一种基于动态破岩能量平衡适配原理的钻头设计方法

摘要

本发明公开了一种基于动态破岩能量平衡适配原理的钻头设计方法，方法包括，首先通过力学计算获得每个主切削齿总破岩能量；然后获得每个主切削齿对应钻齿破岩特征能量因子及其取值范围，获得的每个主切削齿对应钻齿破岩特征能量因子之间的差值；其次获得每个主切削齿对应钻齿水平切削力矢量加和、每个主切削齿对应钻齿的合力矢量加和；最后将钻齿破岩特征能量因子取值范围及差值，钻齿水平切削力矢量加和、合力矢量加和作为设计标准完成钻头设计，此设计方法基于等能量破岩原理，将每个主切削齿能量调整为相等，消除传统钻头各主切削齿所受能量不同导致的钻头损坏，提高钻头破岩效率，延长钻头使用时间，具有广阔应用前景。

权利要求

1.一种基于动态破岩能量平衡适配原理的钻头设计方法，其特征在于，所述钻头设计方法包括以下步骤：

步骤S1：选定目标钻齿和岩石，确定目标钻齿的类型、钻齿的几何尺寸、岩石类型、岩石参数；通过钻齿水平切削力学计算方法计算每个主切削齿对应的钻齿水平切削力；通过钻齿垂直压入力学计算方法计算每个主切削齿对应的钻齿垂直压入力；

步骤S2：利用步骤S1中获得的每个主切削齿对应的钻齿水平切削力和每个主切削齿对应的钻齿垂直压入力，根据钻齿破岩能量计算方法，获得每个主切削齿的破岩能量，并计算每个主切削齿的总破岩能量；

步骤S3：利用步骤S2中获得的每个主切削齿的总破岩能量，通过钻齿破岩特征能量因子计算方法，获得每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子；

步骤S4：通过调整钻头布置参数，调控步骤S3中获得的每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子之间的差值，通过钻齿破岩特征能量因子临界表征条件，获得每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子取值范围；

步骤S5：将钻头上的每个主切削齿对应的钻齿水平切削力矢量进行加和、钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量进行加和；

步骤S6：将步骤S4中获得的每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子之间的差值，每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子取值范围，步骤S5中获得的每个主切削齿对应的钻齿水平切削力矢量加和、钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和共同作为钻头设计标准，如果满足设计标准即完成了钻头设计；如果不满足钻头设计标准时，继续调整钻头布置参数以满足钻头设计标准后完成钻头设计。

2.如权利要求1所述的一种基于动态破岩能量平衡适配原理的钻头设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述根据钻齿破岩能量计算方法，获得每个主切削齿贡献的破岩能量，并计算每个主切削齿贡献的总破岩能量的具体方法为：；

；

；

式中， 为钻头上第 个主切削齿破岩过程水平切削力贡献的能量，J； 为钻头上第个主切削齿破岩过程水平切削力，N； 为钻头上第 个主切削齿的切削速度，m/s； 为钻头上第 个主切削齿破岩过程垂直压入力贡献的能量，J； 为钻头上第 个主切削齿破岩过程垂直压入力，N； 为钻头上第 个主切削齿破岩过程钻齿力贡献总能量，J； 为主切削齿运行时间，s；为主切削齿切削深度，mm。

3.如权利要求2所述的一种基于动态破岩能量平衡适配原理的钻头设计方法，其特征在于，所述钻头上第 个主切削齿的切削速度 的表达式为：式中，为钻头上第 个主切削齿所在位置到钻头轴心线的距离，其单位为m； 为切削齿在钻头上的转速，其单位为r/min； 为钻头上第 个切削齿的切削速度，其单位为m/s。

4.如权利要求1所述的一种基于动态破岩能量平衡适配原理的钻头设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子包括压缩破岩过程特征能量表征因子，剪切破岩过程特征能量表征因子，拉伸破岩过程特征能量表征因子。

5.如权利要求1所述的一种基于动态破岩能量平衡适配原理的钻头设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述通过钻齿破岩特征能量因子计算方法，获得每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子的具体方法为：；

；

；

式中， 为钻头上第 个主切削齿压缩破岩过程特征能量表征因子，无量纲； 为钻头上第 个主切削齿剪切破岩过程特征能量表征因子，无量纲； 为钻头上第 个主切削齿拉伸破岩过程特征能量表征因子，无量纲； 为钻头上第 个主切削齿动态破岩过程动态单轴压缩强度，MPa； 为钻头上第 个主切削齿动态破岩过程动态剪切强度，MPa；

为钻头上第 个主切削齿动态破岩过程动态拉伸强度，MPa； 为主切削齿侵入等效宽度，mm；为主切削齿切削深度，mm； 为钻头上第 个切削齿的切削速度，m/s； 为主切削齿运行时间，s； 为钻头上第 个主切削齿破岩过程钻齿力贡献总能量，J。

6.如权利要求1所述的一种基于动态破岩能量平衡适配原理的钻头设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述通过调整钻头布置参数，将每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子之间的差值调控到一定范围内的方法为：；

；

；

式中， 为每个主切削齿对应的钻齿压缩破岩过程特征能量表征因子之间的差值，无量纲； 为每个主切削齿对应的钻齿剪切破岩过程特征能量表征因子之间的差值，无量纲； 为每个主切削齿对应的钻齿拉伸破岩过程特征能量表征因子之间的差值，无量纲； 为钻头上第 个主切削齿动态破岩过程动态单轴压缩强度，MPa； 为钻头上第 个主切削齿动态破岩过程动态剪切强度，MPa； 为钻头上第 个主切削齿动态破岩过程动态拉伸强度，MPa； 为主切削齿侵入等效宽度，mm；为主切削齿切削深度，mm； 为钻头上第 个切削齿的切削速度，m/s； 为主切削齿运行时间，s； 为钻头上第 个主切削齿破岩过程钻齿力贡献总能量，J。

7.如权利要求6所述的一种基于动态破岩能量平衡适配原理的钻头设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述钻头布置参数包括了钻齿的数量、每个钻齿的直径、每个钻齿的倾角、每个主切削齿所在位置到钻头轴心线的距离；所述 、 、 都应小于等于20%。

8.如权利要求1所述的一种基于动态破岩能量平衡适配原理的钻头设计方法，其特征在于，所述步骤S4中通过钻齿破岩特征能量因子临界表征条件，获得每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子取值范围为大于等于52%。

9.如权利要求1所述的一种基于动态破岩能量平衡适配原理的钻头设计方法，其特征在于，所述步骤S5中将钻头上的每个主切削齿对应的钻齿水平切削力矢量加和为0、钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和为0，具体方法为：；

；

式中， 为钻头上的每个主切削齿对应的钻齿水平切削力矢量和，无量纲； 为钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量和，无量纲； 为第 个主切削齿对应的钻齿水平切削力矢量； 为第 个主切削齿对应的钻齿合力矢量；m为第m个方向。

10.如权利要求1所述的一种基于动态破岩能量平衡适配原理的钻头设计方法，其特征在于，所述步骤S6中如果调整布置参数无法满足钻头设计标准，则根据钻齿的主导破岩模式，采取单向钻头设计条件完成钻头设计，具体方法为：当钻齿以压缩和剪切复合破碎为主时，将同时满足 ， ，， ， 条件作为钻头设计标准；

当钻齿以剪切和拉伸复合破碎为主时，将同时满足 ， ，， ， 条件作为钻头设计标准；

当钻齿以拉伸和压缩复合破碎为主时，将同时满足 ， ，， ， 条件作为钻头设计标准；

当钻齿以压缩破碎为主时，将同时满足 ， ， ，条件作为钻头设计标准；

当钻齿以剪切破碎为主时，将同时满足 ， ， ，条件作为钻头设计标准；

当钻齿以拉伸破碎为主时，将同时满足 ， ， ，条件作为钻头设计标准；

其中， 为每个主切削齿对应的钻齿压缩破岩过程特征能量表征因子之间的差值，无量纲； 为每个主切削齿对应的钻齿剪切破岩过程特征能量表征因子之间的差值，无量纲； 为每个主切削齿对应的钻齿拉伸破岩过程特征能量表征因子之间的差值，无量纲； 为钻头上的每个主切削齿对应的钻齿水平切削力矢量和，无量纲；

为钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量和，无量纲； 为钻头上第 个主切削齿压缩破岩过程特征能量表征因子，无量纲； 为钻头上第 个主切削齿剪切破岩过程特征能量表征因子，无量纲； 为钻头上第 个主切削齿拉伸破岩过程特征能量表征因子，无量纲。

说明书

一种基于动态破岩能量平衡适配原理的钻头设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及钻头的优化设计领域，特别是一种基于动态破岩能量平衡适配原理的钻头设计方法。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 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
‑1
动载应变率超100s ；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
‑1
350Hz，最高振幅超100g，综合最大动载应变率超150s 。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
‑1
大动载应变率超100s ；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
‑1
350Hz，最高振幅超100g，综合最大动载应变率超150s 。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。

[0004] 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，忽略了地层岩石性质变
化对钻头工作状态的影响，因而所设计的钻头性能很难有大的突破，且传统钻头在钻遇地
层时，其钻头上的每个主切削齿所受能量均不同，无法进行有效调整，从而导致了钻头上的
每个主切削齿磨损程度不同，钻头容易损坏，且破岩效率较低。

[0005] 因此，需要考虑基于相等能量破岩原理，建立了一种钻头优化设计方法，充分考虑钻头上每个主切削齿所受的能量，通过计算每个主切削齿总破岩能量，将每个主切削齿对
应的钻齿破岩特征能量因子取值范围及差值设置在合理范围，并将每个主切削齿对应水平
切削力矢量加和为0、合力矢量加和为0，即将每个主切削齿能量调整为相等，传统钻头在钻
遇地层时，其钻头上的每个主切削齿所受能量均不同，无法进行有效调整，从而导致了钻头
上的每个主切削齿磨损程度不同，钻头容易损坏，且破岩效率较低，本发明提供的基于相等
能量破岩原理的钻头设计方法，通过参数调整将每个主切削齿能量调整为相等，消除传统
钻头各个主切削齿所受能量不同导致的钻头损坏，提高钻头破岩效率，延长钻头使用时间，
具有广阔应用前景。

发明内容

[0006] 为实现以上技术效果，采用如下技术方案：

[0007] 一种基于动态破岩能量平衡适配原理的钻头设计方法，所述钻头设计方法包括以下步骤：

[0008] 步骤S1：选定目标钻齿和岩石，确定目标钻齿的类型、钻齿的几何尺寸、岩石类型、岩石参数；通过钻齿水平切削力学计算方法计算每个主切削齿对应的钻齿水平切削力；通
过钻齿垂直压入力学计算方法计算每个主切削齿对应的钻齿垂直压入力；

[0009] 步骤S2：利用步骤S1中获得的每个主切削齿对应的钻齿水平切削力和每个主切削齿对应的钻齿垂直压入力，根据钻齿破岩能量计算方法，获得每个主切削齿的破岩能量，并
计算每个主切削齿的总破岩能量；

[0010] 步骤S3：利用步骤S2中获得的每个主切削齿的总破岩能量，通过钻齿破岩特征能量因子计算方法，获得每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子；

[0011] 步骤S4：通过调整钻头布置参数，调控步骤S3中获得的每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子之间的差值，通过钻齿破岩特征能量因子临界表征条件，获得每个主切
削齿对应的钻齿破岩特征能量因子取值范围；

[0012] 步骤S5：将钻头上的每个主切削齿对应的钻齿水平切削力矢量进行加和、钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量进行加和；

[0013] 步骤S6：将步骤S4中获得的每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子之间的差值，每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子取值范围，步骤S5中获得的每个主切削齿
对应的钻齿水平切削力矢量加和、钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和共同
作为钻头设计标准，如果满足设计标准即完成了钻头设计；如果不满足钻头设计标准时，继
续调整钻头布置参数以满足钻头设计标准后完成钻头设计。

[0014] 所述步骤S2中，所述根据钻齿破岩能量计算方法，获得每个主切削齿贡献的破岩能量，并计算每个主切削齿贡献的总破岩能量的具体方法为：

[0015] ；

[0016] ；

[0017] ；

[0018] 式中， 为钻头上第 个主切削齿破岩过程水平切削力贡献的能量，J； 为钻头上第 个主切削齿破岩过程水平切削力，N； 为钻头上第 个主切削齿的切削速度，m/s；
为钻头上第 个主切削齿破岩过程垂直压入力贡献的能量，J； 为钻头上第 个主切削齿破
岩过程垂直压入力，N； 为钻头上第 个主切削齿破岩过程钻齿力贡献总能量，J； 为主切
削齿运行时间，s；为主切削齿切削深度，mm。

[0019] 所述钻头上第 个主切削齿的切削速度 的表达式为：

[0020]

[0021] 式中， 为钻头上第 个主切削齿所在位置到钻头轴心线的距离，其单位为m；为切削齿在钻头上的转速，其单位为r/min； 为钻头上第 个切削齿的切削速度，其
单位为m/s。

[0022] 所述步骤S3中，所述每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子包括压缩破岩过程特征能量表征因子，剪切破岩过程特征能量表征因子，拉伸破岩过程特征能量表征因子。

[0023] 所述步骤S3中，所述通过钻齿破岩特征能量因子计算方法，获得每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子的具体方法为：

[0024] ；

[0025] ；

[0026] ；

[0027] 式中， 为钻头上第 个主切削齿压缩破岩过程特征能量表征因子，无量纲；为钻头上第 个主切削齿剪切破岩过程特征能量表征因子，无量纲； 为钻头上第
个主切削齿拉伸破岩过程特征能量表征因子，无量纲； 为钻头上第 个主切削齿动态破
岩过程动态单轴压缩强度，MPa； 为钻头上第 个主切削齿动态破岩过程动态剪切强度，
MPa； 为钻头上第 个主切削齿动态破岩过程动态拉伸强度，MPa； 为主切削齿侵入等效
宽度，mm；为主切削齿切削深度，mm； 为钻头上第 个切削齿的切削速度，m/s； 为主切
削齿运行时间，s； 为钻头上第 个主切削齿破岩过程钻齿力贡献总能量，J。

[0028] 所述步骤S4中，所述通过调整钻头布置参数，将每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子之间的差值调控到一定范围内的方法为：

[0029] ；

[0030] ；

[0031] ；

[0032] 式中， 为每个主切削齿对应的钻齿压缩破岩过程特征能量表征因子之间的差值，无量纲； 为每个主切削齿对应的钻齿剪切破岩过程特征能量表征因子之间的差
值，无量纲； 为每个主切削齿对应的钻齿拉伸破岩过程特征能量表征因子之间的差
值，无量纲； 为钻头上第 个主切削齿动态破岩过程动态单轴压缩强度，MPa； 为钻头
上第 个主切削齿动态破岩过程动态剪切强度，MPa； 为钻头上第 个主切削齿动态破岩
过程动态拉伸强度，MPa； 为主切削齿侵入等效宽度，mm；为主切削齿切削深度，mm； 为
钻头上第 个切削齿的切削速度，m/s； 为主切削齿运行时间，s； 为钻头上第 个主切削
齿破岩过程钻齿力贡献总能量，J。

[0033] 所述步骤S4中，所述钻头布置参数包括了钻齿的数量、每个钻齿的直径、每个钻齿的倾角、每个主切削齿所在位置到钻头轴心线的距离；所述 、 、 都应小于
等于20%。

[0034] 所述步骤S4中通过钻齿破岩特征能量因子临界表征条件，获得每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子取值范围为大于等于52%。

[0035] 所述步骤S5中将钻头上的每个主切削齿对应的钻齿水平切削力矢量加和为0、钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和为0，具体方法为：

[0036] ；

[0037] ；

[0038] 式中， 为钻头上的每个主切削齿对应的钻齿水平切削力矢量和，无量纲；为钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量和，无量纲； 为第 个主切削齿对
应的钻齿水平切削力矢量； 为第 个主切削齿对应的钻齿合力矢量；m为第m个方向。

[0039] 所述步骤S6中如果调整布置参数无法满足钻头设计标准，则根据钻齿的主导破岩模式，采取单向钻头设计条件完成钻头设计，具体方法为：

[0040] 当钻齿以压缩和剪切复合破碎为主时，将同时满足 ，， ， ， 条件作为钻头设计标准；

[0041] 当钻齿以剪切和拉伸复合破碎为主时，将同时满足 ， ，， ， 条件作为钻头设计标准；

[0042] 当钻齿以拉伸和压缩复合破碎为主时，将同时满足 ，， ， ， 条件作为钻头设计标准；

[0043] 当钻齿以压缩破碎为主时，将同时满足 ， ， ，条件作为钻头设计标准；

[0044] 当钻齿以剪切破碎为主时，将同时满足 ， ， ，条件作为钻头设计标准；

[0045] 当钻齿以拉伸破碎为主时，将同时满足 ， ， ，条件作为钻头设计标准。

[0046] 本发明的有益效果：

[0047] 本发明考虑基于相等能量破岩原理，建立了一种钻头优化设计方法，本发明充分考虑钻头上每个主切削齿所受的能量，通过计算每个主切削齿总破岩能量，将每个主切削
齿对应的钻齿破岩特征能量因子取值范围及差值设置在合理范围，并将每个主切削齿对应
水平切削力矢量加和为0、合力矢量加和为0，即将每个主切削齿能量调整为相等，传统钻头
在钻遇地层时，其钻头上的每个主切削齿所受能量均不同，无法进行有效调整，从而导致了
钻头上的每个主切削齿磨损程度不同，钻头容易损坏，且破岩效率较低，本发明提供的基于
相等能量破岩原理的钻头设计方法，通过参数调整将每个主切削齿能量调整为相等，消除
传统钻头各个主切削齿所受能量不同导致的钻头损坏，提高钻头破岩效率，延长钻头使用
时间，具有广阔应用前景。

具体实施方式

[0048] 下面结合实施例对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

[0049] 实施例1：

[0050] 一种基于动态破岩能量平衡适配原理的钻头设计方法，其特征在于，所述钻头设计方法包括以下步骤：

[0051] 步骤S1：选定目标钻齿和岩石，确定目标钻齿的类型、钻齿的几何尺寸、岩石类型、岩石参数；通过钻齿水平切削力学计算方法计算每个主切削齿对应的钻齿水平切削力；通
过钻齿垂直压入力学计算方法计算每个主切削齿对应的钻齿垂直压入力；

[0052] 步骤S2：利用步骤S1中获得的每个主切削齿对应的钻齿水平切削力和每个主切削齿对应的钻齿垂直压入力，根据钻齿破岩能量计算方法，获得每个主切削齿的破岩能量，并
计算每个主切削齿的总破岩能量；

[0053] 步骤S3：利用步骤S2中获得的每个主切削齿的总破岩能量，通过钻齿破岩特征能量因子计算方法，获得每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子；

[0054] 步骤S4：通过调整钻头布置参数，将步骤S3中获得的每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子之间的差值调控到一定范围内，通过钻齿破岩特征能量因子临界表征条
件，获得每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子取值范围；

[0055] 步骤S5：将钻头上的每个主切削齿对应的钻齿水平切削力矢量加和为一定值、钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和为一定值；

[0056] 步骤S6：将步骤S4中获得的每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子之间的差值，每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子取值范围，步骤S5中获得的每个主切削齿
对应的钻齿水平切削力矢量加和、钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和共同
作为钻头设计标准，如果满足设计标准即完成了钻头设计；如果不满足钻头设计标准时，继
续调整钻头布置参数以满足钻头设计标准后完成钻头设计。

[0057] 下面根据情况详细阐述基于相等能量破岩原理的钻头设计方法，通过钻齿水平切削力学计算方法计算每个主切削齿对应的钻齿水平切削力；通过钻齿垂直压入力学计算方
法计算每个主切削齿对应的钻齿垂直压入力只是本申请的一种举例，不能作为本申请的限
制条件。

[0058] 步骤S1：选定目标钻齿和岩石，确定目标钻齿的类型、钻齿的几何尺寸、岩石类型、岩石参数；通过钻齿水平切削力学计算方法计算每个主切削齿对应的钻齿水平切削力；通
过钻齿垂直压入力学计算方法计算每个主切削齿对应的钻齿垂直压入力：

[0059] 步骤S1中通过钻齿水平切削力学计算方法计算每个主切削齿对应的钻齿水平切削力；通过钻齿垂直压入力学计算方法计算每个主切削齿对应的钻齿垂直压入力的一种方
法为：

[0060] 钻齿水平切削力学计算方法根据以下公式确定：

[0061]

[0062] 其中，

[0063] ；

[0064] ；

[0065] ；

[0066] ；

[0067] ；

[0068] ；

[0069] ；

[0070] ；

[0071] ；

[0072] ；

[0073] ；

[0074] ；

[0075] ；

[0076] ；

[0077] 式中， 为钻齿水平切削力，N； 为动态岩石单轴压缩强度，MPa； 为动态岩石拉伸强度，MPa； 为动态岩石剪切强度，MPa；为钻齿后倾角，rad；为成屑‑压实过渡
角，rad；为钻齿和岩石接触面之间的平均摩擦角，rad；为岩石内摩擦角， 为钻齿侵入
等效宽度，mm；为钻齿侵入深度，mm。

[0078] 钻齿垂直压入力学计算方法根据以下公式确定：

[0079]

[0080] 式中， 为钻齿的垂直压入力，N；为钻齿后倾角，rad；为钻齿和岩石接触面之间的平均摩擦角，rad； 为钻齿的垂直压入力，N。

[0081] 钻齿的合力计算方法根据以下公式确定： 

[0082] 其中，

[0083] ；

[0084] ；

[0085] ；

[0086] ；

[0087] ；

[0088] ；

[0089] ；

[0090] ；

[0091] ；

[0092] ；

[0093] ；

[0094] ；

[0095] ；

[0096] ；

[0097] 式中， 为钻齿水平切削力，N； 为动态岩石单轴压缩强度，MPa； 为动态岩石拉伸强度，MPa； 为动态岩石剪切强度，MPa；为钻齿后倾角，rad；为成屑‑压实过渡
角，rad；为钻齿和岩石接触面之间的平均摩擦角，rad；为岩石内摩擦角， 为钻齿侵入
等效宽度，mm；为钻齿侵入深度，mm； 为钻齿的合力，N。

[0098] 步骤S2：利用步骤S1中获得的每个主切削齿对应的钻齿水平切削力和每个主切削齿对应的钻齿垂直压入力，根据钻齿破岩能量计算方法，获得每个主切削齿的破岩能量，并
计算每个主切削齿的总破岩能量：

[0099] 根据钻齿破岩能量计算方法，获得每个主切削齿贡献的破岩能量，并计算每个主切削齿贡献的总破岩能量的具体方法为：

[0100] ；

[0101] ；

[0102] ；

[0103] 式中， 为钻头上第 个主切削齿破岩过程水平切削力贡献的能量，J； 为钻头上第 个主切削齿破岩过程水平切削力，N； 为钻头上第 个主切削齿的切削速度，m/s；
为钻头上第 个主切削齿破岩过程垂直压入力贡献的能量，J； 为钻头上第 个主切削齿破
岩过程垂直压入力，N； 为钻头上第 个主切削齿破岩过程钻齿力贡献总能量，J； 为主切
削齿运行时间，s；为主切削齿切削深度，mm。

[0104] 所述钻头上第 个主切削齿的切削速度 的表达式为：

[0105]

[0106] 式中， 为钻头上第 个主切削齿所在位置到钻头轴心线的距离，其单位为m；为切削齿在钻头上的转速，其单位为r/min； 为钻头上第 个切削齿的切削速度，其
单位为m/s。

[0107] 所述每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子包括压缩破岩过程特征能量表征因子，剪切破岩过程特征能量表征因子，拉伸破岩过程特征能量表征因子。

[0108] 步骤S3：利用步骤S2中获得的每个主切削齿的总破岩能量，通过钻齿破岩特征能量因子计算方法，获得每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子：

[0109] 所述通过钻齿破岩特征能量因子计算方法，获得每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子的具体方法为：

[0110] ；

[0111] ；

[0112] ；

[0113] 式中， 为钻头上第 个主切削齿压缩破岩过程特征能量表征因子，无量纲；为钻头上第 个主切削齿剪切破岩过程特征能量表征因子，无量纲； 为钻头上第
个主切削齿拉伸破岩过程特征能量表征因子，无量纲； 为钻头上第 个主切削齿动态破
岩过程动态单轴压缩强度，MPa； 为钻头上第 个主切削齿动态破岩过程动态剪切强度，
MPa； 为钻头上第 个主切削齿动态破岩过程动态拉伸强度，MPa； 为主切削齿侵入等效
宽度，mm；为主切削齿切削深度，mm； 为钻头上第 个切削齿的切削速度，m/s； 为主切
削齿运行时间，s； 为钻头上第 个主切削齿破岩过程钻齿力贡献总能量，J。

[0114] 步骤S4：通过调整钻头布置参数，将步骤S3中获得的每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子之间的差值调控到一定范围内，通过钻齿破岩特征能量因子临界表征条
件，获得每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子取值范围：

[0115] 通过调整钻头布置参数，将每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子之间的差值调控到一定范围内的方法为：

[0116] ；

[0117] ；

[0118] ；

[0119] 式中， 为每个主切削齿对应的钻齿压缩破岩过程特征能量表征因子之间的差值，无量纲； 为每个主切削齿对应的钻齿剪切破岩过程特征能量表征因子之间的差
值，无量纲； 为每个主切削齿对应的钻齿拉伸破岩过程特征能量表征因子之间的差
值，无量纲； 为钻头上第 个主切削齿动态破岩过程动态单轴压缩强度，MPa； 为钻头
上第 个主切削齿动态破岩过程动态剪切强度，MPa； 为钻头上第 个主切削齿动态破岩
过程动态拉伸强度，MPa； 为主切削齿侵入等效宽度，mm；为主切削齿切削深度，mm； 为
钻头上第 个切削齿的切削速度，m/s； 为主切削齿运行时间，s； 为钻头上第 个主切削
齿破岩过程钻齿力贡献总能量，J。

[0120] 所述钻头布置参数包括了钻齿的数量、每个钻齿的直径、每个钻齿的倾角、每个主切削齿所在位置到钻头轴心线的距离；所述 、 、 都应小于等于20%。

[0121] 通过钻齿破岩特征能量因子临界表征条件，获得每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子取值范围为大于等于52%。

[0122] 步骤S5：将钻头上的每个主切削齿对应的钻齿水平切削力矢量加和为一定值、钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和为一定值：

[0123] 步骤S5中将钻头上的每个主切削齿对应的钻齿水平切削力矢量加和为0、钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和为0，具体方法为：

[0124] 步骤S5中将钻头上的每个主切削齿对应的钻齿水平切削力矢量加和为0、钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和为0，具体方法为：

[0125] ；

[0126] ；

[0127] 式中， 为钻头上的每个主切削齿对应的钻齿水平切削力矢量和，无量纲；为钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量和，无量纲； 为第 个主切削齿对
应的钻齿水平切削力矢量； 为第 个主切削齿对应的钻齿合力矢量；m为第m个方向。

[0128] 步骤S6：将步骤S4中获得的每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子之间的差值，每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子取值范围，步骤S5中获得的每个主切削齿
对应的钻齿水平切削力矢量加和、钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和共同
作为钻头设计标准，如果满足设计标准即完成了钻头设计；如果不满足钻头设计标准时，继
续调整钻头布置参数以满足钻头设计标准后完成钻头设计：

[0129] 如果调整布置参数无法满足钻头设计标准，则根据钻齿的主导破岩模式，采取单向钻头设计条件完成钻头设计，具体方法为：

[0130] 当钻齿以压缩和剪切复合破碎为主时，将同时满足 ， ，， ， 条件作为钻头设计标准；

[0131] 当钻齿以剪切和拉伸复合破碎为主时，将同时满足 ， ，， ， 条件作为钻头设计标准；

[0132] 当钻齿以拉伸和压缩复合破碎为主时，将同时满足 ， ，， ， 条件作为钻头设计标准；

[0133] 当钻齿以压缩破碎为主时，将同时满足 ， ， ，条件作为钻头设计标准；

[0134] 当钻齿以剪切破碎为主时，将同时满足 ， ， ，条件作为钻头设计标准；

[0135] 当钻齿以拉伸破碎为主时，将同时满足 ， ， ，条件作为钻头设计标准。

[0136] 本发明公开了一种基于动态破岩能量平衡适配原理的钻头设计方法，该方法包括，首先，通过力学计算获得每个主切削齿总破岩能量；然后，获得每个主切削齿对应的钻
齿破岩特征能量因子及其取值范围，获得的每个主切削齿对应的钻齿破岩特征能量因子之
间的差值；其次，获得每个主切削齿对应的钻齿水平切削力矢量加和、每个主切削齿对应的
钻齿的合力矢量加和；最后，将钻齿破岩特征能量因子取值范围及差值，钻齿水平切削力矢
量加和、合力矢量加和作为设计标准完成钻头设计，此种设计方法基于相等能量破岩原理，
将每个主切削齿能量调整为相等，消除传统钻头各个主切削齿所受能量不同导致的钻头损
坏，提高钻头破岩效率，延长钻头使用时间，具有广阔应用前景。

[0137] 本发明考虑基于相等能量破岩原理，建立了一种钻头优化设计方法，本发明充分考虑钻头上每个主切削齿所受的能量，通过计算每个主切削齿总破岩能量，将每个主切削
齿对应的钻齿破岩特征能量因子取值范围及差值设置在合理范围，并将每个主切削齿对应
水平切削力矢量加和为0、合力矢量加和为0，即将每个主切削齿能量调整为相等，传统钻头
在钻遇地层时，其钻头上的每个主切削齿所受能量均不同，从而导致了钻头上的每个主切
削齿磨损程度不同，钻头容易损坏，且破岩效率较低，本发明提供的基于相等能量破岩原理
的钻头设计方法，通过参数调整将每个主切削齿能量调整为相等，消除传统钻头各个主切
削齿所受能量不同导致的钻头损坏，提高钻头破岩效率，延长钻头使用时间，具有广阔应用
前景。

[0138] 至此，本领域技术人员认识到，虽然本文已详尽展示和描述了本发明的实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导符
合本发明原理的许多其他变形或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有
这些其他变形或修改。