(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202111409173.5 (22)申请日 2021.11.25 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 113821894 A (43)申请公布日 2021.12.21 (73)专利权人 西南石油大 学 地址 610500 四川省成 都市新都区新都大 道8号 (72)发明人 董广建　陈颖杰　付建红　袁和义　 王强　苏堪华　韩强　侯学军　 (74)专利代理 机构 成都朗镜专利代理事务所 (特殊普通 合伙) 51319 代理人 王镜 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) E21B 10/00(2006.01) E21B 10/08(2006.01) E21B 10/43(2006.01)G06F 119/14(2020.01) (56)对比文件 CN 113326591 A,2021.08.31 CN 113255174 A,2021.08.13 CN 107842317 A,2018.0 3.27 CN 111749686 A,2020.10.09 CN 21245426 0 U,2021.02.02 US 6095262 A,20 00.08.01 胡志强 等. “钻柱-钻头 -岩石系统动力学 特 性研究”. 《石油机 械》 .2017,第45卷(第12期),7- 11. Luo, Sheji 等.“Effect of Dual-Phase Heat Treatment o n Microstructure and Mechanical Properties of S13 5 High- Strength Dri ll Pipe Ste el”. 《JOURNAL OF MATERIALS ENGI NEERING AND PERFORMANC E》 .2019,第28卷(第5期),3 063-3075. 审查员 赵恒昌 (54)发明名称 一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计 方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于局部变强度破岩原 理的钻头设计方法， 该方法包括， 首先将钻头整 体上划分出局部破碎特征区； 然后计算局部破碎 特征区强度模式因子； 其次获得局部破碎特征区 强度模式因子之间的差值， 获得钻头上同一组别 切削齿对应的钻齿水平切削力矢量加和； 最后将 局部破碎特征区强度模式因子之间的差值作为 钻头设计目标控制条件， 该方法基于局部变强度 破岩原理， 将 对称切削齿划分组别后将对称位置 的强度变化因子调节平衡， 钻头上不同对称位置 的强度可以调整为不同， 可以针对性的改变不同 局部破碎特征区破岩强度， 消除传统钻头各个主 切削齿所受强度无法分区域调控导致的钻头失 效， 从而提高钻头破岩效率， 延长使用时间， 具有广阔应用前 景。 权利要求书5页 说明书12页 附图1页 CN 113821894 B 2022.01.21 CN 113821894 B 1.一种基于局部变强度破岩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： 选定钻头类型、 刀翼数量、 钻齿类型， 根据钻头局部破碎特征区划分方法， 将钻 头整体上划分出局部破碎特 征区， 局部破碎特 征区包括单一破碎区和混合破碎区； 步骤S2： 建立动态岩石单轴压缩强度、 静态岩石单轴压缩强度、 载荷动态加载应变率之 间的关系； 建立动态岩石拉伸强度、 静态岩石拉伸强度、 载荷动态加载应变率之间的关系； 建立动态岩石剪切强度、 静态岩石剪切强度、 载荷动态加载应 变率之间的关系； 步骤S3： 根据钻头整体力学平衡条件， 初步设计布齿参数， 根据钻头的布齿参数和步骤 S2建立的动态岩石单轴压缩强度、 静态岩石单轴压缩强度、 载荷动态加载应变率之间的关 系； 动态岩石拉伸强度、 静态岩石拉伸强度、 载荷动态加载应变率之间的关系； 动态岩石剪 切强度、 静态岩石剪切强度、 载荷动态加载应变率之间的关系， 计算局部破碎特征区井底岩 石强度变化因子和 局部破碎特 征区强度模式因子； 步骤S4： 通过调整钻齿参数， 调控步骤S3中局部破碎特征区强度模式因子之间的差值， 控制单一破碎区强度模式因子之间的差值在20%以内， 控制混合破碎区强度模式因子之间 的差值在25%以内； 步骤S5： 将步骤S4中获得的局部破碎特征区强度模式因子之间的差值作为钻头设计目 标控制条件， 如果满足钻头设计目标控制条件即完成了钻头设计； 如果不满足钻头设计目 标控制条件， 继续调整钻头布置参数以满足钻头设计目标控制条件后完成钻头设计。 2.如权利要求1所述的一种基于局部变强度破岩原 理的钻头设计方法， 其特征在于， 所 述步骤S1 中钻头类型包括PDC钻头、 PDC ‑牙轮复合钻头； 刀翼数量包括4刀翼PDC钻头、 5刀翼 PDC钻头、 6刀翼PDC钻头、 4刀翼PDC ‑牙轮复合钻头、 6刀翼PDC ‑牙轮复合钻头， 其中4刀翼 PDC‑牙轮复合钻头为2刀翼牙轮+2刀翼PDC， 6刀翼PDC ‑牙轮复合钻头包括2刀翼牙轮+4刀翼 PDC、 3刀翼 牙轮+3刀翼P DC； 钻齿类型包括平面切削齿和锥形切削齿。 3.如权利要求1所述的一种基于局部变强度破岩原 理的钻头设计方法， 其特征在于， 所 述步骤S1中钻头局部破碎特 征区划分方法具体为： 将偶数刀翼PDC钻头对称刀翼分成一组别， 每一组别刀翼同一类型钻齿划分为局部破 碎特征区； 将奇数刀翼PD C钻头同一类型钻齿划分为局部破碎特征区； 将PD C‑牙轮复合钻头 的PDC刀翼划分为同一组别， 牙轮刀翼划分为同一组别， 每一组别同一类型钻齿划分为局部 破碎特征区。 4.如权利要求1所述的一种基于局部变强度破岩原 理的钻头设计方法， 其特征在于， 所 述步骤S1中单一破碎区包括压缩破碎区、 剪切破碎区、 拉伸破碎区； 混合破碎区分为压缩 ‑ 剪切破碎区、 剪切 ‑拉伸破碎区、 压缩 ‑拉伸破碎区。 5.如权利要求1所述的一种基于局部变强度破岩原 理的钻头设计方法， 其特征在于， 所 述步骤S2中建立动态岩石单轴压缩强度、 静态岩石单轴压缩强度、 载荷动态加载应变率之 间的关系的具体方法为： 通过分离式霍普金森压杆岩石力学实验机测得动态岩石 单轴压缩 强度， 将动态岩石单轴压缩强度静态岩石 单轴压缩强度比值与载荷动态加载应变率进 行分 段拟合处理， 最 终建立动态岩石 单轴压缩强度、 静态岩石单轴压缩强度、 载荷动态加载应变 率之间的关系， 具体表达形式如下：权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 113821894 B 2所述步骤S2中建立动态岩石拉伸强度、 静态岩石拉伸强度、 载荷动态加载应变率之间 的关系的具体方法为： 通过分离式霍普金森压杆岩石力学实验机测得动态岩石拉伸强度， 将动态岩石拉伸强度静态岩石拉伸强度比值与载荷动态加载应变率进 行分段拟合处理， 最 终建立动态岩石拉伸强度、 静态岩石拉伸强度、 载荷动态加载应变率之间的关系， 具体表达 形式如下： 所述步骤S2中建立动态岩石剪切强度、 静态岩石剪切强度、 载荷动态加载应变率之间 的关系的具体方法为： 通过分离式霍普金森压杆岩石力学实验机测得动态岩石剪切强度， 将动态岩石剪切强度静态岩石剪切强度比值与载荷动态加载应变率进 行分段拟合处理， 最 终建立动态岩石剪切强度、 静态岩石剪切强度、 载荷动态加载应变率之间的关系， 具体表达 形式如下： 式中， 、 、 、 、 、 、 、 为拟合系数， 无量纲； 为静态岩石单轴压缩强度， MPa； 为静态岩石拉伸强度， MPa； 为静态岩石剪切强度， MPa； 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； 为载荷动态加载应 变率， s‑1； 为载荷动态加载临界应 变率， 其单位 为s‑1。 6.如权利要求5所述的一种基于局部变强度破岩原 理的钻头设计方法， 其特征在于， 所 述钻齿破岩过程载荷动态加载应 变率 计算方法表达形式如下： 式中， 为载荷动态加载应变率， s‑1； 为切削齿速度， mm/s； 为切削深度， mm； 为钻齿 后倾角， rad； 为成屑‑压实过渡角， rad； 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。 7.如权利要求1所述的一种基于局部变强度破岩原 理的钻头设计方法， 其特征在于， 所 述步骤S3中的布齿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 。 8.如权利要求1所述的一种基于局部变强度破岩原 理的钻头设计方法， 其特征在于， 所 述步骤S3中计算局部破碎特征区井底岩石强度变化因子的具体方法为： 将步骤S2中获得的 动态岩石 单轴压缩强度 ‑静态岩石单轴压缩强度 ‑载荷动态加载应变率之 间的关系、 动态岩权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 113821894 B 3