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(jì)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(zhǎng)壽命和低成本等特點(diǎn)仍然是深層油氣開發(fā)中的主流破巖鉆進(jìn)工具，其破巖效率直接決定了鉆井效率和鉆井成本。鉆井費(fèi)用隨深度的增加呈指數(shù)上升，鉆井費(fèi)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(jìn)速率是影響鉆井費(fèi)用的主要因素。因此，為提高深層、超深層油氣開采的經(jīng)濟(jì)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(shí)巖石的失效模式從塑性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈?。?dāng)切削深度較淺時(shí)，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(shí)發(fā)生脆性破壞，這時(shí)產(chǎn)生的巖屑多為塊狀巖屑。巖石破碎以脆性失效為主時(shí)切削單位體積的巖石所消耗的能量相對(duì)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(diǎn)，研究pdc齒的塑-脆性轉(zhuǎn)變破巖機(jī)制及其破巖模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)個(gè)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(shí)的思路。

3、目前，對(duì)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(píng)價(jià)以及巖石力學(xué)特性的快速測(cè)定，并未以pdc鉆頭的設(shè)計(jì)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(jī)械比能間的定量關(guān)系，因此，無法預(yù)測(cè)和評(píng)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(jì)和鉆進(jìn)參數(shù)的控制。

技術(shù)實(shí)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(jī)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(jìn)而pdc齒鉆頭確定特征參數(shù)。

2、為實(shí)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(jì)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(duì)應(yīng)關(guān)系的斜率；b為切向力-法向力對(duì)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(gè)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(jì)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(jì)算出破碎比能試值e0；再根據(jù)法向力-切向力子模型計(jì)算出接觸應(yīng)力的試值s0；

16、步驟2-5：比較切削實(shí)驗(yàn)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(dá)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(jì)時(shí)控制pdc齒的切削面積均大于ab；進(jìn)而實(shí)現(xiàn)pdc鉆頭布齒優(yōu)化。

18、進(jìn)一步地，步驟2-3中預(yù)設(shè)多個(gè)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(gè)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(diǎn)圖，并對(duì)散點(diǎn)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(diǎn)圖，并對(duì)散點(diǎn)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(jìn)一步地，取誤差er＝|s-s0|時(shí)所對(duì)應(yīng)的ad和ab預(yù)設(shè)值及其對(duì)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(shí)驗(yàn)確定力學(xué)模型中參數(shù)，數(shù)據(jù)擬合，客觀性強(qiáng)；在pdc鉆頭的布齒設(shè)計(jì)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(jì)。同時(shí)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(jì)階段，控制pdc齒的切削面積均大于ab，從而達(dá)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(jì)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(jì)方法，其特征在于，步驟2-3中預(yù)設(shè)多個(gè)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(gè)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(jì)方法，其特征在于，取誤差er＝|s-s0|時(shí)所對(duì)應(yīng)的ad和ab預(yù)設(shè)值及其對(duì)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(jì)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(jì)時(shí)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(jì)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(jì)。同時(shí)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(jì)階段，控制PDC齒的切削面積均大于A<subgt;b</subgt;，從而達(dá)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(hù)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