油井专用钻头设计技术发展及现状研究

李善长

油井钻头设计分为前期准备、布齿设计、工作性能分析和其他部分设计等阶段。其中最重要的是布齿设计。前期准备包括根据现有资料和经验确定油井钻头尺寸、切削齿大小和数目、布齿方式、喷嘴等。布齿设计阶段确定切削齿的参数，包括油井钻头冠部形状设计以及切削结构进行设计。

油井钻头设计理论与方法研究进展

一、剖面设计。剖面形状直接影响油井钻头各部位切削齿的受力状态。在实验室对不同冠部形状的油井钻头进行钻进试验，受力分析结果表明，在切削面积相同的条件下，平底型油井钻头上的各切削齿的受力分布较均匀。锥型油井钻头在冠顶附近切削齿的纵向受力比油井钻头中心和外缘处要大得多，而侧向受力则完全相反。锥面越长，受力分布越不均匀。因此，具有深内锥的油井钻头，其稳定性较好。外锥齿的侧向力只有在平衡的条件下才能起到稳定油井钻头的作用，否则会使油井钻头偏离旋转中心，容易崩碎或加速磨损。

二、布齿设计。切削齿的加速磨损和冲击碎裂是影响油井钻头在硬的、研磨性地层中钻进效果的两个主要因素。为提高油井钻头钻进硬的、研磨性地层的水平，国内油井钻头设计者都把工作的重点集中在改善油井钻头的抗冲击性和耐磨性方面。在布齿设计中主要有以下2个方面的尝试：

第一，通过减小切削齿尺寸、增加切削齿和刀翼数量来提高油井钻头的耐磨性；第二，采用同轨迹布齿方法来提高油井钻头的稳定性。

这两种设计上的改进虽然使油井钻头工作寿命有了一定程度的提高，但其钻进速度并不令人满意。

采用高密度布齿，增大了金刚石的体积，确实可以提高油井钻头的耐磨性，但通常给钻进速度带来负面影响。硬地层需要高钻压来克服岩石的门限剪切强度。但考虑到切削齿的热加速磨损问题，又不能无限制地增大钻压。因此，高密度布齿设计的结果往往导致切削齿刮擦而不是有效剪切井底岩石。在布齿密度较小的情况下，较大的载荷作用可使切削齿有效地吃入并剪切破碎岩石，不仅钻进效率高，而且会减少切削齿与岩石的接触时间。相反，当布齿密度较高时，切削齿受力较小，结果是以研磨方式而不是剪切方式破碎岩石，不但破岩效率低，而且增加了切削齿与岩石的接触时间。破岩效率的降低和切削齿与岩石接触时间的增加，可能是限制高密度布齿的油井钻头在硬地层中钻进效果的主要原因。此外，高密度布齿对水力作用的不利影响也是限制油井钻头性能的原因之一。

三、水力学研究。在对新型油井钻头的研制过程中，在材料和结构的研究达到一定程度以后，运用流体力学方法来分析油井钻头头部水力场显得尤为重要，甚至成为提高油井钻头钻进速度和使用寿命的决定性因素。主要研究目的为：一是防止油井钻头泥包，以提高机械钻速和延长使用寿命；二是使流动平稳，提高流体的清岩和冷却切削齿能力；三是减少漩涡和射流对切削齿的冲击以防止断齿。目前的研究手段为通过实验和数值计算，分析在不同油井钻头形态和水力参数条件下流场的异同，以期找到改善油井钻头形态调整水力参数的方向。

油井钻头设计技术的发展

一、CAD的发展。目前，油井钻头大都采用计算机辅助技术及整体模拟技术设计，运用CAD、优化设计和计算机仿真等现代设计方法，自行开发的一套专用设计软件。它由几何结构设计、工作性能模拟和CAD绘制设计图三部分组成，实现油井钻头设计全过程的电算化。应用表明，该套软件原理新颖、速度快、精度高、操作方便，完全实现了油井钻头设计、分析和绘图全过程的电算化，能够大幅度提高油井钻头的设计效率和设计质量，大大提高了油井钻头设计的科学性和准确性。

二、三维设计的发展。国内外有大量的文献介绍了 油井钻头的设计理论和方法，对油井钻头冠部及切削齿的设计提出了许多假设和理论计算。通常的做法是由研究人员提供设计思路，合作制造单位根据思路设计油井钻头的原理图，然后根据原理图制作实物模型进行实验。这个过程的缺点有3点：设计周期长；修改非常困难；设计成本高。针对这种情况，通过实践，探索了一条数字化设计油井钻头的方法，不仅可以直接从原理生成三维油井钻头模型，而且可以根据设计平面图直接生成三维油井钻头模型，由三维油井钻头模型直接转换到NUMECA这样的大型分析软件进行网格生成并进行分析计算，经过后处理分析发现问题，及时修改油井钻头的设计参数，然后再进行设计分析直至得到满意的设计结果。这样就省略了80%的中间过程，大大地提高了设计的效率。

國内研究的最新动向

近年来，国外在井底流场和水力结构优化设计方面的研究相继越来越多。而国内对油井钻头在井底流场和水力结构优化设计的研究还较少，只对改善油井钻头的水力结构设计进行过初步研究，因此需要进行大力研究和开发。以提高设计和操作技术水平，使油井钻头的钻进速度、耐久性和稳定性都能有较大的改善。

（作者单位：辽河装备集团有限公司）