定向井用PDC鉆頭的結構分析

　　在定向井鉆進過程中，影響井眼軌跡的PDC鉆頭的結構參數主要包括：冠部形狀類型、切削結構和保徑（不考慮水力結構參數的影響）。大量的研究表明，PDC鉆頭的結構參數會對定向井鉆進趨勢產生重要的影響。影響井眼軌跡的PDC鉆頭冠部形狀參數主要有內錐高度、外錐高度和冠頂曲線等；切削結構影響的關鍵參數主要是切削齒后傾角、摩擦角等；保徑影響的關鍵參數是主動保徑、被動保徑的長度以及由保徑產生的摩擦面積等。
　　1. PDC鉆頭結構參數分析原理

　　1.1.PDC鉆頭切削結構
　　根據小變形原理，利用切削齒和冠部分別的側向和軸向產生的平均位移或是反作用力的比值，同樣為無量綱參數，近似代替側向和軸向鉆進速率的比值。改進方案：分別計算PDC鉆頭側面和正面的所有切削齒的切削量。
　　1.2.PDC鉆頭冠部。本文利用簡化模型，設計不同的鉆頭冠部形狀參數，并結合切削齒分析和保徑分析得到的不同數據進行綜合分析，得到PDC鉆頭整體的結構參數對定向井鉆進趨勢的影響。新的疊加原理：切削齒、保徑與冠部分析得到的軸向與側向的總平均位移進行疊加。 　　

　　1.3.PDC鉆頭保徑。分別分析不同保徑長度對井壁的影響，提取平均合位移，與PDC鉆頭在改變其它結構條件下產生的位移進行疊加，獲得PDC鉆頭在側向和軸向的位移比值。原理：不同保徑長度與地層的接觸情況不同，將產生不同的位移，PDC鉆頭與地層的相互作用最終取決于依附于冠部的切削結構與地層的相互作用。

      2. PDC鉆頭結構參數分析準備數據
　　2.1.不同后傾角與地層相互作用在側向和軸向產生的平均位移或總反作用力；
　　2.2.不同保徑與地層相互作用產生的總反作用力；
　　2.3.由2產生的反作用力與施加到鉆頭的其它外力進行疊加，并產生共同作用，得到總的側向和軸向的平均位移或總反作用力；
　　2.4.將3所求得的數據進行整理計算。PDC鉆頭后傾角參數：設定為5度，10度，15度，20度。PDC鉆頭冠部形狀：根據PDC鉆頭優化設計軟件進行設計，其參數如下表所示：
　　表1 PDC鉆頭冠部形狀參數
　　PDC鉆頭的保徑：綜合考慮保徑的長度、摩擦系數、表面粗糙度等，得到短保徑摩擦面積為：主動保徑226.09 ，被動保徑113.045 ；長保徑摩擦面積為：主動保徑339.13 ，被動保徑169.565 。
　　3. PDC鉆頭切削結構分析
　　對于PDC鉆頭切削結構的力學分析，主要考慮后傾角產生的影響。在其它條件相同的情況下，設定不同的切削齒后傾角（5°、10°、15°20°），施加合理的有效約束和外部載荷，分析有限元分析數據，得到軸向和側向的平均位移。
　　3.1. 5度切削齒后傾角。可以看出，PDC鉆頭切削齒主要以切削作用破壞巖石，而且正壓切削為主。根據PDC鉆頭等切削布齒原則，確定切削齒在井底的覆蓋范圍，近似得到切削結構在軸向的切削進尺為12.3463mm，切削結構在側向的切削進尺為4.6299mm。利用相同的有限元分析方法，依次對10°、15°20°的切削齒后傾角進行分析，得到以下結果。
　　4. PDC鉆頭冠部和保徑分析
　　PDC鉆頭與地層相互作用時，鉆頭的綜合側向力來自三個方面，一是BHA對PDC鉆頭的側向力和鉆頭轉角，二是PDC鉆頭自身的結構參數產生的偏轉力，三是地層的各向異性對鉆頭產生的側向力。在分析PDC鉆頭結構參數影響時，假設地層為均值地層，即鉆頭的各向異性指數都為
　　4.1.直線-圓弧長保徑。可以看出，PDC鉆頭外錐的軸向鉆進和側向切削能力均大于內錐，鉆頭整體的軸向鉆進能力大于側向切削能力。在該結構參數條件下，得到PDC鉆頭軸向的平均位移為57.7214mm，利用矢量合成的方法，得到側向的平均位移為50.17096mm。以此有限元方法，分別對不同的冠部形狀和保徑進行分析，得到結果如下。通過以上分析可以看出，PDC鉆頭的冠部形狀越平，即內外錐高度相差越小，其導向性越強；PDC鉆頭的保徑越長，對于直線-圓弧和直線-圓弧-直線冠部形狀，其產生的側向力越大，側向切削能力越強；對于直線-圓弧-圓弧和直線-圓弧-拋物線冠部形狀，其側向切削能力減小。通過對以上數據進行分析整理，根據有限元力學分析統計結果，借助數值分析軟件，得到PDC鉆頭結構對定向井經驗軌跡的影響因子。在計算過程中，采用麥夸特法+通用全局優化法獲得PDC鉆頭導向性的改進系數，從而得到改進的PDC鉆頭導向性數學模型.

　　4.1.1.利用三維模型，模擬PDC鉆頭在外力作用下產生的軸向和側向破巖能力變化情況，研究其與PDC鉆頭冠部形狀和保徑的關系。結合勝利油田鉆井現場實際情況，制定默認計算條件如下。井眼直徑：222.2mm；彎螺桿鉆具：外徑172mm，內徑71.4mm，結構彎角1.25°、距下端面距離1.52m，本體扶正器外徑213mm、距下端面距離0.7m，螺桿鉆具總長度8.1m。短鉆鋌：外徑172mm，內徑71.4mm，長度4.5m。上扶正器：外徑210mm，長度1.70m；鉆進參數：鉆壓50kN，轉速70r/min。以直線-圓弧長保徑為例進行分析 　　5.應用范圍
　　利用本文中分析的模型，可應用于BHA模型以及鉆頭和地層相互作用模型中，完善定向井井眼軌跡控制方法，進一步提高計算精度，縮減鉆井成本。