CN113821894A - 一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法,该方法包括,首先将钻头整体上划分出局部破碎特征区;然后计算局部破碎特征区强度模式因子;其次获得局部破碎特征区强度模式因子之间的差值,获得钻头上同一组别切削齿对应的钻齿水平切削力矢量加和;最后将局部破碎特征区强度模式因子之间的差值作为钻头设计目标控制条件,该方法基于局部变强度破岩原理,将对称切削齿划分组别后将对称位置的强度变化因子调节平衡,钻头上不同对称位置的强度可以调整为不同,可以针对性的改变不同局部破碎特征区破岩强度,消除传统钻头各个主切削齿所受强度无法分区域调控导致的钻头失效,从而提高钻头破岩效率,延长使用时间,具有广阔应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及钻头设计方法领域,特别是一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法。
背景技术
随着油气田勘探开发工作的不断深入,油气开发的重点逐渐转向深部地层的油气资源,因而所钻遇的地层越来越复杂,钻井难度越来越大,井眼轨迹越来越复杂,包括深井、超深井和复杂结构井等。深层油气资源埋藏条件复杂(包括高温、高压、高含硫和低渗透等),具有埋藏深、岩石致密、地层岩性变化大、钻遇岩石强度高、硬度大、可钻性差、研磨性强、非均质性强等特点,常规钻头在这类地层中钻进时,单只钻头的寿命低、进尺小,平均机械钻速很低、周期长、成本高。
综上所述,无论是主动施加振动,还是被动发生的振动,在岩石动态破碎过程井底复杂岩石动态强度都是无法简单忽略的。在实际钻井过程中,由于钻柱的运动导致钻柱不可避免的与井壁发生碰撞,钻头与井底动态接触破碎岩石使得井下振动环境更加复杂。碰撞、旋转、动态破岩、主动施加动载荷等等多种因素耦合作用,造成井下的振动的测量及研究动态破岩干扰等问题变得更加复杂。总结了多年来人们对井下动态破岩过程发生振动的认识。根据振动方向可以将井下振动表现分为三种基本形式,包括轴向(纵向)、横向、周向(扭转),而具体表现形式有粘滑振动、钻头跳动、钻头涡动、BHA涡动、横向冲击、扭转谐振、参数谐振、钻头躁动、涡激振动、耦合振动。其中粘滑、涡动、跳动及冲击损害比较大,是重点的研究对象。实际岩石破碎是在复杂的动态载荷作用下完成的,井下复杂振动环境诱因可以分成两个方面,一是主动施加工程措施造成的辅助振动破岩,二是钻柱或钻头运动不可避免的被动发生造成的。动态载荷产生原因有两方面:①主动施加工程措施(主动激励动载、转速动载、轴向冲击器、扭转冲击器、牙轮钻头、复合钻头、螺杆马达、涡轮马达、旋转导向***、PDC/刮刀钻头)引起规律动载,最大频率超45Hz,最高振幅超30g,综合表现的最大动载应变率超100s-1;②钻头与地层接触被动发生轴向、横向、周向随机动载,最高频率超350Hz,最高振幅超100g,综合最大动载应变率超150s-1。热裂解钻井过程,岩石受到大温差交变热载荷,最高温度超过600℃。动态外载原因有两方面:①主动施加工程措施(主动激励动载、转速动载、轴向冲击器、扭转冲击器、牙轮钻头、复合钻头、螺杆马达、涡轮马达、旋转导向***、PDC/刮刀钻头)引起规律动载,最大频率超45Hz,最高振幅超30g,综合表现的最大动载应变率超100s-1;②钻头与地层接触被动发生轴向、横向、周向随机动载,最高频率超350Hz,最高振幅超100g,综合最大动载应变率超150s-1。热裂解钻井过程,岩石受到大温差交变热载荷,最高温度超过600℃。综上所述,无论是主动施加振动,还是被动发生的振动,在岩石动态破碎过程井底复杂岩石动态强度都是无法简单忽略的。
传统的钻头设计方法,如专利CN201010500274.9发明了金刚石钻头金刚石颗粒分布的分形设计方法,提出了一种对金刚石钻头的金刚石颗粒的尺寸、数量及分布的设计方法。以及专利CN201010500309.9发明了牙轮钻头轮齿结构的分形设计方法,提出了一种对牙轮钻头轮齿的尺寸、数量及分布的设计方法。传统的钻头设计方法只从钻井参数、金刚石颗粒和牙轮轮齿等某个单因素方面出发,来研究钻头的设计方法,忽略了岩石动态破碎过程井底复杂岩石动态强度性质变化对钻头工作状态的影响,因而所设计的钻头性能受到了限制。
早期的钻头设计常采用“试凑经验法”:只考虑钻压对钻头静态强度影响,即单因素,没有考虑岩石强度动态变化的影响,因而设计出的钻头性能、钻速都受到限制。钻头通过牙齿破碎井底岩石实现钻进,因而钻头钻速和寿命与井底岩石性能直接相关;传统钻头在钻遇地层时,其钻头上的每个对称组别的主切削齿所受强度均不同,无法根据不同局部破碎特征区进行有效调整,从而导致了钻头上的每个对称组别主切削齿磨损程度不同,钻头容易损坏,且破岩效率较低。
因此,考虑基于局部变强度破岩原理,建立一种钻头优化设计方法,本充分考虑钻头上每个对称组别的主切削齿所受的强度,首先将钻头整体上划分出局部破碎特征区;然后计算局部破碎特征区强度模式因子;其次获得局部破碎特征区强度模式因子之间的差值,获得钻头上同一组别切削齿对应的钻齿水平切削力矢量加和;最后将局部破碎特征区强度模式因子之间的差值作为钻头设计目标控制条件,该方法基于局部变强度破岩原理,将对称切削齿划分组别后将对称位置的强度变化因子调节平衡,钻头上不同对称位置的强度可以调整为不同,可以针对性的改变不同局部破碎特征区破岩强度,消除传统钻头各个主切削齿所受强度无法分区域调控导致的钻头失效,从而提高钻头破岩效率,延长使用时间,具有广阔应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点,提供一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法,该方法包括,首先将钻头整体上划分出局部破碎特征区;然后计算局部破碎特征区强度模式因子;其次获得局部破碎特征区强度模式因子之间的差值,获得钻头上同一组别切削齿对应的钻齿水平切削力矢量加和;最后将局部破碎特征区强度模式因子之间的差值作为钻头设计目标控制条件,该方法基于局部变强度破岩原理,将对称切削齿划分组别后将对称位置的强度变化因子调节平衡,钻头上不同对称位置的强度可以调整为不同,可以针对性的改变不同局部破碎特征区破岩强度,消除传统钻头各个主切削齿所受强度无法分区域调控导致的钻头失效,从而提高钻头破岩效率,延长使用时间,具有广阔应用前景。
为实现以上技术效果,采用如下技术方案:
一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法,包括以下步骤:
步骤S1:选定钻头类型、刀翼数量、钻齿类型,根据钻头局部破碎特征区划分方法,将钻头整体上划分出局部破碎特征区,局部破碎特征区包括单一破碎区和混合破碎区;
步骤S2:建立动态岩石单轴压缩强度、静态岩石单轴压缩强度、载荷动态加载应变率之间的关系;建立动态岩石拉伸强度、静态岩石拉伸强度、载荷动态加载应变率之间的关系;建立动态岩石剪切强度、静态岩石剪切强度、载荷动态加载应变率之间的关系;
步骤S3:根据钻头整体力学平衡条件,初步设计布齿参数,根据钻头的布齿参数和步骤S2建立的动态岩石单轴压缩强度、静态岩石单轴压缩强度、载荷动态加载应变率之间的关系;动态岩石拉伸强度、静态岩石拉伸强度、载荷动态加载应变率之间的关系;动态岩石剪切强度、静态岩石剪切强度、载荷动态加载应变率之间的关系,计算局部破碎特征区井底岩石强度变化因子和局部破碎特征区强度模式因子;
步骤S4:通过调整钻齿参数,调控步骤S3中局部破碎特征区强度模式因子之间的差值,控制单一破碎区强度模式因子之间的差值在20%以内,控制混合破碎区强度模式因子之间的差值在25%以内;
步骤S5:将步骤S4中获得的局部破碎特征区强度模式因子之间的差值作为钻头设计目标控制条件,如果满足钻头设计目标控制条件即完成了钻头设计;如果不满足钻头设计目标控制条件,继续调整钻头布置参数以满足钻头设计目标控制条件后完成钻头设计。
进一步的,所述步骤S1中钻头类型包括PDC钻头、PDC-牙轮复合钻头;刀翼数量包括4刀翼PDC钻头、5刀翼PDC钻头、6刀翼PDC钻头、4刀翼PDC-牙轮复合钻头、6刀翼PDC-牙轮复合钻头,其中4刀翼PDC-牙轮复合钻头为2刀翼牙轮+2刀翼PDC,6刀翼PDC-牙轮复合钻头包括2刀翼牙轮+4刀翼PDC、3刀翼牙轮+3刀翼PDC;钻齿类型包括平面切削齿和锥形切削齿。
进一步的,所述步骤S1中钻头局部破碎特征区划分方法具体为:
将偶数刀翼PDC钻头对称刀翼分成一组别,每一组别刀翼同一类型钻齿划分为局部破碎特征区;将奇数刀翼PDC钻头同一类型钻齿划分为局部破碎特征区;将PDC-牙轮复合钻头的PDC刀翼划分为同一组别,牙轮刀翼划分为同一组别,每一组别同一类型钻齿划分为局部破碎特征区。
进一步的,所述步骤S1中单一破碎区包括压缩破碎区、剪切破碎区、拉伸破碎区;混合破碎区分为压缩-剪切破碎区、剪切-拉伸破碎区、压缩-拉伸破碎区。
进一步的,所述步骤S2中建立动态岩石单轴压缩强度、静态岩石单轴压缩强度、载荷动态加载应变率之间的关系的具体方法为:通过分离式霍普金森压杆岩石力学实验机测得动态岩石单轴压缩强度,将动态岩石单轴压缩强度静态岩石单轴压缩强度比值与载荷动态加载应变率进行分段拟合处理,最终建立动态岩石单轴压缩强度、静态岩石单轴压缩强度、载荷动态加载应变率之间的关系,具体表达形式如下:
所述步骤S2中建立动态岩石拉伸强度、静态岩石拉伸强度、载荷动态加载应变率之间的关系的具体方法为:通过分离式霍普金森压杆岩石力学实验机测得动态岩石拉伸强度,将动态岩石拉伸强度静态岩石拉伸强度比值与载荷动态加载应变率进行分段拟合处理,最终建立动态岩石拉伸强度、静态岩石拉伸强度、载荷动态加载应变率之间的关系,具体表达形式如下:
所述步骤S2中建立动态岩石剪切强度、静态岩石剪切强度、载荷动态加载应变率之间的关系的具体方法为:通过分离式霍普金森压杆岩石力学实验机测得动态岩石剪切强度,将动态岩石剪切强度静态岩石剪切强度比值与载荷动态加载应变率进行分段拟合处理,最终建立动态岩石剪切强度、静态岩石剪切强度、载荷动态加载应变率之间的关系,具体表达形式如下:
式中,、、、、、、、为拟合系数,无量纲;为静态岩石单轴压缩强度,MPa;为静态岩石拉伸强度,MPa;为静态岩石剪切强度,MPa;动态岩石单轴压缩强度,MPa;为动态岩石拉伸强度,MPa;为动态岩石剪切强度,MPa;为载荷动态加载应变率,s-1;为载荷动态加载临界应变率,其单位为s-1;
进一步的,所述步骤S3中的布齿参数包括了钻齿的数量、每个钻齿的直径、每个钻齿的倾角、每个主切削齿所在位置到钻头轴心线的距离。
进一步的,所述步骤S3中计算局部破碎特征区井底岩石强度变化因子的具体方法为:将步骤S2中获得的动态岩石单轴压缩强度-静态岩石单轴压缩强度-载荷动态加载应变率之间的关系、动态岩石拉伸强度-静态岩石拉伸强度-载荷动态加载应变率之间的关系、动态岩石剪切强度-静态岩石剪切强度-载荷动态加载应变率之间的关系,通过分段拟合法获得每个主切削齿对应的井底岩石强度变化因子与钻头布齿参数之间的关系,具体表达式如下:
式中,、、、、、、、为钻头上第个切削齿对应的强度变化因子表达式的拟合系数,无量纲;为钻头上第个切削齿动态破岩过程动态单轴压缩强度,MPa;为钻头上第个切削齿动态破岩过程动态单轴压缩强度与静态单轴压缩强度的比值,简称压缩强度变化因子,无量纲;为钻头上第个切削齿动态破岩过程动态剪切强度,MPa;为钻头上第个切削齿动态破岩过程动态剪切强度与静态剪切强度的比值,简称剪切强度变化因子,无量纲;为钻头上第个切削齿动态破岩过程动态拉伸强度,MPa;为钻头上第个切削齿动态破岩过程动态拉伸强度与静态拉伸强度的比值,简称拉伸强度变化因子,无量纲;为静态岩石单轴压缩强度,MPa;为静态岩石拉伸强度,MPa;为静态岩石剪切强度,MPa;为钻头上第个切削齿的切削速度,m/s;为切削深度,mm;为钻齿后倾角,rad;为成屑-压实过渡角,rad;为载荷动态加载应变率,s-1;为载荷动态加载临界应变率,其单位为s-1。进一步的,所述步骤S3中局部破碎特征区强度模式因子的计算方法为:
局部破碎特征区为压缩破碎区时:
局部破碎特征区为剪切破碎区时:
局部破碎特征区为拉伸破碎区时:
局部破碎特征区为压缩-剪切破碎区时:
局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎区时:
局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎区时:
式中,为局部破碎特征区为压缩破碎时的强度模式因子,其单位为MPa;为局部破碎特征区为剪切破碎时的强度模式因子,其单位为MPa;为局部破碎特征区为拉伸破碎时的强度模式因子,其单位为MPa;为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时的强度模式因子,其单位为MPa;为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时的强度模式因子,其单位为MPa;为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时的强度模式因子,其单位为MPa;k为局部破碎特征区为压缩破碎时切削齿数量,取值为1,2,3…k,无量纲;l为局部破碎特征区为剪切破碎时切削齿数量,取值为1,2,3…l,无量纲;n为局部破碎特征区为拉伸破碎时切削齿数量,取值为1,2,3…n,无量纲;m为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时切削齿数量,取值为1,2,3…m,无量纲;j为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时切削齿数量,取值为1,2,3…j,无量纲;q为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时切削齿数量,取值为1,2,3…q,无量纲;为局部破碎特征区为压缩破碎时,第k个切削齿对应的动态岩石单轴压缩强度,其单位为MPa;为局部破碎特征区为剪切破碎时,第l个切削齿对应的动态岩石剪切强度,其单位为MPa;为局部破碎特征区为拉伸破碎时,第n个切削齿对应的动态岩石拉伸强度,其单位为MPa;为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时,第m个切削齿对应的动态岩石剪切强度,其单位为MPa; 为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时,第m个切削齿对应的动态岩石单轴压缩强度,其单位为MPa; 为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时,第j个切削齿对应的动态岩石剪切强度,其单位为MPa;为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时,第j个切削齿对应的动态岩石拉伸强度,其单位为MPa;为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时,第q个切削齿对应的动态岩石单轴压缩强度,其单位为MPa;为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时,第q个切削齿对应的动态岩石拉伸强度,其单位为MPa;为静态岩石单轴压缩强度,其单位为MPa;为静态岩石拉伸强度,其单位为MPa;为静态岩石剪切强度,其单位为MPa;为动态岩石单轴压缩强度,其单位为MPa;为动态岩石拉伸强度,其单位为MPa;为动态岩石剪切强度,其单位为MPa。
进一步的,所述钻齿参数为钻齿的倾角和空间位置;所述步骤S4中调整局部破碎特征区强度模式因子之间的差值为:
局部破碎特征区为压缩破碎区时:
局部破碎特征区为剪切破碎区时:
局部破碎特征区为拉伸破碎区时:
局部破碎特征区为压缩-剪切破碎区时:
局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎区时:
局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎区时:
式中,为局部破碎特征区为压缩破碎时强度模式因子之间的差值,无量纲;为局部破碎特征区为剪切破碎时强度模式因子之间的差值,无量纲;为局部破碎特征区为拉伸破碎时强度模式因子之间的差值,无量纲;为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时强度模式因子之间的差值,无量纲;为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时强度模式因子之间的差值,无量纲;为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时强度模式因子之间的差值,无量纲。
本发明的有益效果为:
本发明考虑基于局部变强度破岩原理,建立了一种钻头优化设计方法,本发明充分考虑钻头上每个对称组别的主切削齿所受的强度,首先将钻头整体上划分出局部破碎特征区;然后计算局部破碎特征区强度模式因子;其次获得局部破碎特征区强度模式因子之间的差值,获得钻头上同一组别切削齿对应的钻齿水平切削力矢量加和;最后将局部破碎特征区强度模式因子之间的差值作为钻头设计目标控制条件,该方法基于局部变强度破岩原理,将对称切削齿划分组别后将对称位置的强度变化因子调节平衡,钻头上不同对称位置的强度可以调整为不同,可以针对性的改变不同局部破碎特征区破岩强度,消除传统钻头各个主切削齿所受强度无法分区域调控导致的钻头失效,从而提高钻头破岩效率,延长使用时间,具有广阔应用前景。
附图说明
图1为本申请实施例中一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述,本发明的保护范围不局限于以下所述:
实施例1:
如图1所示,一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法,包括以下步骤:
步骤S1:选定钻头类型、刀翼数量、钻齿类型,根据钻头局部破碎特征区划分方法,将钻头整体上划分出局部破碎特征区,局部破碎特征区包括单一破碎区和混合破碎区;
步骤S1中钻头类型包括PDC钻头、PDC-牙轮复合钻头;刀翼数量包括4刀翼PDC钻头、5刀翼PDC钻头、6刀翼PDC钻头、4刀翼PDC-牙轮复合钻头、6刀翼PDC-牙轮复合钻头,其中4刀翼PDC-牙轮复合钻头为2刀翼牙轮+2刀翼PDC,6刀翼PDC-牙轮复合钻头包括2刀翼牙轮+4刀翼PDC、3刀翼牙轮+3刀翼PDC;钻齿类型包括平面切削齿和锥形切削齿。
步骤S1中钻头局部破碎特征区划分方法具体为:
将偶数刀翼PDC钻头对称刀翼分成一组别,每一组别刀翼同一类型钻齿划分为局部破碎特征区;将奇数刀翼PDC钻头同一类型钻齿划分为局部破碎特征区;将PDC-牙轮复合钻头的PDC刀翼划分为同一组别,牙轮刀翼划分为同一组别,每一组别同一类型钻齿划分为局部破碎特征区。
步骤S1中单一破碎区包括压缩破碎区、剪切破碎区、拉伸破碎区;混合破碎区分为压缩-剪切破碎区、剪切-拉伸破碎区、压缩-拉伸破碎区。
步骤S2:建立动态岩石单轴压缩强度、静态岩石单轴压缩强度、载荷动态加载应变率之间的关系;建立动态岩石拉伸强度、静态岩石拉伸强度、载荷动态加载应变率之间的关系;建立动态岩石剪切强度、静态岩石剪切强度、载荷动态加载应变率之间的关系;
步骤S2中建立动态岩石单轴压缩强度、静态岩石单轴压缩强度、载荷动态加载应变率之间的关系的具体方法为:通过分离式霍普金森压杆岩石力学实验机测得动态岩石单轴压缩强度,将动态岩石单轴压缩强度静态岩石单轴压缩强度比值与载荷动态加载应变率进行分段拟合处理,最终建立动态岩石单轴压缩强度、静态岩石单轴压缩强度、载荷动态加载应变率之间的关系,具体表达形式如下:
所述步骤S2中建立动态岩石拉伸强度、静态岩石拉伸强度、载荷动态加载应变率之间的关系的具体方法为:通过分离式霍普金森压杆岩石力学实验机测得动态岩石拉伸强度,将动态岩石拉伸强度静态岩石拉伸强度比值与载荷动态加载应变率进行分段拟合处理,最终建立动态岩石拉伸强度、静态岩石拉伸强度、载荷动态加载应变率之间的关系,具体表达形式如下:
所述步骤S2中建立动态岩石剪切强度、静态岩石剪切强度、载荷动态加载应变率之间的关系的具体方法为:通过分离式霍普金森压杆岩石力学实验机测得动态岩石剪切强度,将动态岩石剪切强度静态岩石剪切强度比值与载荷动态加载应变率进行分段拟合处理,最终建立动态岩石剪切强度、静态岩石剪切强度、载荷动态加载应变率之间的关系,具体表达形式如下:
式中,、、、、、、、为拟合系数,无量纲;为静态岩石单轴压缩强度,MPa;为静态岩石拉伸强度,MPa;为静态岩石剪切强度,MPa;动态岩石单轴压缩强度,MPa;为动态岩石拉伸强度,MPa;为动态岩石剪切强度,MPa;为载荷动态加载应变率,s-1;为载荷动态加载临界应变率,其单位为s-1;
步骤S3:根据钻头整体力学平衡条件,初步设计布齿参数,根据钻头的布齿参数和步骤S2建立的动态岩石单轴压缩强度、静态岩石单轴压缩强度、载荷动态加载应变率之间的关系;动态岩石拉伸强度、静态岩石拉伸强度、载荷动态加载应变率之间的关系;动态岩石剪切强度、静态岩石剪切强度、载荷动态加载应变率之间的关系,计算局部破碎特征区井底岩石强度变化因子和局部破碎特征区强度模式因子;
步骤S3中的布齿参数包括了钻齿的数量、每个钻齿的直径、每个钻齿的倾角、每个主切削齿所在位置到钻头轴心线的距离。
所述步骤S3中计算局部破碎特征区井底岩石强度变化因子的具体方法为:将步骤S2中获得的动态岩石单轴压缩强度-静态岩石单轴压缩强度-载荷动态加载应变率之间的关系、动态岩石拉伸强度-静态岩石拉伸强度-载荷动态加载应变率之间的关系、动态岩石剪切强度-静态岩石剪切强度-载荷动态加载应变率之间的关系,通过分段拟合法获得每个主切削齿对应的井底岩石强度变化因子与钻头布齿参数之间的关系,具体表达式如下:
式中,、、、、、、、为钻头上第个切削齿对应的强度变化因子表达式的拟合系数,无量纲;为钻头上第个切削齿动态破岩过程动态单轴压缩强度,MPa;为钻头上第个切削齿动态破岩过程动态单轴压缩强度与静态单轴压缩强度的比值,简称压缩强度变化因子,无量纲;为钻头上第个切削齿动态破岩过程动态剪切强度,MPa;为钻头上第个切削齿动态破岩过程动态剪切强度与静态剪切强度的比值,简称剪切强度变化因子,无量纲;为钻头上第个切削齿动态破岩过程动态拉伸强度,MPa;为钻头上第个切削齿动态破岩过程动态拉伸强度与静态拉伸强度的比值,简称拉伸强度变化因子,无量纲;为静态岩石单轴压缩强度,MPa;为静态岩石拉伸强度,MPa;为静态岩石剪切强度,MPa;为钻头上第个切削齿的切削速度,m/s;为切削深度,mm;为钻齿后倾角,rad;为成屑-压实过渡角,rad;为载荷动态加载应变率,s-1;为载荷动态加载临界应变率,其单位为s-1。
步骤S3中局部破碎特征区强度模式因子的计算方法为:
局部破碎特征区为压缩破碎区时:
局部破碎特征区为剪切破碎区时:
局部破碎特征区为拉伸破碎区时:
局部破碎特征区为压缩-剪切破碎区时:
局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎区时:
局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎区时:
式中,为局部破碎特征区为压缩破碎时的强度模式因子,其单位为MPa;为局部破碎特征区为剪切破碎时的强度模式因子,其单位为MPa;为局部破碎特征区为拉伸破碎时的强度模式因子,其单位为MPa;为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时的强度模式因子,其单位为MPa;为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时的强度模式因子,其单位为MPa;为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时的强度模式因子,其单位为MPa;k为局部破碎特征区为压缩破碎时切削齿数量,取值为1,2,3…k,无量纲;l为局部破碎特征区为剪切破碎时切削齿数量,取值为1,2,3…l,无量纲;n为局部破碎特征区为拉伸破碎时切削齿数量,取值为1,2,3…n,无量纲;m为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时切削齿数量,取值为1,2,3…m,无量纲;j为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时切削齿数量,取值为1,2,3…j,无量纲;q为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时切削齿数量,取值为1,2,3…q,无量纲;为局部破碎特征区为压缩破碎时,第k个切削齿对应的动态岩石单轴压缩强度,其单位为MPa;为局部破碎特征区为剪切破碎时,第l个切削齿对应的动态岩石剪切强度,其单位为MPa;为局部破碎特征区为拉伸破碎时,第n个切削齿对应的动态岩石拉伸强度,其单位为MPa;为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时,第m个切削齿对应的动态岩石剪切强度,其单位为MPa; 为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时,第m个切削齿对应的动态岩石单轴压缩强度,其单位为MPa; 为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时,第j个切削齿对应的动态岩石剪切强度,其单位为MPa;为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时,第j个切削齿对应的动态岩石拉伸强度,其单位为MPa;为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时,第q个切削齿对应的动态岩石单轴压缩强度,其单位为MPa;为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时,第q个切削齿对应的动态岩石拉伸强度,其单位为MPa;为静态岩石单轴压缩强度,其单位为MPa;为静态岩石拉伸强度,其单位为MPa;为静态岩石剪切强度,其单位为MPa;为动态岩石单轴压缩强度,其单位为MPa;为动态岩石拉伸强度,其单位为MPa;为动态岩石剪切强度,其单位为MPa。
步骤S4:通过调整钻齿参数,调控步骤S3中局部破碎特征区强度模式因子之间的差值,控制单一破碎区强度模式因子之间的差值在20%以内,控制混合破碎区强度模式因子之间的差值在25%以内;
钻齿参数为钻齿的倾角和空间位置;所述步骤S4中调整局部破碎特征区强度模式因子之间的差值为:
局部破碎特征区为压缩破碎区时:
局部破碎特征区为剪切破碎区时:
局部破碎特征区为拉伸破碎区时:
局部破碎特征区为压缩-剪切破碎区时:
局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎区时:
局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎区时:
式中,为局部破碎特征区为压缩破碎时强度模式因子之间的差值,无量纲;为局部破碎特征区为剪切破碎时强度模式因子之间的差值,无量纲;为局部破碎特征区为拉伸破碎时强度模式因子之间的差值,无量纲;为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时强度模式因子之间的差值,无量纲;为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时强度模式因子之间的差值,无量纲;为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时强度模式因子之间的差值,无量纲。
步骤S5:将步骤S4中获得的局部破碎特征区强度模式因子之间的差值作为钻头设计目标控制条件,如果满足钻头设计目标控制条件即完成了钻头设计;如果不满足钻头设计目标控制条件,继续调整钻头布置参数以满足钻头设计目标控制条件后完成钻头设计。
本发明公开了一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法,该方法包括,首先将钻头整体上划分出局部破碎特征区;然后计算局部破碎特征区强度模式因子;其次获得局部破碎特征区强度模式因子之间的差值,获得钻头上同一组别切削齿对应的钻齿水平切削力矢量加和;最后将局部破碎特征区强度模式因子之间的差值作为钻头设计目标控制条件,该方法基于局部变强度破岩原理,将对称切削齿划分组别后将对称位置的强度变化因子调节平衡,钻头上不同对称位置的强度可以调整为不同,可以针对性的改变不同局部破碎特征区破岩强度,消除传统钻头各个主切削齿所受强度无法分区域调控导致的钻头失效,从而提高钻头破岩效率,延长使用时间,具有广阔应用前景。
至此,本领域技术人员认识到,虽然本文已详尽展示和描述了本发明的实施例,但是,在不脱离本发明精神和范围的情况下,仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导符合本发明原理的许多其他变形或修改。因此,本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变形或修改。
Claims (10)
1.一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法,其特征在于,所述钻头设计方法包括以下步骤:
步骤S1:选定钻头类型、刀翼数量、钻齿类型,根据钻头局部破碎特征区划分方法,将钻头整体上划分出局部破碎特征区,局部破碎特征区包括单一破碎区和混合破碎区;
步骤S2:建立动态岩石单轴压缩强度、静态岩石单轴压缩强度、载荷动态加载应变率之间的关系;建立动态岩石拉伸强度、静态岩石拉伸强度、载荷动态加载应变率之间的关系;建立动态岩石剪切强度、静态岩石剪切强度、载荷动态加载应变率之间的关系;
步骤S3:根据钻头整体力学平衡条件,初步设计布齿参数,根据钻头的布齿参数和步骤S2建立的动态岩石单轴压缩强度、静态岩石单轴压缩强度、载荷动态加载应变率之间的关系;动态岩石拉伸强度、静态岩石拉伸强度、载荷动态加载应变率之间的关系;动态岩石剪切强度、静态岩石剪切强度、载荷动态加载应变率之间的关系,计算局部破碎特征区井底岩石强度变化因子和局部破碎特征区强度模式因子;
步骤S4:通过调整钻齿参数,调控步骤S3中局部破碎特征区强度模式因子之间的差值,控制单一破碎区强度模式因子之间的差值在20%以内,控制混合破碎区强度模式因子之间的差值在25%以内;
步骤S5:将步骤S4中获得的局部破碎特征区强度模式因子之间的差值作为钻头设计目标控制条件,如果满足钻头设计目标控制条件即完成了钻头设计;如果不满足钻头设计目标控制条件,继续调整钻头布置参数以满足钻头设计目标控制条件后完成钻头设计。
2.如权利要求1所述的一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法,其特征在于,所述步骤S1中钻头类型包括PDC钻头、PDC-牙轮复合钻头;刀翼数量包括4刀翼PDC钻头、5刀翼PDC钻头、6刀翼PDC钻头、4刀翼PDC-牙轮复合钻头、6刀翼PDC-牙轮复合钻头,其中4刀翼PDC-牙轮复合钻头为2刀翼牙轮+2刀翼PDC,6刀翼PDC-牙轮复合钻头包括2刀翼牙轮+4刀翼PDC、3刀翼牙轮+3刀翼PDC;钻齿类型包括平面切削齿和锥形切削齿。
3.如权利要求1所述的一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法,其特征在于,所述步骤S1中钻头局部破碎特征区划分方法具体为:
将偶数刀翼PDC钻头对称刀翼分成一组别,每一组别刀翼同一类型钻齿划分为局部破碎特征区;将奇数刀翼PDC钻头同一类型钻齿划分为局部破碎特征区;将PDC-牙轮复合钻头的PDC刀翼划分为同一组别,牙轮刀翼划分为同一组别,每一组别同一类型钻齿划分为局部破碎特征区。
4.如权利要求1所述的一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法,其特征在于,所述步骤S1中单一破碎区包括压缩破碎区、剪切破碎区、拉伸破碎区;混合破碎区分为压缩-剪切破碎区、剪切-拉伸破碎区、压缩-拉伸破碎区。
5.如权利要求1所述的一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法,其特征在于,所述步骤S2中建立动态岩石单轴压缩强度、静态岩石单轴压缩强度、载荷动态加载应变率之间的关系的具体方法为:通过分离式霍普金森压杆岩石力学实验机测得动态岩石单轴压缩强度,将动态岩石单轴压缩强度静态岩石单轴压缩强度比值与载荷动态加载应变率进行分段拟合处理,最终建立动态岩石单轴压缩强度、静态岩石单轴压缩强度、载荷动态加载应变率之间的关系,具体表达形式如下:
所述步骤S2中建立动态岩石拉伸强度、静态岩石拉伸强度、载荷动态加载应变率之间的关系的具体方法为:通过分离式霍普金森压杆岩石力学实验机测得动态岩石拉伸强度,将动态岩石拉伸强度静态岩石拉伸强度比值与载荷动态加载应变率进行分段拟合处理,最终建立动态岩石拉伸强度、静态岩石拉伸强度、载荷动态加载应变率之间的关系,具体表达形式如下:
所述步骤S2中建立动态岩石剪切强度、静态岩石剪切强度、载荷动态加载应变率之间的关系的具体方法为:通过分离式霍普金森压杆岩石力学实验机测得动态岩石剪切强度,将动态岩石剪切强度静态岩石剪切强度比值与载荷动态加载应变率进行分段拟合处理,最终建立动态岩石剪切强度、静态岩石剪切强度、载荷动态加载应变率之间的关系,具体表达形式如下:
7.如权利要求1所述的一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法,其特征在于,所述步骤S3中的布齿参数包括了钻齿的数量、每个钻齿的直径、每个钻齿的倾角、每个主切削齿所在位置到钻头轴心线的距离。
8.如权利要求1所述的一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法,其特征在于,所述步骤S3中计算局部破碎特征区井底岩石强度变化因子的具体方法为:将步骤S2中获得的动态岩石单轴压缩强度-静态岩石单轴压缩强度-载荷动态加载应变率之间的关系、动态岩石拉伸强度-静态岩石拉伸强度-载荷动态加载应变率之间的关系、动态岩石剪切强度-静态岩石剪切强度-载荷动态加载应变率之间的关系,通过分段拟合法获得每个主切削齿对应的井底岩石强度变化因子与钻头布齿参数之间的关系,具体表达式如下:
式中,、、、、、、、为钻头上第个切削齿对应的强度变化因子表达式的拟合系数,无量纲;为钻头上第个切削齿动态破岩过程动态单轴压缩强度,MPa;为钻头上第个切削齿动态破岩过程动态单轴压缩强度与静态单轴压缩强度的比值,简称压缩强度变化因子,无量纲;为钻头上第个切削齿动态破岩过程动态剪切强度,MPa;为钻头上第个切削齿动态破岩过程动态剪切强度与静态剪切强度的比值,简称剪切强度变化因子,无量纲;为钻头上第个切削齿动态破岩过程动态拉伸强度,MPa;为钻头上第个切削齿动态破岩过程动态拉伸强度与静态拉伸强度的比值,简称拉伸强度变化因子,无量纲;为静态岩石单轴压缩强度,MPa;为静态岩石拉伸强度,MPa;为静态岩石剪切强度,MPa;为钻头上第个切削齿的切削速度,m/s;为切削深度,mm;为钻齿后倾角,rad;为成屑-压实过渡角,rad;为为载荷动态加载应变率,s-1;为载荷动态加载临界应变率,其单位为s-1。
9.如权利要求1所述的一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法,其特征在于,所述步骤S3中局部破碎特征区强度模式因子的计算方法为:
局部破碎特征区为压缩破碎区时:
局部破碎特征区为剪切破碎区时:
局部破碎特征区为拉伸破碎区时:
局部破碎特征区为压缩-剪切破碎区时:
局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎区时:
局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎区时:
式中,为局部破碎特征区为压缩破碎时的强度模式因子,其单位为MPa;为局部破碎特征区为剪切破碎时的强度模式因子,其单位为MPa;为局部破碎特征区为拉伸破碎时的强度模式因子,其单位为MPa;为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时的强度模式因子,其单位为MPa;为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时的强度模式因子,其单位为MPa;为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时的强度模式因子,其单位为MPa;k为局部破碎特征区为压缩破碎时切削齿数量,取值为1,2,3…k,无量纲;l为局部破碎特征区为剪切破碎时切削齿数量,取值为1,2,3…l,无量纲;n为局部破碎特征区为拉伸破碎时切削齿数量,取值为1,2,3…n,无量纲;m为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时切削齿数量,取值为1,2,3…m,无量纲;j为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时切削齿数量,取值为1,2,3…j,无量纲;q为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时切削齿数量,取值为1,2,3…q,无量纲;为局部破碎特征区为压缩破碎时,第k个切削齿对应的动态岩石单轴压缩强度,其单位为MPa;为局部破碎特征区为剪切破碎时,第l个切削齿对应的动态岩石剪切强度,其单位为MPa;为局部破碎特征区为拉伸破碎时,第n个切削齿对应的动态岩石拉伸强度,其单位为MPa;为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时,第m个切削齿对应的动态岩石剪切强度,其单位为MPa; 为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时,第m个切削齿对应的动态岩石单轴压缩强度,其单位为MPa; 为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时,第j个切削齿对应的动态岩石剪切强度,其单位为MPa;为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时,第j个切削齿对应的动态岩石拉伸强度,其单位为MPa;为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时,第q个切削齿对应的动态岩石单轴压缩强度,其单位为MPa;为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时,第q个切削齿对应的动态岩石拉伸强度,其单位为MPa;为静态岩石单轴压缩强度,其单位为MPa;为静态岩石拉伸强度,其单位为MPa;为静态岩石剪切强度,其单位为MPa;为动态岩石单轴压缩强度,其单位为MPa;为动态岩石拉伸强度,其单位为MPa;为动态岩石剪切强度,其单位为MPa。
10.如权利要求1所述的一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法,其特征在于,所述钻齿参数为钻齿的倾角和空间位置;所述步骤S4中调整局部破碎特征区强度模式因子之间的差值为:
局部破碎特征区为压缩破碎区时:
局部破碎特征区为剪切破碎区时:
局部破碎特征区为拉伸破碎区时:
局部破碎特征区为压缩-剪切破碎区时:
局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎区时:
局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎区时:
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Kumar et al. | Development of a drill energy utilization index for aiding selection of drill machines in surface mines |
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Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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