【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于石油天然气钻采，具体涉及一种基于塑-脆性转变的pdc钻头布齿优化设计方法。
技术介绍
1、钻头在深层油气勘探、开发领域起着至关重要的作用；其中，聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact，pdc)钻头凭借其高钻速、长寿命和低成本等特点仍然是深层油气开发中的主流破岩钻进工具，其破岩效率直接决定了钻井效率和钻井成本。钻井费用随深度的增加呈指数上升，钻井费用占深层油气资源开发前期成本的50％～80％。特别当深度超过5千米后，钻头的磨损和钻进速率是影响钻井费用的主要因素。因此，为提高深层、超深层油气开采的经济性，亟需提高pdc钻头的破岩效率和pdc钻头的使用寿命。
2、pdc钻头的破岩效率与其破岩模式息息相关。已有研究表明随着切削深度的增加，切削岩石时岩石的失效模式从塑性转变为脆性。当切削深度较浅时，岩石发生塑性破坏，这伴随着在切削齿下方和旁边的塑性区的产生，产生的岩屑为粉末状。相反，当切削深度增加并超过一定值时发生脆性破坏，这时产生的岩屑多为块状岩屑。岩石破碎以脆性失效为主时切削单位体积的岩石所消耗的能量相对越少，更有利于破岩节能。因此，结合深层油气地层的特点，研究pdc齿的塑-脆性转变破岩机制及其破岩模型，在此基础上设计个性化pdc钻头，为提高深层、超深层油气地层的破岩效率提供一种切实的思路。
3、目前，对于切削齿塑-脆性破岩的研究多侧重于单齿切削破岩效率的评价以及岩石力学特性的快速测定，并未以pdc钻头的设计研发为导向建立起切削参数(切削倾角、切削面积等)
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种pdc齿塑-脆性转变破岩力学模型及其特征参数确定方法，该力学模型基于塑-脆性破岩机制建立了pdc齿的切削面积与切削力之间的关系以及切向力和法向力的关系；进而pdc齿钻头确定特征参数。
2、为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种基于塑-脆性转变的pdc钻头布齿优化设计方法，包括如下步骤：
4、步骤1：构建pdc齿塑-脆性转变破岩力学模型；
5、所述力学模型包括破岩比能-切削面积子模型和法向力-切向力子模型；
6、所述破岩比能-切削面积子模型为：
7、
8、式中，e为破岩比能-切削面积子模型，代表切向力ft和切削面积a的比值，即e＝ft/a；kd为塑性破碎斜率；bd为塑性破碎截距；kb为脆性破碎斜率；bb为脆性破碎截距；wd为塑-脆性转变中塑性破碎比例因子，ad为临界塑-脆性转变面积下限；ab为临界塑-脆性转变面积上限；
9、所述法向力-切向力子模型为：s＝ke+b＝kft/a+b；
10、式中，s为法向力-切向力子模型，代表法向力fn和切削面积a的比值，即s＝fn/a；k为切向力-法向力对应关系的斜率；b为切向力-法向力对应关系的截距；
11、步骤2：确定所述pdc齿塑-脆性转变破岩力学模型参数；
12、步骤2-1：通过单齿切削实验获得单齿的切削力和切削面积a，并将切削力按照方向分解为切向力ft和法向力fn，由s＝fn/a和e＝ft/a求得接触应力s和破岩比能e；
13、步骤2-2：根据接触应力s和破岩比能e绘制s-e散点图，并拟合曲线，根据曲线求解出系数k和b；
14、步骤2-3：预设多个临界塑-脆性转变面积下限ad和上限ab，并拟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；通过计算出wd，
15、步骤2-4：将步骤2-1到步骤2-3获得参数代入步骤1中的破岩比能-切削面积子模型中计算出破碎比能试值e0；再根据法向力-切向力子模型计算出接触应力的试值s0；
16、步骤2-5：比较切削实验所得的接触应力s和接触应力的试值s0的误差er＝|s-s0|，误差er达到预定范围内得到力学模型的所有参数；
17、步骤3：给定切削倾角和切削面积，根据确定参数后的pdc齿塑-脆性转变破岩力学模型在pdc钻头的布齿设计时控制pdc齿的切削面积均大于ab；进而实现pdc钻头布齿优化。
18、进一步地，步骤2-3中预设多个临界塑-脆性转变面积下限ad和上限ab是指：将切削面积分为三个区间，分别是：a<ad，ad≤a≤ab，a>ab；
19、在区间a<ad中绘制e-a-1散点图，并对散点图按公式e＝kda-1+bd拟合出塑性破碎斜率kd和截距bd；
20、在区间a>ad中绘制e-a-4/3散点图，并对散点图按公式e＝kba-4/3+bb拟合出脆性破碎斜率kb和截距bb。
21、进一步地，取误差er＝|s-s0|时所对应的ad和ab预设值及其对应的拟合系数kd、bd、kb和bb值为所述力学模型的参数。
22、本专利技术通过构建pdc齿塑-脆性转变破岩力学模型，并通过实验确定力学模型中参数，数据拟合，客观性强；在pdc钻头的布齿设计过程中，给定切削倾角和切削面积，得到相应的切削力(法向力和切向力)，完成pdc钻头布齿参数的优化设计。同时利用所述力学模型得出的临界塑-脆性转变面积ad和ab，可在pdc钻头的布齿设计阶段，控制pdc齿的切削面积均大于ab，从而达到利用塑-脆性破碎原理提高pdc钻头破岩效率的目的。
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1.一种基于塑-脆性转变的PDC钻头布齿优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于塑-脆性转变的PDC钻头布齿优化设计方法，其特征在于，步骤2-3中预设多个临界塑-脆性转变面积下限Ad和上限Ab是指：将切削面积分为三个区间，分别是：A<Ad，Ad≤A≤Ab，A>Ab；
3.根据权利要求2所述的基于塑-脆性转变的PDC钻头布齿优化设计方法，其特征在于，取误差er＝|S-s0|时所对应的Ad和Ab预设值及其对应的拟合系数Kd、Bd、Kb和Bb值为所述力学模型的参数。
【技术特征摘要】
1.一种基于塑-脆性转变的pdc钻头布齿优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于塑-脆性转变的pdc钻头布齿优化设计方法，其特征在于，步骤2-3中预设多个临界塑-脆性转变面积下限ad和上限ab是指：将切削面积分为三个区间，分...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗云旭，杨应林，赵哲，彭欢，刘伟吉，祝效华，周鑫，
申请(专利权)人：四川轻化工大学，
类型：发明
国别省市：
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