[發(fā)明專利]考慮巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和混合破碎模式的鉆齒力學(xué)計(jì)算方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110797870.6
• 申請(qǐng)日: 2021-07-15
• 公開（公告）號(hào): CN113255174B
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董廣建;陳平;付建紅;楊迎新
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西南石油大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20;G01N3/08;G01N3/24;G06F119/14
• 代理公司: 成都朗鏡專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 51319
• 代理人: 王鏡

本發(fā)明公開了考慮巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和混合破碎模式的鉆齒力學(xué)計(jì)算方法，該計(jì)算方法包括：首先，選定目標(biāo)鉆齒和巖石，確定目標(biāo)鉆齒的類型、鉆齒的幾何尺寸、巖石類型、巖石參數(shù)；然后，通過鉆齒水平切削力學(xué)計(jì)算方法計(jì)算鉆齒的水平切削力；而后，通過鉆齒垂直壓入力學(xué)計(jì)算方法計(jì)算鉆齒的垂直壓入力；最后，通過鉆齒的合力計(jì)算方法計(jì)算鉆齒所受到的合力。本發(fā)明公開了一種考慮巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和混合破碎模式的鉆齒力學(xué)計(jì)算流程，提供了一種能夠準(zhǔn)確快速的獲得不同工況下的鉆齒力學(xué)的計(jì)算方法，為鉆頭設(shè)計(jì)與研發(fā)、鉆井工程參數(shù)優(yōu)化、工具優(yōu)化或優(yōu)選，提速降本增效提供重要指導(dǎo)和支撐作用，具有廣闊應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及油氣井工程領(lǐng)域，特別是考慮巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和混合破碎模式的鉆齒力學(xué)計(jì)算方法。

背景技術(shù)

在深部鉆探領(lǐng)域，鉆頭破碎巖石在提高鉆井速度及巖石開挖效率方面起到至關(guān)重要的作用。而巖石破碎過程中，鉆頭-巖石互作用鉆齒力學(xué)一直是核心熱點(diǎn)問題，鉆頭-巖石互作用下，鉆齒力學(xué)可以為鉆頭設(shè)計(jì)、工具優(yōu)選、新工具研發(fā)、提高機(jī)械鉆速提供有意義的指導(dǎo)。

鉆齒破碎巖石是一個(gè)很復(fù)雜的過程，鉆齒受力計(jì)算方法分成兩大類，一類是數(shù)值模擬手段，主要包括有限元方法、有限差分法、離散元法、數(shù)字仿真法等，但是數(shù)值解計(jì)算速度慢于解析解。解析解算法主要包括以下幾種，①基于拉伸破碎理論，建立的經(jīng)典楔形鉆齒-巖石互作用力學(xué)解析解模型；②考慮剪切破壞理論、切削齒與巖石的摩擦力、巖石孔隙壓力，建立了切削齒-巖石互作用解析模型；③考慮鉆齒破碎力是通過密實(shí)核傳遞，建立了楔形齒侵入力學(xué)模型；④基于切削實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，考慮壓實(shí)核和拉伸破壞模式，建立了鉆齒-巖石互作用力學(xué)模型。

不難發(fā)現(xiàn)，鉆齒破碎巖石一種復(fù)雜受力過程，包括了拉伸破壞、壓縮破壞、剪切破壞，而且鉆齒破巖過程，巖石受到的是動(dòng)態(tài)載荷，巖石在不同動(dòng)載作用下巖石強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生變化，然而上述關(guān)于鉆齒-巖石互作用力學(xué)模型和計(jì)算方法主要考慮的是單一破壞模式、單一破碎強(qiáng)度模式、靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度力學(xué)理論，未綜合考慮切削速度、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和混合破碎模式，并不能考慮真實(shí)的鉆齒破巖動(dòng)態(tài)受力特點(diǎn)。目前，考慮巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度、混合破碎模式、鉆齒運(yùn)動(dòng)速度、鉆齒形狀和巖石應(yīng)變率的鉆齒力學(xué)計(jì)算方法鮮有涉及。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供考慮巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和混合破碎模式的鉆齒力學(xué)計(jì)算方法。該計(jì)算方法包括：首先，選定目標(biāo)鉆齒和巖石，確定目標(biāo)鉆齒的類型、鉆齒的幾何尺寸、巖石類型、巖石參數(shù)；然后，通過鉆齒水平切削力學(xué)計(jì)算方法計(jì)算鉆齒的水平切削力；而后，通過鉆齒垂直壓入力學(xué)計(jì)算方法計(jì)算鉆齒的垂直壓入力；最后，通過鉆齒的合力計(jì)算方法計(jì)算鉆齒所受到的合力。提供了一種能夠準(zhǔn)確快速的獲得不同工況下的鉆齒力學(xué)的計(jì)算方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，采用如下技術(shù)方案：

考慮巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和混合破碎模式的鉆齒力學(xué)計(jì)算方法，其特征在于，所述鉆齒力學(xué)計(jì)算方法包括以下步驟：

步驟S1：選定目標(biāo)鉆齒和巖石，確定目標(biāo)鉆齒的類型、鉆齒的幾何尺寸、巖石類型、巖石參數(shù)；

步驟S2：通過鉆齒水平切削力學(xué)計(jì)算方法計(jì)算鉆齒的水平切削力；

步驟S3：通過鉆齒垂直壓入力學(xué)計(jì)算方法計(jì)算鉆齒的垂直壓入力；

步驟S4：通過鉆齒的合力計(jì)算方法計(jì)算鉆齒所受到的合力。

所述步驟S1中，目標(biāo)鉆齒的類型包括了圓柱形鉆齒、楔形鉆齒；鉆齒的幾何尺寸包括圓柱形鉆齒的直徑、圓柱形鉆齒的高度、楔形鉆齒高度、楔形鉆齒的楔角；巖石參數(shù)包括巖石靜態(tài)單軸壓縮強(qiáng)度、靜態(tài)巖石拉伸強(qiáng)度、靜態(tài)巖石剪切強(qiáng)度、巖石內(nèi)摩擦角、動(dòng)態(tài)巖石單軸壓縮強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)巖石拉伸強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)巖石剪切強(qiáng)度。

所述步驟S2中，鉆齒水平切削力學(xué)計(jì)算方法根據(jù)以下公式確定：

其中，

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