[发明专利]一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法

说明书

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。

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、旋转导向系统、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、旋转导向系统、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。