)切削齿的径向布齿设计程序：对于不同的冠部形状，在设计者控制下程序实现切削齿径向位置的计算机自动定位。径向布齿是在冠部表面上计算确定出中心齿和保径齿的径向位置后，根据设计者要求的切削齿数目由计算机自动调整布齿密度系数来完成的。
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(3)切削齿的周向布齿设计程序：切削齿周向位置由计算机辅助定位。周向布齿是根据设计者对刀翼数、螺旋线角度、水眼数目、水眼出口大小、位置等周向布齿方式和水力设计的具体要求，以人机对话方式确定各切削齿的周向布置，并可随意进行调整。
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(4)齿前角和侧转角优化设计程序：齿前角和侧转角是切削齿的两个结构角度，对破岩效率和钻头性能有重要影响。该软件为设计者提供了一种优化方式。它是考虑在钻头工作过程中存在一定程度的磨损后，以其切削效率和磨损状况最佳为目标，来确定每个切削齿最佳的齿前角和侧转角。
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(5)齿间距离显示程序：显示同一刀翼上各个切削齿之间的距离。
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PDC工作性能分析部分包括以下主要内容及功能：
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(1)PDC钻头动态重叠切削图显示程序：可在屏幕上直观地显示出钻头上所有切削齿重叠切削井底的状态图和各个切削齿的切削断面的形状。
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(2)切削齿与井底接触角计算程序：确定钻头上各个切削齿与井底岩石相接触的部位和接触角的大小范围，即接触区的内外端角，为其他分析程序提供必要的数据文件。
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(3)切削齿侧面与井底干涉计算程序：确定钻头上每个切削齿的侧面是否与井底切槽发生干涉，以及干涉量的大小。可以直观地显示和检查各个切削齿侧面与井底切槽的干涉状态和干涉部位。
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(4)钻头工作载荷分析计算程序：对于给定的岩石性质参数和钻头每转进尺，计算钻头各切削齿的轴向力、切向力、径向力、合成力以及全钻头的钻压、横向不平衡力的大小及方向、钻头弯矩及方向等，并显示各切削力沿钻头半径的分布图。
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(5)工作扭矩和切削功率计算程序：计算钻头工作扭矩和各切削齿的切削功率，以及钻头切除单位体积岩石所消耗的切削功(它可作为衡量钻头破岩效率高低的一个相对指标)，显示切削功率在钻头上的分布情况。
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(6)切削齿磨损量分析计算程序：对于给定的转速、钻头进尺和岩石研磨性系数，计算各切削齿的磨损面积和磨损体积，并显示其分布图。
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(7)机械钻速预测分析程序：对于给定的岩石性质参数和钻压、转速，分析钻头在纯机械切削条件下的钻速，可以得到钻头性能的一个相对指标，有利于多个设计方案的分析对比。
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3.1 大港油田使用记录
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我公司在大港油田上部地层的钻头选型设计过程中，应用该选型设计系统，根据该地层的岩性情况，成功开发了84KM243-II型钻头，具体情况如下：
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(1)地层描述：①平原组：棕黄色粘土及松散砂层；②明化镇组：上部浅灰色、灰黄色砂岩夹棕黄色泥岩，下部紫红色泥岩夹浅灰色粉砂岩；③馆陶组：上部为紫红色、灰绿色泥岩夹砂岩，下部为厚层状灰白色砂岩夹灰绿色、浅灰色泥岩、底部为厚层状砂砾岩；④东营组：上部以灰色、紫红色泥岩，砂质泥岩为主，夹灰白色含砾砂岩、灰色灰质砂岩及深灰色灰质泥岩。下部为深灰色泥岩与灰质泥岩呈不等厚互层；⑤沙一段：深灰色、褐灰色灰质泥岩，灰质油泥为主，夹深灰色泥岩泥质白云质，生物灰岩及灰褐色油页岩。
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(2)选型过程：根据以上地层情况，利用选型系统确定以原有84KM243钻头为母本进行针对性设计，84KM243钻头是针对大庆油田的浅井设计，一只钻头打完一口，穿过的层位较多，因此该钻头的头型和布齿比较保守。经过分析系统的计算机模拟实验，发现 84KM243钻头对于大港地层而言，心部受力较大影响钻头机械钻速(图7)。经过对切削齿参数的反复调整，最后确定图8所示的方案并投入生产，该产品命名为84KM243-II。
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(3)使用结果：84KM243-II钻头在大港油田钻井三公司港2—62—2等10口井的平原-馆陶组上部层位钻进中，累计进尺10065m，纯钻时间226.84h，平均机械钻速44.37m，创造了大港油田上部地层单只钻头进尺最高纪录。
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3.2 胜利油田使用记录
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(1)选型过程：胜利油田地层与大港相似，在此不作岩性描述。在针对渤深上部地层的12?"井眼的钻头选型中，我们利用该钻头选型系统，选择出了12KM236、12KM226、 12KM281三种钻头。利用机械钻速和穿夹层能力加权的方法，成功选择了12KM226钻头并进行了针对性改进。
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(2)使用结果：12KM226钻头在胜利油田渤海钻井二公司50115队承钻的渤深6—12井的154～3090m井段，进尺2936m，纯钻132.5h，机械钻速22.16m／h。该钻头钻穿平原组、明化镇组、馆陶组、东营组、沙一段，连续作业至中完。该钻头创造了单只12?"钻头在胜利油田使用的新纪录。
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