[发明专利]考虑岩石动态强度和混合破碎模式的钻齿力学计算方法

说明书

本发明公开了考虑岩石动态强度和混合破碎模式的钻齿力学计算方法，该计算方法包括：首先，选定目标钻齿和岩石，确定目标钻齿的类型、钻齿的几何尺寸、岩石类型、岩石参数；然后，通过钻齿水平切削力学计算方法计算钻齿的水平切削力；而后，通过钻齿垂直压入力学计算方法计算钻齿的垂直压入力；最后，通过钻齿的合力计算方法计算钻齿所受到的合力。本发明公开了一种考虑岩石动态强度和混合破碎模式的钻齿力学计算流程，提供了一种能够准确快速的获得不同工况下的钻齿力学的计算方法，为钻头设计与研发、钻井工程参数优化、工具优化或优选，提速降本增效提供重要指导和支撑作用，具有广阔应用前景。

技术领域

本发明涉及油气井工程领域，特别是考虑岩石动态强度和混合破碎模式的钻齿力学计算方法。

背景技术

在深部钻探领域，钻头破碎岩石在提高钻井速度及岩石开挖效率方面起到至关重要的作用。而岩石破碎过程中，钻头-岩石互作用钻齿力学一直是核心热点问题，钻头-岩石互作用下，钻齿力学可以为钻头设计、工具优选、新工具研发、提高机械钻速提供有意义的指导。

钻齿破碎岩石是一个很复杂的过程，钻齿受力计算方法分成两大类，一类是数值模拟手段，主要包括有限元方法、有限差分法、离散元法、数字仿真法等，但是数值解计算速度慢于解析解。解析解算法主要包括以下几种，①基于拉伸破碎理论，建立的经典楔形钻齿-岩石互作用力学解析解模型；②考虑剪切破坏理论、切削齿与岩石的摩擦力、岩石孔隙压力，建立了切削齿-岩石互作用解析模型；③考虑钻齿破碎力是通过密实核传递，建立了楔形齿侵入力学模型；④基于切削实验观测，考虑压实核和拉伸破坏模式，建立了钻齿-岩石互作用力学模型。

不难发现，钻齿破碎岩石一种复杂受力过程，包括了拉伸破坏、压缩破坏、剪切破坏，而且钻齿破岩过程，岩石受到的是动态载荷，岩石在不同动载作用下岩石强度会产生变化，然而上述关于钻齿-岩石互作用力学模型和计算方法主要考虑的是单一破坏模式、单一破碎强度模式、静态或准静态强度力学理论，未综合考虑切削速度、动态强度和混合破碎模式，并不能考虑真实的钻齿破岩动态受力特点。目前，考虑岩石动态强度、混合破碎模式、钻齿运动速度、钻齿形状和岩石应变率的钻齿力学计算方法鲜有涉及。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供考虑岩石动态强度和混合破碎模式的钻齿力学计算方法。该计算方法包括：首先，选定目标钻齿和岩石，确定目标钻齿的类型、钻齿的几何尺寸、岩石类型、岩石参数；然后，通过钻齿水平切削力学计算方法计算钻齿的水平切削力；而后，通过钻齿垂直压入力学计算方法计算钻齿的垂直压入力；最后，通过钻齿的合力计算方法计算钻齿所受到的合力。提供了一种能够准确快速的获得不同工况下的钻齿力学的计算方法。

为了实现上述发明目的，采用如下技术方案：

考虑岩石动态强度和混合破碎模式的钻齿力学计算方法，其特征在于，所述钻齿力学计算方法包括以下步骤：

步骤S1：选定目标钻齿和岩石，确定目标钻齿的类型、钻齿的几何尺寸、岩石类型、岩石参数；

步骤S2：通过钻齿水平切削力学计算方法计算钻齿的水平切削力；

步骤S3：通过钻齿垂直压入力学计算方法计算钻齿的垂直压入力；

步骤S4：通过钻齿的合力计算方法计算钻齿所受到的合力。

所述步骤S1中，目标钻齿的类型包括了圆柱形钻齿、楔形钻齿；钻齿的几何尺寸包括圆柱形钻齿的直径、圆柱形钻齿的高度、楔形钻齿高度、楔形钻齿的楔角；岩石参数包括岩石静态单轴压缩强度、静态岩石拉伸强度、静态岩石剪切强度、岩石内摩擦角、动态岩石单轴压缩强度、动态岩石拉伸强度、动态岩石剪切强度。

所述步骤S2中，钻齿水平切削力学计算方法根据以下公式确定：

其中，

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