PDC钻头布齿研究及其计算机辅助设计
|
摘要
PDC钻头是油气钻井的重要工具，该钻头对地层的敏感性强，结构变化多、设计灵活，其性能(尤其是切削齿的布置合理性)对钻井速度和成本影响很大。
本文主要是应用现代计算机技术对PDC钻头布齿设计进行研究。在系统地研究了PDC钻头几何学的基础上，建立全面反映钻头的位置参数、切削齿在钻头上的空间方位参数之间关系的PDC钻头几何学基本方程式，并以此为基础，建立了通过测绘切削齿上五个点来计算其各个参数的五点测绘理论；分析了切削齿在井底的运动规律，详细地讨论了钻头回旋产生的原因、危害和类型，并确定了钻头回旋运动和钻头局部周向反转的运动学条件，提出了几种抗回旋钻头的设计思路；运用PDC钻头几何学基本方程式，建立了准确地确定切削齿与井底接触角度和接触区域的方法；定义了能正确反映切削齿刃各点处实际工作状态的工作角，分析了结构参数对工作角的影响，并建立了精确计算切削齿刃各点处工作角的新方法，研究了PDC钻头布齿设计理论和方法，提出了冠部形状设计的方法和拟合冠部形状轮廓线方程的新方法，建立了切削齿径向布置和周向布置的方法，创立了用优化设计的方法确定切削齿最佳齿前角和侧转角的新方法。针对以上的各项研究内容，用C语言和Visual Lisp语言编制了一套PDC钻头设计计算和绘图程序。
Polycrystalline diamond compact bit (PDC bit) is one of facilities in the drilling of petroleum and natural gas, and its capability, especially the rationality of the placing of cutting is very important to the speed and cost of drilling. PDC bit has highly sensitive to speciality of rock, so its design is very changeful. The placing of cutting is the most importance season to impact the capability of PDC bit.
In the research of the geometry of PDC bit , the essential geometry equations of PDC bit are derived. And the theory of mapping with five point is instituted according to the equations. With the theory we can compute the parameters of cutting. The rules of the movement of the cuttings in bottom of well are studied. Successionally, the mechanism, the jeopardize and the types of the convolution are particularly discussed, and the kinematics condition of occurring the convolution is ensured. The way of decreasing the convolution are put forward. On the basis of the essential geometry equations of PDC bit the way of computing the contacting angle contacting is found. The working angles are defined, and it can accurately embody the working state of the blade of cutting. In research of the theory and methods PDC bit placing design, new approaches to design optimal bit crown, backrake and siderake , etc. are found, the predictive models of PDC bit performance are establisher. Aiding at all of the research, a set of
design and plot software is developed with C and AutoLisp.
本文主要是应用现代计算机技术对PDC钻头布齿设计进行研究。在系统地研究了PDC钻头几何学的基础上，建立全面反映钻头的位置参数、切削齿在钻头上的空间方位参数之间关系的PDC钻头几何学基本方程式，并以此为基础，建立了通过测绘切削齿上五个点来计算其各个参数的五点测绘理论；分析了切削齿在井底的运动规律，详细地讨论了钻头回旋产生的原因、危害和类型，并确定了钻头回旋运动和钻头局部周向反转的运动学条件，提出了几种抗回旋钻头的设计思路；运用PDC钻头几何学基本方程式，建立了准确地确定切削齿与井底接触角度和接触区域的方法；定义了能正确反映切削齿刃各点处实际工作状态的工作角，分析了结构参数对工作角的影响，并建立了精确计算切削齿刃各点处工作角的新方法，研究了PDC钻头布齿设计理论和方法，提出了冠部形状设计的方法和拟合冠部形状轮廓线方程的新方法，建立了切削齿径向布置和周向布置的方法，创立了用优化设计的方法确定切削齿最佳齿前角和侧转角的新方法。针对以上的各项研究内容，用C语言和Visual Lisp语言编制了一套PDC钻头设计计算和绘图程序。
Polycrystalline diamond compact bit (PDC bit) is one of facilities in the drilling of petroleum and natural gas, and its capability, especially the rationality of the placing of cutting is very important to the speed and cost of drilling. PDC bit has highly sensitive to speciality of rock, so its design is very changeful. The placing of cutting is the most importance season to impact the capability of PDC bit.
In the research of the geometry of PDC bit , the essential geometry equations of PDC bit are derived. And the theory of mapping with five point is instituted according to the equations. With the theory we can compute the parameters of cutting. The rules of the movement of the cuttings in bottom of well are studied. Successionally, the mechanism, the jeopardize and the types of the convolution are particularly discussed, and the kinematics condition of occurring the convolution is ensured. The way of decreasing the convolution are put forward. On the basis of the essential geometry equations of PDC bit the way of computing the contacting angle contacting is found. The working angles are defined, and it can accurately embody the working state of the blade of cutting. In research of the theory and methods PDC bit placing design, new approaches to design optimal bit crown, backrake and siderake , etc. are found, the predictive models of PDC bit performance are establisher. Aiding at all of the research, a set of
design and plot software is developed with C and AutoLisp.
引文
1．刘希圣 钻井工艺原理．石油工业出版社．1988年7月
2．翟应虎，蔡镜仑，刘希圣 PDC钻头切削齿工作角度设计理论．石油大学学报(自然科学版)．1992年第1期
3．张厚美，曾春元，陈雄．PDC钻头切削齿位置参数的测量．石油机械．1995年第5期
4．张厚美 PDC钻头的布齿及性能预测．石油机械．1993年第12期
5．张厚美 PDC钻头切削齿工作参数的计算原理及程序．石油机械．1993年第11期
6．翟应虎，蔡镜仑 PDC钻头切削齿运动规律的探讨．石油大学学报(自然科学版)．1995年第4期
8．李树盛，马得坤，候季康 PDC钻头切削齿工作角度的精确计算与分析．西南石油大学学报．1996年第4期
9．Earle T. Koskie，刘党生译，李天增校 PDC钻头的设计和应用．国外石油机械．1994年第3期
10．李树盛，马得坤，候季康 PDC钻头几何学研究．西南石油大学学报．1996年第2期
11．彭军生，杨利 PDC钻头技术的新发展．石油机械．2001年第11期
12．孙明光，张云联 新型PDC钻头设计．石油钻采工艺．2000年第2期
13．王福修，田京燕 PDC钻头稳定性技术研究．石油矿场机械．2000年第2期
14．李树盛 PDC钻头工作理论及现代没计方法的研究．西南石油学院博士论文．1994年
15．康博 中文AutoCAD2002 Visual Lisp开发指南．清华大学出版社．2001年
16．袁慰平等 计算方法与实习．东南大学出版社．2000年
17．同济大学数学教研室 高等数学(上、下册)．高等教育出版社．1998年
18．苏步青等 实用微分几何引论．科学出版社．1989年
19．王小东 计算机算法设计与分析．电子丁业出版社．2001年
20．谭诰强 C程序设计．清华大学出版社．1997年
21．薛长健 AutoCAD2000高级使用及开发．人民邮电出版社．2000年
22．梁雪春等 AutoCAD2002二次开发技术指南．清华大学出版社．2001年
23．肖刚等 机械CAD原理与实践．清华大学出版社．2000年
24．李树盛 PDC钻头优化没计与CAD系统软件开发．石油矿场机械．1996年第1期
25．张厚美，曾春元，杨雄 PDC钻头切削齿位置参数的测量．石油机械．1995年第2期
26．李大荣 PDC钻头现场使用技术．科技讲座．1994年第3期
27．张厚美 曾春元 PDC钻头性能的二维模拟．石油机械．1997年第1期
28．孙光明 陈庭根 PDC钻头切削齿磨损规律的试验研究．石油大学学报(自然科学版)．1996年增刊
29．李树盛 王镇泉 马德坤 PDC钻头切削齿的运动分析和破损机理．石油机械．1997年第2期
30．李树盛 蔡镜仑 马德坤 PDC钻头冠部设计的原理与方法．石油机械．1998年第2期
31．韩来聚 果传良 陈庭根 PDC钻头的最新发展与应用．钻采工艺．1994年第1期
32．黄桢 PDC钻头的使用技术．钻采工艺．1994年第4期
33．成都惠灵丰特种工程有限责任公司 PDC钻头样本．
34．Warren T M. Drag bit performance modeling. SPE 15618, Presented at the 61st Annual Tcchnical Conference and
Exhibition of the Society of Petroleum Engineer, New Oceans October 5～8, 1986
35. Sinor L A. Drag bit wear model. SPE16699, Presented at the 62nd Annual Conference and Exhibition, Dallas, Texas,September 27～30,1987
36. Behr S M. There-dimensional modeling of PDC bit. SPE21928. Presented at the 1991 SPE/LADC Drilling Conference Amsterdam, March 11～14, 1991
37. L.A.Sinor and R. Illerhaus Application of anti-whirl PDC bits gains momentum SPE 25644, Apr. 1993
38. D. H .Zijling. Single cutter testing----a key for PDC bit development[J]. SPE16529,Sept. 1987
39..S.M.Behr,TM.Warren,etc. Three-dimensional modeling of PDC bit[J]. SPE21928,March 1991
40. O.A. Glowka. Use of single-cutter data in the analysis of PDC bit design: part 1 —development of a PDC cutting force model [J].JPT, August 1989
2．翟应虎，蔡镜仑，刘希圣 PDC钻头切削齿工作角度设计理论．石油大学学报(自然科学版)．1992年第1期
3．张厚美，曾春元，陈雄．PDC钻头切削齿位置参数的测量．石油机械．1995年第5期
4．张厚美 PDC钻头的布齿及性能预测．石油机械．1993年第12期
5．张厚美 PDC钻头切削齿工作参数的计算原理及程序．石油机械．1993年第11期
6．翟应虎，蔡镜仑 PDC钻头切削齿运动规律的探讨．石油大学学报(自然科学版)．1995年第4期
8．李树盛，马得坤，候季康 PDC钻头切削齿工作角度的精确计算与分析．西南石油大学学报．1996年第4期
9．Earle T. Koskie，刘党生译，李天增校 PDC钻头的设计和应用．国外石油机械．1994年第3期
10．李树盛，马得坤，候季康 PDC钻头几何学研究．西南石油大学学报．1996年第2期
11．彭军生，杨利 PDC钻头技术的新发展．石油机械．2001年第11期
12．孙明光，张云联 新型PDC钻头设计．石油钻采工艺．2000年第2期
13．王福修，田京燕 PDC钻头稳定性技术研究．石油矿场机械．2000年第2期
14．李树盛 PDC钻头工作理论及现代没计方法的研究．西南石油学院博士论文．1994年
15．康博 中文AutoCAD2002 Visual Lisp开发指南．清华大学出版社．2001年
16．袁慰平等 计算方法与实习．东南大学出版社．2000年
17．同济大学数学教研室 高等数学(上、下册)．高等教育出版社．1998年
18．苏步青等 实用微分几何引论．科学出版社．1989年
19．王小东 计算机算法设计与分析．电子丁业出版社．2001年
20．谭诰强 C程序设计．清华大学出版社．1997年
21．薛长健 AutoCAD2000高级使用及开发．人民邮电出版社．2000年
22．梁雪春等 AutoCAD2002二次开发技术指南．清华大学出版社．2001年
23．肖刚等 机械CAD原理与实践．清华大学出版社．2000年
24．李树盛 PDC钻头优化没计与CAD系统软件开发．石油矿场机械．1996年第1期
25．张厚美，曾春元，杨雄 PDC钻头切削齿位置参数的测量．石油机械．1995年第2期
26．李大荣 PDC钻头现场使用技术．科技讲座．1994年第3期
27．张厚美 曾春元 PDC钻头性能的二维模拟．石油机械．1997年第1期
28．孙光明 陈庭根 PDC钻头切削齿磨损规律的试验研究．石油大学学报(自然科学版)．1996年增刊
29．李树盛 王镇泉 马德坤 PDC钻头切削齿的运动分析和破损机理．石油机械．1997年第2期
30．李树盛 蔡镜仑 马德坤 PDC钻头冠部设计的原理与方法．石油机械．1998年第2期
31．韩来聚 果传良 陈庭根 PDC钻头的最新发展与应用．钻采工艺．1994年第1期
32．黄桢 PDC钻头的使用技术．钻采工艺．1994年第4期
33．成都惠灵丰特种工程有限责任公司 PDC钻头样本．
34．Warren T M. Drag bit performance modeling. SPE 15618, Presented at the 61st Annual Tcchnical Conference and
Exhibition of the Society of Petroleum Engineer, New Oceans October 5～8, 1986
35. Sinor L A. Drag bit wear model. SPE16699, Presented at the 62nd Annual Conference and Exhibition, Dallas, Texas,September 27～30,1987
36. Behr S M. There-dimensional modeling of PDC bit. SPE21928. Presented at the 1991 SPE/LADC Drilling Conference Amsterdam, March 11～14, 1991
37. L.A.Sinor and R. Illerhaus Application of anti-whirl PDC bits gains momentum SPE 25644, Apr. 1993
38. D. H .Zijling. Single cutter testing----a key for PDC bit development[J]. SPE16529,Sept. 1987
39..S.M.Behr,TM.Warren,etc. Three-dimensional modeling of PDC bit[J]. SPE21928,March 1991
40. O.A. Glowka. Use of single-cutter data in the analysis of PDC bit design: part 1 —development of a PDC cutting force model [J].JPT, August 1989