[发明专利]一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法

权利要求书

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。