PDC鉆頭布齒軟件設(shè)計方法研究

引言
　　 PDC鉆頭是刮刀鉆頭在高級技術(shù)工藝條件下的復現(xiàn)，利用PDC層切削破壞巖石，具有硬度高、整體強度高、耐磨性好、熱穩(wěn)定性好、自銳性好等優(yōu)點，在油氣鉆井中得到了廣泛的應用。目前國內(nèi)常用圖解調(diào)整法設(shè)計PDC鉆頭，該方法效率低、工作量大、設(shè)計過程繁瑣，并不時出現(xiàn)誤差。本文應用國內(nèi)外對PDC鉆頭布齒設(shè)計的最新研究成果，以軟件方式實現(xiàn)大量布齒設(shè)計計算模型的求解，充分克服了圖解調(diào)整法的不足。
　　2. PDC鉆頭布齒方法研究
　　 PDC鉆頭布齒方式直接影響鉆頭的工作性能。每個切削齒在鉆頭上都有六個獨立的參數(shù)，即三個空間位置參數(shù)：切削齒到鉆頭軸線的距離Rc、切削齒到鉆頭軸線方向的高度Hc、切削齒到鉆頭圓周方向的位置角，和三個結(jié)構(gòu)參數(shù)：裝配角、齒前角、側(cè)轉(zhuǎn)角，每個參數(shù)都影響著單個切削齒乃至整個鉆頭的破巖性能。故高質(zhì)量、性能優(yōu)良的設(shè)計，需要合理分析各參數(shù)對破巖性能的影響并確定最佳值。PDC鉆頭設(shè)計主要分整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、布齒設(shè)計和工作性能分析三個階段。整體設(shè)計根據(jù)現(xiàn)有資料和經(jīng)驗確定鉆頭尺寸、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)，包括鉆頭冠部形狀設(shè)計、徑向布齒設(shè)計、周向布齒設(shè)計、切削齒齒前角和側(cè)轉(zhuǎn)角設(shè)計。工作性能分析階段主要權(quán)衡設(shè)計方案利弊并調(diào)整修改設(shè)計。
　　2.1 冠部形狀設(shè)計
　　 冠部形狀會引起切削齒具體位置差異，這包括切削齒相對高差和切削齒軸線與鉆頭軸線間夾角，從而影響各切削齒的切削體積，導致破巖能力不同。合理的冠部形狀會增加鉆頭穩(wěn)定性，利于井底的清洗和減少切削齒的磨損。PDC鉆頭冠部形狀輪廓線主要由內(nèi)錐面和頂部圓弧面兩部分組成，通常采用等切削、等磨損和等功率三種不同的設(shè)計原則設(shè)計。冠部形狀輪廓線的設(shè)計方程式推導參考文獻[1]。
　　2.2 徑、周向布齒設(shè)計
　　 切削齒的徑向布置是要在鉆頭半徑平面內(nèi)沿冠部外形輪廓布置切削齒。徑向布齒主要確定Rc、Hc和，得到徑向布齒圖，它反映切削齒在鉆頭上的徑向布置和在井底半徑方向的覆蓋情況。分三個步驟設(shè)計：確定經(jīng)驗數(shù)據(jù)—→確定中心齒和規(guī)徑齒位置—→確定各切削齒Rc、Hc和。
　　 切削齒的周向布置是在垂直于鉆頭軸線平面內(nèi)按一定方式確定各個切削齒的周向位置角，得到周向布齒圖，主要采用螺旋形布齒或翼片形布齒。每種布齒方式都與之相應的水力結(jié)構(gòu)相配合。文獻[2]中有關(guān)于徑向布齒和周向布齒的具體設(shè)計計算。
　　2.3 齒前角、側(cè)轉(zhuǎn)角優(yōu)化設(shè)計
　　 PDC鉆頭切削齒工作角由切削齒的齒前角和側(cè)轉(zhuǎn)角決定，工作角對切削齒的切削效率和工作性能有重要影響。正確設(shè)計切削齒的齒前角和側(cè)轉(zhuǎn)角是PDC鉆頭設(shè)計中的重要內(nèi)容。PDC鉆頭的切削結(jié)構(gòu)由若干個分布在鉆頭表面不同部位的切削齒組成，每個切削齒的空間方位和工作部位都不相同。已有文獻指出，由于各個切削齒工作部位和切削條件不同，齒前角和側(cè)轉(zhuǎn)角應不同，對于特定巖石性質(zhì)和鉆井條件，各切削齒都存在一個合理的齒前角和側(cè)轉(zhuǎn)角。但對于如何合理確定這個合理數(shù)值一直沒有有效的方法。現(xiàn)在大都根據(jù)單齒切削實驗確定一個較好齒前角和側(cè)轉(zhuǎn)角，鉆頭上各齒都采用這個數(shù)值，這樣設(shè)計由于各齒接觸井底部位不同，最影響切削效率的實際切削角度相差較大，也就是說結(jié)構(gòu)角相同，工作角卻不相同，而且未必合理。文中以實驗結(jié)果討論齒前角和側(cè)轉(zhuǎn)角的優(yōu)化設(shè)計。
　　2.3.1 模型優(yōu)化
　　 假設(shè)對于某種巖石，通過在一定條件下的單齒或多齒切削實驗，確定出前傾角和側(cè)傾角分別為和時，切削效果最好。那么，就設(shè)法讓各個切削齒的實際工作角度即前傾角和側(cè)傾角的平均值都與和相等，通過這種方法取得齒前角和側(cè)轉(zhuǎn)角的最佳值[2,3]，相應的數(shù)學模型為：
　　 設(shè)計變量：
　　 目標函數(shù)：
　　 約束條件：
　　式中，為相同實驗條件下、不同的、值對切削齒的磨損量，和分別為切削齒工作區(qū)域上實際前傾角和側(cè)傾角平均值，、為齒前角的最小值和最大值，、為側(cè)轉(zhuǎn)角的最小值和最大值。
　　2.3.2 模型求解
　　 求解模型時，先選取、初始值，確定鉆頭上各結(jié)構(gòu)參數(shù)，并計算切削齒在井底的接觸角以確定工作區(qū)域；然后計算工作區(qū)域內(nèi)各點的前傾角和側(cè)傾角，求出統(tǒng)計平均值和，計算目標函數(shù)；再調(diào)整、值，重復上述過程，直到最小，此時、即為最優(yōu)齒前角和側(cè)轉(zhuǎn)角。
　　3. 布齒軟件設(shè)計
　　 PDC鉆頭布齒設(shè)計計算量大，輸入和調(diào)整的參數(shù)多，為提高軟件運行速度和模塊化程度，將布齒設(shè)計的計算用Visual C++來實現(xiàn)，對計算結(jié)果的處理和繪圖以Visual Lisp實現(xiàn)。
　　3.2 布齒程序設(shè)計
　　 布齒程序是本軟件的核心部分，該程序由許多功能相對獨立的模塊組成，參數(shù)輸入模塊實現(xiàn)鉆頭基本參數(shù)的輸入，包括鉆頭半徑、切削齒型號、齒數(shù)、保徑齒磨削量、出露系數(shù)、選擇冠部形狀設(shè)計原則、周向布齒螺旋線方程和參數(shù)等；冠部形狀設(shè)計模塊主要功能是根據(jù)輸入?yún)?shù)按照設(shè)計原則設(shè)計出鉆頭冠部輪廓線方程式；徑向布齒設(shè)計模塊確定中心齒和規(guī)徑齒位置、各切削齒的徑向位置Rc、Hc、和裝配角；周向布齒設(shè)計模塊完成鉆頭水力結(jié)構(gòu)設(shè)計和各切削齒周向位置角設(shè)計；齒前角、側(cè)轉(zhuǎn)角設(shè)計模塊根據(jù)以上設(shè)計結(jié)果，按照2.3節(jié)提供的方法對齒前角、側(cè)轉(zhuǎn)角進行優(yōu)化設(shè)計；工作性能預測分析模塊主要人為判斷已完成的布齒設(shè)計方案是否滿足設(shè)計要求、有沒有更好的設(shè)計方案等，如果不滿足設(shè)計要求，則更改設(shè)計模型、修改參數(shù)后重新進行設(shè)計，若符合設(shè)計，則執(zhí)行參數(shù)輸出模塊；參數(shù)輸出模塊將完成的PDC鉆頭布齒設(shè)計所有參數(shù)輸出到供Visual Lisp程序調(diào)用的接口中。CAD根據(jù)輸入的設(shè)計參數(shù)進行布齒、成圖。
　　3.2 軟件整體設(shè)計
　　 圖2為該軟件整體設(shè)計流程圖。軟件運行時，首先在CAD繪圖軟件中加載Visual Lisp程序，該程序自動調(diào)用Visual C++程序?qū)崿F(xiàn)布齒設(shè)計，并返回滿足設(shè)計要求的布齒參數(shù)和其它數(shù)據(jù)；然后Visual Lisp程序?qū)@些數(shù)據(jù)進行處理，并在CAD中生成PDC鉆頭的布齒模型；模型生成后可以對圖形進行修改，最后實現(xiàn)圖形的輸出。
　　
　　結(jié)論
　　 PDC鉆頭布齒設(shè)計軟件采用的設(shè)計方法精確度高、設(shè)計效率高、方法先進。實際應用情況表明，該軟件具有運行速度快、模塊化程度高、集成性好等優(yōu)點，同時，軟件用戶界面友好，以對話框形式實現(xiàn)人機交互，對操作者計算機水平要求低，設(shè)計人員容易掌握，操作使用方便簡捷。