[發明專利]一種基于微納米壓痕的單齒破巖效率評價方法

有效

• 申請號: 201910726187.6
• 申請日: 2019-08-07
• 公開（公告）號: CN110399699B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: 朱海燕;王兆巍;劉清友;萬宇瀚;唐煊赫;陶雷
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G01N23/207;G01N3/40
• 代理公司: 成都金英專利代理事務所(普通合伙) 51218
• 代理人: 袁英

1.一種基于微納米壓痕的單齒破巖效率評價方法，其特征在于：它包括以下步驟：

S1、利用X射線衍射技術，分析并得到巖石礦物組分的質量百分數；

S2、對巖屑進行不同形狀壓頭條件下的微納米壓痕實驗，取得巖屑彈性模量E、壓入硬度H、壓入功W、壓入體積V，計算壓痕破巖效率評價參數e_i，通過巖屑彈性模量E、壓入硬度H及硬度-顆粒堆積密度關系反演得到頁巖儲層的粘聚力c_s和內摩擦角系數α，并計算出巖屑的內摩擦角

S3、根據材料的線彈性及冪律硬化模型假設若干組頁巖應力-應變曲線C_i，應用所假設硬化曲線C_i、粘聚力c_s、內摩擦角以及Drucker-Prager準則建立有限元模型，反向求取巖屑彈塑性階段的應力-應變曲線C_σ-ε；

S4、根據現場常用PDC鉆頭布齒參數B_i/S_i和齒形參數M_i建立具有不同側/后傾角、不同齒形的切削齒和頁巖巖石幾何模型，進而完成各幾何模型的組合裝配；

S5、使用S2～S3中取得的彈性模量E、應力應變曲線C_σ-ε、粘聚力c_s及內摩擦角巖石力學參數，基于Drucker-Prager準則建立頁巖材料的本構關系和損傷準則，對步驟S4中的幾何裝配模型進行網格離散化，設置邊界條件、分析步以及求解算法以完成有限元模型的建立；

S6、應用顯式積分算法求解模型，計算得到穩定切削過程中的切向力RF₂、軸向力RF₃和接觸面積A結果參數，然后計算RF₂對應的平均值X₁和波動幅值X₃、RF₃對應的平均值X₂和波動幅值X₄，根據X₁和A計算機械比能MSE；具體步驟如下：

應用顯式積分算法求解步驟S5中所建立的單齒-巖石有限元模型，取得各布齒參數B_i/S_i及齒形參數M_i條件下單齒切削頁巖過程中切向力RF₂時、各布齒參數B_i/S_i及齒形參數M_i條件下單齒切削頁巖過程中軸向力RF₃時、各布齒參數B_i/S_i及齒形參數M_i條件下單齒切削頁巖過程中接觸面積A時，利用公式(15)～公式(18)分別計算穩定切削過程中的RF₂對應的平均值X₁和波動幅值X₃、RF₃對應的平均值X₂和波動幅值X₄，根據公式(19)推導并計算單齒破巖機械比能MSE，公式(15)～公式(19)如下：

式中，RF₂-切削齒所受切向力，N；RF₃-切削齒所受軸向力，N；X₁-穩定切削階段切削齒所受切向力平均值，N；X₂-穩定切削階段切削齒所受軸向力平均值，N；X₃-穩定切削階段切削齒所受切向力波動幅值，N；X₄-穩定切削階段切削齒所受軸向力波動幅值，N；t-切削過程某時刻，s；t_s-穩定切削狀態所對應時刻，s；t_e-切削結束所對應時刻，s；n-切向力RF₂所對應數據點個數，無量綱；l-軸向力RF₃所對應數據點個數，無量綱；MSE-機械比能，MPa；f_h-切削齒所受切向力；S_cut-切削齒實際切削面積，mm²；A-切削過程中的實時接觸面積，mm²;

S7、考慮壓痕破巖效率e_i及各布齒參數B_i/S_i及齒形參數M_i條件下的X₁、X₂、X₃、X₄及MSE，建立數據庫及綜合破巖效率評價算法K：

K＝k_i(e_i，X₁，X₂，X₃，X₄，MSE，B_i，S_i，M_i) (20)

式中，K-綜合破巖效率評價算法，無量綱；k_i-綜合破巖效率評價參數，無量綱；B_i-切削齒后傾角，°；S_i-切削齒側傾角，°；M_i-齒形，無量綱；

S8、在鉆頭設計優化的研究過程中，取不同布齒參數B_i/S_i和齒形參數M_i，基于S7中所建立數據庫運行綜合破巖效率評價算法K，計算得到綜合破巖效率評價參數k_i。