本發(fā)明屬于石油天然氣鉆采，具體涉及一種基于塑-脆性轉(zhuǎn)變的pdc鉆頭布齒優(yōu)化設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、鉆頭在深層油氣勘探、開發(fā)領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用；其中，聚晶金剛石復(fù)合片(polycrystalline?diamond?compact，pdc)鉆頭憑借其高鉆速、長壽命和低成本等特點仍然是深層油氣開發(fā)中的主流破巖鉆進工具，其破巖效率直接決定了鉆井效率和鉆井成本。鉆井費用隨深度的增加呈指數(shù)上升，鉆井費用占深層油氣資源開發(fā)前期成本的50％～80％。特別當(dāng)深度超過5千米后，鉆頭的磨損和鉆進速率是影響鉆井費用的主要因素。因此，為提高深層、超深層油氣開采的經(jīng)濟性，亟需提高pdc鉆頭的破巖效率和pdc鉆頭的使用壽命。

2、pdc鉆頭的破巖效率與其破巖模式息息相關(guān)。已有研究表明隨著切削深度的增加，切削巖石時巖石的失效模式從塑性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈?。?dāng)切削深度較淺時，巖石發(fā)生塑性破壞，這伴隨著在切削齒下方和旁邊的塑性區(qū)的產(chǎn)生，產(chǎn)生的巖屑為粉末狀。相反，當(dāng)切削深度增加并超過一定值時發(fā)生脆性破壞，這時產(chǎn)生的巖屑多為塊狀巖屑。巖石破碎以脆性失效為主時切削單位體積的巖石所消耗的能量相對越少，更有利于破巖節(jié)能。因此，結(jié)合深層油氣地層的特點，研究pdc齒的塑-脆性轉(zhuǎn)變破巖機制及其破巖模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)計個性化pdc鉆頭，為提高深層、超深層油氣地層的破巖效率提供一種切實的思路。

3、目前，對于切削齒塑-脆性破巖的研究多側(cè)重于單齒切削破巖效率的評價以及巖石力學(xué)特性的快速測定，并未以pdc鉆頭的設(shè)計研發(fā)為導(dǎo)向建立起切削參數(shù)(切削傾角、切削面積等)與切削力或機械比能間的定量關(guān)系，因此，無法預(yù)測和評估pdc齒鉆頭的破巖效率，更無法有效指導(dǎo)pdc鉆頭的設(shè)計和鉆進參數(shù)的控制。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種pdc齒塑-脆性轉(zhuǎn)變破巖力學(xué)模型及其特征參數(shù)確定方法，該力學(xué)模型基于塑-脆性破巖機制建立了pdc齒的切削面積與切削力之間的關(guān)系以及切向力和法向力的關(guān)系；進而pdc齒鉆頭確定特征參數(shù)。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種基于塑-脆性轉(zhuǎn)變的pdc鉆頭布齒優(yōu)化設(shè)計方法，包括如下步驟：

4、步驟1：構(gòu)建pdc齒塑-脆性轉(zhuǎn)變破巖力學(xué)模型；

5、所述力學(xué)模型包括破巖比能-切削面積子模型和法向力-切向力子模型；

6、所述破巖比能-切削面積子模型為：

7、

8、式中，e為破巖比能-切削面積子模型，代表切向力ft和切削面積a的比值，即e＝ft/a；kd為塑性破碎斜率；bd為塑性破碎截距；kb為脆性破碎斜率；bb為脆性破碎截距；wd為塑-脆性轉(zhuǎn)變中塑性破碎比例因子，ad為臨界塑-脆性轉(zhuǎn)變面積下限；ab為臨界塑-脆性轉(zhuǎn)變面積上限；

9、所述法向力-切向力子模型為：s＝ke+b＝kft/a+b；

10、式中，s為法向力-切向力子模型，代表法向力fn和切削面積a的比值，即s＝fn/a；k為切向力-法向力對應(yīng)關(guān)系的斜率；b為切向力-法向力對應(yīng)關(guān)系的截距；

11、步驟2：確定所述pdc齒塑-脆性轉(zhuǎn)變破巖力學(xué)模型參數(shù)；

12、步驟2-1：通過單齒切削實驗獲得單齒的切削力和切削面積a，并將切削力按照方向分解為切向力ft和法向力fn，由s＝fn/a和e＝ft/a求得接觸應(yīng)力s和破巖比能e；

13、步驟2-2：根據(jù)接觸應(yīng)力s和破巖比能e繪制s-e散點圖，并擬合曲線，根據(jù)曲線求解出系數(shù)k和b；

14、步驟2-3：預(yù)設(shè)多個臨界塑-脆性轉(zhuǎn)變面積下限ad和上限ab，并擬合得出塑性破碎斜率kd和截距bd，以及脆性破碎斜率kb和截距bb；通過計算出wd，

15、步驟2-4：將步驟2-1到步驟2-3獲得參數(shù)代入步驟1中的破巖比能-切削面積子模型中計算出破碎比能試值e0；再根據(jù)法向力-切向力子模型計算出接觸應(yīng)力的試值s0；

16、步驟2-5：比較切削實驗所得的接觸應(yīng)力s和接觸應(yīng)力的試值s0的誤差er＝|s-s0|，誤差er達到預(yù)定范圍內(nèi)得到力學(xué)模型的所有參數(shù)；

17、步驟3：給定切削傾角和切削面積，根據(jù)確定參數(shù)后的pdc齒塑-脆性轉(zhuǎn)變破巖力學(xué)模型在pdc鉆頭的布齒設(shè)計時控制pdc齒的切削面積均大于ab；進而實現(xiàn)pdc鉆頭布齒優(yōu)化。

18、進一步地，步驟2-3中預(yù)設(shè)多個臨界塑-脆性轉(zhuǎn)變面積下限ad和上限ab是指：將切削面積分為三個區(qū)間，分別是：a<ad，ad≤a≤ab，a>ab；

19、在區(qū)間a<ad中繪制e-a-1散點圖，并對散點圖按公式e＝kda-1+bd擬合出塑性破碎斜率kd和截距bd；

20、在區(qū)間a>ad中繪制e-a-4/3散點圖，并對散點圖按公式e＝kba-4/3+bb擬合出脆性破碎斜率kb和截距bb。

21、進一步地，取誤差er＝|s-s0|時所對應(yīng)的ad和ab預(yù)設(shè)值及其對應(yīng)的擬合系數(shù)kd、bd、kb和bb值為所述力學(xué)模型的參數(shù)。

22、本發(fā)明通過構(gòu)建pdc齒塑-脆性轉(zhuǎn)變破巖力學(xué)模型，并通過實驗確定力學(xué)模型中參數(shù)，數(shù)據(jù)擬合，客觀性強；在pdc鉆頭的布齒設(shè)計過程中，給定切削傾角和切削面積，得到相應(yīng)的切削力(法向力和切向力)，完成pdc鉆頭布齒參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。同時利用所述力學(xué)模型得出的臨界塑-脆性轉(zhuǎn)變面積ad和ab，可在pdc鉆頭的布齒設(shè)計階段，控制pdc齒的切削面積均大于ab，從而達到利用塑-脆性破碎原理提高pdc鉆頭破巖效率的目的。

技術(shù)特征：

1.一種基于塑-脆性轉(zhuǎn)變的pdc鉆頭布齒優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于塑-脆性轉(zhuǎn)變的pdc鉆頭布齒優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，步驟2-3中預(yù)設(shè)多個臨界塑-脆性轉(zhuǎn)變面積下限ad和上限ab是指：將切削面積分為三個區(qū)間，分別是：a<ad，ad≤a≤ab，a>ab；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于塑-脆性轉(zhuǎn)變的pdc鉆頭布齒優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，取誤差er＝|s-s0|時所對應(yīng)的ad和ab預(yù)設(shè)值及其對應(yīng)的擬合系數(shù)kd、bd、kb和bb值為所述力學(xué)模型的參數(shù)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于塑?脆性轉(zhuǎn)變的PDC鉆頭布齒優(yōu)化設(shè)計方法，包括如下步驟：步驟1：構(gòu)建PDC齒塑?脆性轉(zhuǎn)變破巖力學(xué)模型；所述力學(xué)模型包括破巖比能?切削面積子模型和法向力?切向力子模型；步驟2：所述PDC齒塑?脆性轉(zhuǎn)變破巖力學(xué)模型參數(shù)；步驟3：給定切削傾角和切削面積，根據(jù)確定參數(shù)后的PDC齒塑?脆性轉(zhuǎn)變破巖力學(xué)模型在PDC鉆頭的布齒設(shè)計時控制PDC齒的切削面積均大于A<subgt;b</subgt;。通過力學(xué)模型能在PDC鉆頭的布齒設(shè)計過程中，給定切削傾角和切削面積，得到相應(yīng)的切削力，完成PDC鉆頭布齒參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。同時利用該模型得出的臨界塑?脆性轉(zhuǎn)變面積A<subgt;d</subgt;和A<subgt;b</subgt;，可在PDC鉆頭的布齒設(shè)計階段，控制PDC齒的切削面積均大于A<subgt;b</subgt;，從而達到利用塑?脆性破碎原理提高PDC鉆頭破巖效率的目的。

技術(shù)研發(fā)人員：羅云旭,楊應(yīng)林,趙哲,彭歡,劉偉吉,祝效華,周鑫
受保護的技術(shù)使用者：四川輕化工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21