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申请/专利权人：西南石油大学

摘要：本发明公开了一种以破岩效益系数为指标的PDC齿形优选评价方法，从PDC钻齿的几何形状、攻击性能、受力状态、寿命与破岩效率之间的关系出发，提出以破岩效益系数为指标的PDC齿形优选评价方法，为PDC齿形优选提供一定的理论依据。本发明方法根据XRD衍射实验和CT扫描实验确定的钻进地层中岩石的矿物成分、矿物的质量分数、不同矿物的密度以及矿物颗粒的粒径范围来建立基于Voronoi细分的岩石有限元模型，能够较好的贴合岩石的实际情况。该方法通过对比不同条件下PDC钻齿切削破碎岩石的破岩效益系数得到选齿优先级表格，进而选出合适特定地层的最佳PDC齿形，从而达到提高钻井效率、降低钻井成本的目的。

主权项：1.一种以破岩效益系数为指标的PDC齿形优选评价方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一：基于破碎比功理论，通过破碎岩石消耗的总功及考虑岩石破碎塑性劣化影响的等效破碎体积，建立PDC钻齿切削破碎岩石过程中的破碎比功计算公式；所述破碎比功的计算公式为： 式中：MSE为破碎比功；W为破碎岩石消耗的总功；Vt为考虑岩石破碎塑性劣化影响的等效破碎体积；E为破碎岩石消耗的能量；Ve为强制移除区的岩屑体积；Vp为影响区的等效岩屑体积；步骤二：基于切削过程中岩石内部最大Mises等效应力值的平均值、PDC钻齿和岩石自由表面接触长度与PDC钻齿切入深度所构成的矩形的面积、PDC钻齿的投影面积、岩石最大应力峰值出现的位置在PDC钻齿上的等效投影面积、PDC钻齿投影面积、切削过程中PDC钻齿所受合力的平均值，建立PDC钻齿切削破碎岩石的受力效益数学模型，得到受力效益系数；所述受力效益系数的计算公式为： 式中：η为受力效益系数；为切削过程中岩石内部最大Mises等效应力值的平均值；Se为PDC钻齿和岩石自由表面接触长度与PDC钻齿切入深度所构成的矩形的面积，称为钝化面积；S*为切削过程中岩石最大应力峰值出现的位置在PDC钻齿上的等效投影面积；Sp为PDC钻齿投影面积；F为切削过程中PDC钻齿所受合力的平均值；步骤三：根据所述破碎比功的计算公式与受力效益系数，得到PDC钻齿切削破碎岩石过程中的破岩效益系数；所述破岩效益系数的计算公式为： 式中：λ为破岩效益系数；步骤四：建立所述岩石的有限元模型，在所述岩石有限元模型中导入PDC钻齿的几何模型，对所述岩石有限元模型与所述PDC钻齿几何模型进行网格划分，并将所述PDC钻齿与所述岩石模型接触的区域进行网格细分；所述PDC钻齿的几何模型采用Solidworks软件建立；所述岩石有限元模型的建立及相关切削破岩的仿真计算采用AbaqusExplicit软件；步骤五：基于岩石的矿物成分、矿物的质量分数、不同矿物的密度以及矿物颗粒的粒径大小，在所述岩石有限元模型的细分区域建立基于Voronoi细分的有限元模型，并对所述岩石有限元模型的细分区域进行各矿物材料的力学参数标定，使所述细分区域的力学性能与所述岩石的实际情况一致；所述力学参数包括单轴压缩强度、抗张强度和杨氏模量；所述力学参数标定采用单轴压缩实验与巴西劈裂实验进行；所述基于Voronoi细分的岩石有限元模型的建立过程为：先根据XRD衍射实验和CT扫描实验确定的钻进地层中岩石的矿物成分、矿物的质量分数、不同矿物的密度以及矿物颗粒的粒径范围，采用PFC3D软件生成三维Voronoi的中心点坐标，然后在AbaqusExplicit软件中根据所述中心点坐标生成晶粒形状为三维Voronoi的岩石有限元模型；步骤六：将所述步骤五中通过标定得到的各矿物的材料参数赋予所述岩石有限元模型的细分区域，并赋予所述PDC钻齿相应的材料参数；步骤七：进行不同工况下的切削破岩实验，得到不同参数下PDC钻齿对所述岩石的破岩效益系数；所述不同工况包括PDC钻齿的切削角度、岩石周围的压力；步骤八：比较所述破岩效益系数，得到PDC钻齿破碎所述岩石的选齿优先级表格，根据所述表格选择PDC齿形。

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百度查询： 西南石油大学 一种以破岩效益系数为指标的PDC齿形优选评价方法