基于井底形状的PDC钻头切削力学模型研究

The cutting mechanics of the PDC bit is the basis of bit dynamics research. The shape of bottom hole, which determines the rock stress state at different area of the bottom hole and influences the rock fracture stress distribution at the bottom hole, is an indispensable element for the study of bit dynamics. Innovatively starting from the analysis of the relationship between bottom hole shape and rock stress state in different area of the bottom hole, the research studies the law of rock breaking stress at different area of the bottom hole. On the basis of the study of the characterization parameters of three typical bottom hole shapes, the mathematical expressions of the general bottom hole shape are obtained. Aimed at three typical bottom hole shapes with different rock properties, drilling parameters and cutting teeth composite structures, rock breaking process are carried by the method of combination the experiment and numerical simulation. Then the data of rock breaking stress at different parts of the bottom hole are obtained, and a mathematical model of rock breaking stress at different parts of bottom hole and bottom hole. The Cutting mechanics model of PDC Bit are established to build the computing model of the specific energy per unit length. Finally, the bit design theory and method aiming at minimum of specific energy per unit length is preliminarily formed. This research will help to expand the ideas on the optimization of the bit design theory, and promote the development of research on bit dynamics and rock breaking theory.

PDC钻头切削力学模型研究是钻头动力学研究的基础。井底形状决定了井底不同部位岩石的应力状态，影响井底岩石破碎应力分布，是PDC钻头切削力学模型研究的关键因素。本课题创新性地从井底形状与井底不同部位岩石破碎应力关系的分析入手，研究井底岩石破碎应力的分布规律。拟在三种典型井底形状表征参数研究的基础上，得到一般井底形状的数学表达式；针对三种典型井底形状，分别不同岩石性能、钻井参数、切削齿组合结构，采用PDC钻头切削齿破岩实验与破岩过程数值模拟相结合的方法进行破岩过程研究，获取井底不同部位岩石破碎应力的数据，得出井底形状与井底不同部位破岩应力的数学模型，给出PDC钻头切削力学模型；进而得出钻头单位进尺破碎功计算模型，初步形成以单位进尺破岩功最低为目标的钻头设计理论与方法。课题研究将有助于拓展钻头优化设计理论研究的思路，推动钻头动力学及破岩理论研究的发展。

PDC钻头切削力学模型研究是PDC钻头结构参数优化设计的基础。本项目在阐明井底形状影响井底岩石应力状态的基础上，以实验与数值模拟相结合的方法研究得出了井底形状与井底破岩应力分布的关系规律，建立了PDC钻头切削力学模型。进而基于PDC钻头动力学分析，建立了PDC钻头单位进尺破碎功计算模型，并以单位进尺破岩能耗最低为目标，给出了PDC钻头结构参数优化设计方法。主要工作与创新成果为：.1.研究得到了井底形状与井底破岩应力的分布规律.将井底形状简化为以平面曲线为母线的旋转曲面，采用微线段积分拟合井底形状、直线微分单元曲率反映井底不同部位应力状态的方法，得出了井底形状与井底应力分布关系的数学模型。创新性的提出以柱状体岩样拟合复杂井底形状的研究方法，进而通过实验与数值模拟相结合的方法，获取了不同岩性、钻井规程、井底形状参数下的岩石破碎应力，得到了井底形状与破岩应力的分布规律。.2.建立了PDC钻头切削力学模型.基于井底破岩应力分布规律研究，以切削截面破岩应力为函数，建立了井底形状曲率与破岩应力关系的数学模型。进而将井底不同部位的破岩应力定义为岩石的可破碎强度，以岩石可破碎强度为变量，通过数据回归，得出了基于井底形状的PDC钻头切削力学模型。.3.建立了PDC钻头重叠切削齿每转吃入量计算模型.在阐明钻头切削单元运动形式为不等距多线螺旋运动的基础上，分析了影响切削齿不等距螺旋运动的钻头结构参数，提出以螺旋运动导程、切削齿重叠系数、重叠切削齿分布角度三个参数表征切削齿多线不等距螺旋运动，建立了PDC钻头重叠切削齿每转吃入量计算模型。.4.建立了PDC钻头单位进尺破岩功的计算模型.基于PDC钻头微切削单元动力学分析，建立了PDC钻头单位进尺破岩功的计算模型。并以单位进尺破岩能耗最低为目标，得出了不同岩性条件下的最优井底形状。结合钻头结构与井底岩粉清洁条件，将最优井底形状镜像得到PDC钻头冠部形状优化参数，并给出了PDC钻头结构参数优化设计方法。