一种提升携岩能力的流线型PDC钻头及其设计方法

摘要

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。

权利要求

1.一种提升携岩能力的流线型PDC钻头，所述钻头包括钻头本体、流线型刀翼、分流叶片；钻头本体上布置有流线型刀翼，每相邻两个刀翼尾部之间的流道中布置有分流叶片，分流叶片与钻头本体固定连接，其特征在于：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，每个分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为叶片根部截面，Span＝1.0为叶缘截面，分流叶片翼型弦长C与刀翼保径段长度l的比值为0.65～0.75，分流叶片最大厚度dmax与分流叶片翼型弦长C的比值为0.08～0.12。

2.一种提升携岩能力的流线型PDC钻头设计方法，其特征在于：设计步骤为：S1：获取PDC钻头的钻速、钻井排量、刀翼数量和保径段长度l；

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βn，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，完成对流线型刀翼的迭代设计；

S6：在相邻两个刀翼尾部之间的流道中布置一个不对称扭曲分流叶片。

3.根据权利要求2所述的一种提升携岩能力的流线型PDC钻头设计方法，其特征在于，所述旋涡密度函数为：

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。

4.根据权利要求2所述的一种提升携岩能力的流线型PDC钻头设计方法，其特征在于，相邻两点连线与u轴之间的夹角βn是：

说明书

一种提升携岩能力的流线型PDC钻头及其设计方法

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 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dmax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。

[0009] 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。

[0010] 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：

[0011] S1：获取PDC钻头的钻速、钻井排量、刀翼数量和保径段长度；

[0012] 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；

[0013] 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βn，然后画出新的保径段边线M'N；

[0014] S4：用六次多项式对新的保径段边线M'N进行光滑处理；

[0015] 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；

[0016] 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。

[0017] 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：

[0018]

[0019] 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。

[0020] 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：

[0021]

[0022] 其中，wy、wu分别是进口速度在y和u方向的分量大小，速度单位是 m/s。

[0023] 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，相邻两点连线与u轴之间的夹角βn是：

[0024]

附图说明

[0025] 图1为本专利一种提升携岩能力的流线型PDC钻头结构示意图。

[0026] 图2为本专利一种提升携岩能力的流线型PDC钻头俯视图。

[0027] 图3为分流叶轮结构示意图。

[0028] 图4为分流叶轮俯视图。

[0029] 图5为本专利一种提升携岩能力的流线型PDC钻头设计步骤图。

[0030] 图6为传统直刀翼PDC钻头结构示意图。

[0031] 图7为传统直刀翼保径段边线。

[0032] 图8为新型流线型刀翼PDC钻头结构示意图。

[0033] 图9为新型流线型刀翼保径段边线。

[0034] 图中：1、钻头本体；2、新型流线型刀翼；3、PDC齿；4、保径齿；5、分流叶片；6,、分流叶轮；7、传统直刀翼；D1、导流叶轮外径；D2、PDC钻头外径；L、钻头保径段长度；。

具体实施方式

[0035] 为了对本发明的设计方案、目的和效果有更清楚的理解，现结合附图说明本发明的具体实施方式。

[0036] 如图1所示，本发明提供的一种提升携岩能力的流线型PDC钻头结构示意图，其包括：包括钻头本体1、新型流线型刀翼2、PDC齿3、保径齿4、分流叶片5，钻头本体1上布置有5
个新型流线型刀翼2，每相邻两个刀翼尾部之间的流道上布置有一个分流叶片5，分流叶片5
与钻头本体1固定连接。

[0037] 分流叶片5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5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dmax与导流叶片翼型弦长C的比值
为0.08～0.12，由导流叶片5 组成的导流叶轮6外径D1略小于钻头外径D2。

[0038] 如图5所示，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：

[0039] S1：获取PDC钻头的钻速、钻井排量、刀翼数量和保径段长度L；

[0040] S2：如图6、图7所示，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；

[0041] S3：如图8、图9所示，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βn，然后画出新的保径段边线 M'N；

[0042] S4：用六次多项式对新的保径段边线M'N进行光滑处理；

[0043] 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。

[0044] S6：在相邻两个刀翼尾部之间的流道中布置一个不对称扭曲分流叶片5。

[0045] 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：

[0046]

[0047] 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。

[0048] 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：

[0049]

[0050] 其中，wy、wu分别是进口速度在y和u方向的分量大小，速度单位是 m/s。

[0051] 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，如图9所示，相邻两点连线与u轴之间的夹角βn是：

[0052]

[0053] 以上描述了本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变
换均属于本发明的保护范围。