CN113775295A - 一种追踪钻头破岩井底岩石强度全域相等的钻头设计方法 - Google Patents

一种追踪钻头破岩井底岩石强度全域相等的钻头设计方法 Download PDF

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts

Abstract

本发明公开了一种追踪钻头破岩井底岩石强度全域相等的钻头设计方法，该方法包括，建立岩石强度与载荷动态加载应变率之间的关系；根据钻齿破岩过程载荷动态加载应变率计算方法，调整布齿参数；建立各主切削齿对应的井底岩石强度变化因子与钻头布齿参数之间的关系；调整每对相邻主切削齿对应的不同类型井底岩石强度变化因子之间的差值；将钻头上的每个主切削齿对应的钻齿水平切削力、合力矢量加和；根据不同破碎模式下钻头设计目标控制条件完成钻头设计；此方法调整切削齿与岩石动态接触强度完成钻头设计，减少传统钻头各主切削齿所受强度不同导致钻头局部损坏、破岩效率下降，提高钻头井底受力均匀性、延长钻头寿命，具有广阔应用前景。

Description

一种追踪钻头破岩井底岩石强度全域相等的钻头设计方法
技术领域
本发明涉及钻头设计优化方法领域，特别是一种追踪钻头破岩井底岩石强度全域相等的钻头设计方法。
背景技术
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。
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，综合表现的最大动载应变率超100s-1；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350Hz，最高振幅超100g，综合最大动载应变率超150s-1。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，综合表现的最大动载应变率超100s-1；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350Hz，最高振幅超100g，综合最大动载应变率超150s-1。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。
传统的钻头设计方法，如专利CN201510484868.8发明了PDC钻头的设计方法、装置及PDC钻头，该专利从钻井平均钻速、钻头井下转速和钻头刀翼的个数等方面分析，获得钻头前排切削齿与后排切削齿之间的高度差。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。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强度均不同，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。
因此，考虑基于相等强度破岩原理，建立了一种追踪钻头破岩井底岩石强度全域相等的钻头设计方法，该方法包括，现场取样，进行岩石强度实验，获取对应类型的强度实验及载荷动态加载应变率数据；建立动态岩石强度、静态岩石强度、载荷动态加载应变率之间的关系；根据钻齿破岩过程载荷动态加载应变率计算方法，调整钻头布齿参数，计算钻齿破碎岩石过程的载荷动态加载应变率；建立每个主切削齿对应的井底岩石强度变化因子与钻头布齿参数之间的关系；通过调整钻头布齿参数，调整每对相邻主切削齿对应的不同类型井底岩石强度变化因子之间的差值；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、钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和；根据不同破碎模式下钻头设计目标控制条件完成钻头设计。此种设计方法基于控制钻头破岩井底岩石强度全域相等的原理，通过调整切削齿与岩石动态接触强度完成钻头设计，减少传统钻头各个主切削齿所受强度不同导致的钻头局部损坏、破岩效率下降，提高钻头井底均匀受力均匀性、增强破岩效率和机械钻速，延长钻头寿命，具有广阔应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种追踪钻头破岩井底岩石强度全域相等的钻头设计方法，此种设计方法基于控制钻头破岩井底岩石强度全域相等的原理，通过调整切削齿与岩石动态接触强度完成钻头设计，减少传统钻头各个主切削齿所受强度不同导致的钻头局部损坏、破岩效率下降，提高钻头井底受力均匀性、增强破岩效率和机械钻速，延长钻头寿命，具有广阔应用前景。
为实现以上技术效果，采用如下技术方案：
一种追踪钻头破岩井底岩石强度全域相等的钻头设计方法，包括以下步骤：
步骤S1：现场取样，进行静态岩石单轴压缩强度实验、静态岩石拉伸强度实验、静态岩石剪切强度实验、动态岩石单轴压缩强度实验、动态岩石拉伸强度实验、动态岩石剪切强度实验，并获取静态岩石单轴压缩强度、静态岩石拉伸强度、静态岩石剪切强度、动态岩石单轴压缩强度、动态岩石拉伸强度、动态岩石剪切强度数据及载荷动态加载应变率数据；
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：根据钻齿破岩过程载荷动态加载应变率计算方法，调整钻头布齿参数，计算钻齿破碎岩石过程的载荷动态加载应变率；
步骤S4：利用步骤S2中获得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，结合步骤S3中获得的钻齿破碎岩石过程的载荷动态加载应变率，建立每个主切削齿对应的井底岩石强度变化因子与钻头布齿参数之间的关系；
步骤S5：通过调整钻头布齿参数，调整步骤S4中得到的每对相邻主切削齿对应的不同类型井底岩石强度变化因子之间的差值，并分别将不同类型的井底岩石强度变化因子之间的差值控制到25%以内，其中不同类型井底岩石强度变化因子包括压缩强度变化因子、拉伸强度变化因子、剪切强度变化因子；
步骤S6：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，并计算每个主切削齿对应的钻齿合力；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、钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和；通过调节钻头布齿参数，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控制到0，将钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和控制到0；
步骤S7：将步骤S5中不同破碎模式下不同类型的井底岩石强度变化因子之间的差值控制到25%以内、步骤S6中钻头上的每个主切削齿对应的钻齿水平切削力矢量加和控制到0、将钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和控制到0共同作为不同破碎模式下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时，则继续调整钻头布齿参数直到满足钻头设计目标控制条件后即完成钻头设计。
进一步的，所述步骤S1静态岩石单轴压缩强度实验、静态岩石拉伸强度实验、静态岩石剪切强度实验均在电液材料实验机上进行，且加载应变率小于等于10s-1；动态岩石单轴压缩强度实验、动态岩石拉伸强度实验、动态岩石剪切强度实验均在分离式霍普金森压杆岩石力学实验机上进行，且加载应变率大于10s-1。
进一步的，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：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
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：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
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：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为拟合系数，无量纲；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为静态岩石单轴压缩强度，MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为静态岩石拉伸强度，MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为静态岩石剪切强度，MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
动态岩石单轴压缩强度，MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为动态岩石拉伸强度，MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为动态岩石剪切强度，MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为载荷动态加载应变率，s-1；
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为载荷动态加载临界应变率，s-1。
进一步的，所述步骤S3中所述钻齿破岩过程载荷动态加载应变率
Figure 632580DEST_PATH_IMAGE018
计算方法表达形式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
式中，
Figure 346458DEST_PATH_IMAGE018
为为载荷动态加载应变率，s-1；
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为切削齿速度，mm/s；
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为切削深度，mm；
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为钻齿后倾角，rad；
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为成屑-压实过渡角，rad；
其中，第
Figure DEST_PATH_IMAGE025
个主切削齿的切削速度
Figure DEST_PATH_IMAGE026
的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE028
为钻头上第
Figure 378393DEST_PATH_IMAGE025
个主切削齿所在位置到钻头轴心线的距离，m；
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为切削齿在钻头上的转速，r/min；
Figure 586651DEST_PATH_IMAGE026
为钻头上第
Figure 666603DEST_PATH_IMAGE025
个切削齿的切削速度，m/s。
进一步的，所述步骤S4中建立每个主切削齿对应的井底岩石强度变化因子与钻头布齿参数之间的关系的具体方法为：将步骤S3中获得的钻齿破岩过程载荷动态加载应变率对应到步骤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中，并通过分段拟合法获得每个主切削齿对应的井底岩石强度变化因子与钻头布齿参数之间的关系，具体表达式如下：
压缩强度变化因子与钻头布齿参数之间的拟合表达式关系如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
剪切强度变化因子与钻头布齿参数之间的拟合表达式关系如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
拉伸强度变化因子与钻头布齿参数之间的拟合表达式关系如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure DEST_PATH_IMAGE037
、
Figure DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为钻头上第
Figure 66229DEST_PATH_IMAGE025
个切削齿对应的强度变化因子表达式的拟合系数，无量纲；
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为钻头上第
Figure 636057DEST_PATH_IMAGE025
个切削齿动态破岩过程动态单轴压缩强度，MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE042
为钻头上第
Figure 631695DEST_PATH_IMAGE025
个切削齿动态破岩过程动态单轴压缩强度与静态单轴压缩强度的比值，简称压缩强度变化因子，无量纲；
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为钻头上第
Figure 848044DEST_PATH_IMAGE025
个切削齿动态破岩过程动态剪切强度，MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE044
为钻头上第
Figure 903725DEST_PATH_IMAGE025
个切削齿动态破岩过程动态剪切强度与静态剪切强度的比值，简称剪切强度变化因子，无量纲；
Figure DEST_PATH_IMAGE045
为钻头上第
Figure 704059DEST_PATH_IMAGE025
个切削齿动态破岩过程动态拉伸强度，MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为钻头上第
Figure 237809DEST_PATH_IMAGE025
个切削齿动态破岩过程动态拉伸强度与静态拉伸强度的比值，简称拉伸强度变化因子，无量纲；
Figure 292353DEST_PATH_IMAGE012
为静态岩石单轴压缩强度，MPa；
Figure 253355DEST_PATH_IMAGE013
为静态岩石拉伸强度，MPa；
Figure 776872DEST_PATH_IMAGE014
为静态岩石剪切强度，MPa；
Figure 317575DEST_PATH_IMAGE026
为钻头上第
Figure 492204DEST_PATH_IMAGE025
个切削齿的切削速度，m/s；
Figure 358529DEST_PATH_IMAGE022
为切削深度，mm；
Figure 870806DEST_PATH_IMAGE023
为钻齿后倾角，rad；
Figure 480779DEST_PATH_IMAGE024
为成屑-压实过渡角，rad；
Figure 244336DEST_PATH_IMAGE019
为载荷动态加载临界应变率，s-1。
进一步的，所述步骤S3、步骤S5及步骤S7中钻头布齿参数包括钻齿的数量、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、钻齿切削深度、切削齿在钻头上的转速。
进一步的，所述步骤S5的每对相邻主切削齿对应的不同类型井底岩石强度变化因子之间的差值，并分别将不同类型的井底岩石强度变化因子之间的差值控制到25%以内具体表达式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE047
Figure DEST_PATH_IMAGE048
Figure DEST_PATH_IMAGE049
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE050
为每个主切削齿对应的井底岩石单轴压缩强度变化因子之间的差值，无量纲；
Figure DEST_PATH_IMAGE051
为每个主切削齿对应的井底岩石剪切强度变化因子之间的差值，无量纲；
Figure DEST_PATH_IMAGE052
为每个主切削齿对应的井底岩石拉伸强度变化因子之间的差值，无量纲；
Figure 953666DEST_PATH_IMAGE042
为钻头上第
Figure 684730DEST_PATH_IMAGE025
个切削齿动态破岩过程动态单轴压缩强度与静态单轴压缩强度的比值，简称压缩强度变化因子，无量纲；
Figure 832815DEST_PATH_IMAGE044
为钻头上第
Figure 716457DEST_PATH_IMAGE025
个切削齿动态破岩过程动态剪切强度与静态剪切强度的比值，简称剪切强度变化因子，无量纲；
Figure 190164DEST_PATH_IMAGE046
为钻头上第
Figure 893678DEST_PATH_IMAGE025
个切削齿动态破岩过程动态拉伸强度与静态拉伸强度的比值，简称拉伸强度变化因子，无量纲；
Figure 596185DEST_PATH_IMAGE012
为静态岩石单轴压缩强度，MPa；
Figure 334334DEST_PATH_IMAGE013
为静态岩石拉伸强度，MPa；
Figure 978942DEST_PATH_IMAGE014
为静态岩石剪切强度，MPa。
进一步的，所述步骤S6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控制到0，将钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和控制到0，具体表达式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE053
；
Figure DEST_PATH_IMAGE054
=0；
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE055
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；
Figure DEST_PATH_IMAGE056
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；
Figure DEST_PATH_IMAGE057
为第
Figure 546583DEST_PATH_IMAGE025
个主切削齿对应的钻齿水平切削力矢量；
Figure DEST_PATH_IMAGE058
为第
Figure 318361DEST_PATH_IMAGE025
个主切削齿对应的钻齿合力矢量；i为第
Figure 911017DEST_PATH_IMAGE025
个主切削齿。
进一步的，所述步骤S7中不同破碎模式下钻头设计目标控制条件具体表达为：
当钻齿以压缩和剪切复合破碎为主时，将同时满足
Figure DEST_PATH_IMAGE059
，
Figure DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure DEST_PATH_IMAGE062
条件作为钻头设计目标控制条件；
当钻齿以剪切和拉伸复合破碎为主时，将同时满足
Figure 303690DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure DEST_PATH_IMAGE063
，
Figure 512954DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure 72111DEST_PATH_IMAGE062
条件作为钻头设计目标控制条件；
当钻齿以拉伸和压缩复合破碎为主时，将同时满足
Figure 535585DEST_PATH_IMAGE063
，
Figure 990837DEST_PATH_IMAGE059
，
Figure 421818DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure 519087DEST_PATH_IMAGE062
条件作为钻头设计目标控制条件；
当钻齿以压缩破碎为主时，将同时满足
Figure 86335DEST_PATH_IMAGE059
，
Figure 230265DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure 148542DEST_PATH_IMAGE062
条件作为钻头设计目标控制条件；
当钻齿以剪切破碎为主时，将同时满足
Figure 783923DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure 205677DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure 268311DEST_PATH_IMAGE062
条件作为钻头设计目标控制条件；
当钻齿以拉伸破碎为主时，将同时满足
Figure 159038DEST_PATH_IMAGE063
，
Figure 598109DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure 139949DEST_PATH_IMAGE062
条件作为钻头设计目标控制条件。
本发明的有益效果为：
本发明公开了一种追踪钻头破岩井底岩石强度全域相等的钻头设计方法，该方法包括，现场取样，进行岩石强度实验，获取对应类型的强度实验及载荷动态加载应变率数据；建立动态岩石强度、静态岩石强度、载荷动态加载应变率之间的关系；根据钻齿破岩过程载荷动态加载应变率计算方法，调整钻头布齿参数，计算钻齿破碎岩石过程的载荷动态加载应变率；建立每个主切削齿对应的井底岩石强度变化因子与钻头布齿参数之间的关系；通过调整钻头布齿参数，调整每对相邻主切削齿对应的不同类型井底岩石强度变化因子之间的差值；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、钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和；根据不同破碎模式下钻头设计目标控制条件完成钻头设计。此种设计方法基于控制钻头破岩井底岩石强度全域相等的原理，通过调整切削齿与岩石动态接触强度完成钻头设计，减少传统钻头各个主切削齿所受强度不同导致的钻头局部损坏、破岩效率下降，提高钻头井底均匀受力均匀性、增强破岩效率和机械钻速，延长钻头寿命，具有广阔应用前景。
附图说明
图1为本申请实施例中钻头设计方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图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：
实施例1：
如图1所示，一种追踪钻头破岩井底岩石强度全域相等的钻头设计方法，包括以下步骤：
步骤S1：现场取样，进行静态岩石单轴压缩强度实验、静态岩石拉伸强度实验、静态岩石剪切强度实验、动态岩石单轴压缩强度实验、动态岩石拉伸强度实验、动态岩石剪切强度实验，并获取并获取静态岩石单轴压缩强度、静态岩石拉伸强度、静态岩石剪切强度、动态岩石单轴压缩强度、动态岩石拉伸强度、动态岩石剪切强度数据及载荷动态加载应变率数据及载荷动态加载应变率数据；
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：根据钻齿破岩过程载荷动态加载应变率计算方法，调整钻头布齿参数，计算钻齿破碎岩石过程的载荷动态加载应变率；
步骤S4：利用步骤S2中获得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，结合步骤S3中获得的钻齿破碎岩石过程的载荷动态加载应变率，建立每个主切削齿对应的井底岩石强度变化因子与钻头布齿参数之间的关系；
步骤S5：通过调整钻头布齿参数，调整步骤S4中得到的每对相邻主切削齿对应的不同类型井底岩石强度变化因子之间的差值，并分别将不同类型的井底岩石强度变化因子之间的差值控制到25%以内，其中不同类型井底岩石强度变化因子包括压缩强度变化因子、拉伸强度变化因子、剪切强度变化因子；
步骤S6：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，并计算每个主切削齿对应的钻齿合力；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、钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和；通过调节钻头布齿参数，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控制到0，将钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和控制到0；
步骤S7：将步骤S5中不同破碎模式下不同类型的井底岩石强度变化因子之间的差值控制到25%以内、步骤S6中钻头上的每个主切削齿对应的钻齿水平切削力矢量加和控制到0、将钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和控制到0共同作为不同破碎模式下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时，则继续调整钻头布齿参数直到满足钻头设计目标控制条件后即完成钻头设计。
下面根据情况详细阐述基于相等强度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。
步骤S1：现场取样，进行静态岩石单轴压缩强度实验、静态岩石拉伸强度实验、静态岩石剪切强度实验、动态岩石单轴压缩强度实验、动态岩石拉伸强度实验、动态岩石剪切强度实验，并获取对应类型的强度实验数据及载荷动态加载应变率数据；
所述步骤S1静态岩石单轴压缩强度实验、静态岩石拉伸强度实验、静态岩石剪切强度实验均在电液材料实验机上进行，且加载应变率小于等于10s-1；动态岩石单轴压缩强度实验、动态岩石拉伸强度实验、动态岩石剪切强度实验均在分离式霍普金森压杆岩石力学实验机上进行，且加载应变率大于10s-1。
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；
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：
Figure DEST_PATH_IMAGE064
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：
Figure DEST_PATH_IMAGE065
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：
Figure DEST_PATH_IMAGE066
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE067
、
Figure DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure DEST_PATH_IMAGE069
、
Figure DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure DEST_PATH_IMAGE071
、
Figure DEST_PATH_IMAGE072
、
Figure 622752DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure DEST_PATH_IMAGE073
为拟合系数，无量纲；
Figure 45117DEST_PATH_IMAGE012
为静态岩石单轴压缩强度，MPa；
Figure 287879DEST_PATH_IMAGE013
为静态岩石拉伸强度，MPa；
Figure 949805DEST_PATH_IMAGE014
为静态岩石剪切强度，MPa；
Figure 636132DEST_PATH_IMAGE015
动态岩石单轴压缩强度，MPa；
Figure 750719DEST_PATH_IMAGE016
为动态岩石拉伸强度，MPa；
Figure 531593DEST_PATH_IMAGE017
为动态岩石剪切强度，MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE074
为载荷动态加载应变率，s-1；
Figure DEST_PATH_IMAGE075
为载荷动态加载临界应变率，s-1。
、步骤S3：根据钻齿破岩过程载荷动态加载应变率计算方法，调整钻头布齿参数，计算钻齿破碎岩石过程的载荷动态加载应变率；
所述步骤S3中所述钻齿破岩过程载荷动态加载应变率
Figure 359609DEST_PATH_IMAGE018
计算方法表达形式如下：
Figure 200526DEST_PATH_IMAGE020
式中，
Figure 802409DEST_PATH_IMAGE074
为为载荷动态加载应变率，s-1；
Figure DEST_PATH_IMAGE076
为切削齿速度，mm/s；
Figure 668865DEST_PATH_IMAGE022
为切削深度，mm；
Figure 39803DEST_PATH_IMAGE023
为钻齿后倾角，rad；
Figure 786043DEST_PATH_IMAGE024
为成屑-压实过渡角，rad。
其中，第
Figure 609642DEST_PATH_IMAGE025
个主切削齿的切削速度
Figure DEST_PATH_IMAGE077
的表达式为：
Figure 781254DEST_PATH_IMAGE027
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE078
为钻头上第
Figure DEST_PATH_IMAGE079
个主切削齿所在位置到钻头轴心线的距离，m；
Figure DEST_PATH_IMAGE080
为切削齿在钻头上的转速，r/min；
Figure DEST_PATH_IMAGE081
为钻头上第
Figure 616486DEST_PATH_IMAGE079
个切削齿的切削速度，m/s。
、步骤S4：利用步骤S2中获得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，结合步骤S3中获得的钻齿破碎岩石过程的载荷动态加载应变率，建立每个主切削齿对应的井底岩石强度变化因子与钻头布齿参数之间的关系；
所述步骤S4中建立每个主切削齿对应的井底岩石强度变化因子与钻头布齿参数之间的关系的具体方法为：将步骤S3中获得的钻齿破岩过程载荷动态加载应变率对应到步骤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中，并通过分段拟合法获得每个主切削齿对应的井底岩石强度变化因子与钻头布齿参数之间的关系，具体表达式如下：
压缩强度变化因子与钻头布齿参数之间的拟合表达式关系如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE082
剪切强度变化因子与钻头布齿参数之间的拟合表达式关系如下：
Figure 579631DEST_PATH_IMAGE031
拉伸强度变化因子与钻头布齿参数之间的拟合表达式关系如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE083
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE084
、
Figure DEST_PATH_IMAGE085
、
Figure DEST_PATH_IMAGE086
、
Figure DEST_PATH_IMAGE087
、
Figure DEST_PATH_IMAGE088
、
Figure DEST_PATH_IMAGE089
、
Figure DEST_PATH_IMAGE090
、
Figure DEST_PATH_IMAGE091
为钻头上第
Figure DEST_PATH_IMAGE092
个切削齿对应的强度变化因子表达式的拟合系数，无量纲；
Figure DEST_PATH_IMAGE093
为钻头上第
Figure 736200DEST_PATH_IMAGE092
个切削齿动态破岩过程动态单轴压缩强度，MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE094
为钻头上第
Figure 944458DEST_PATH_IMAGE092
个切削齿动态破岩过程动态单轴压缩强度与静态单轴压缩强度的比值，简称压缩强度变化因子，无量纲；
Figure DEST_PATH_IMAGE095
为钻头上第
Figure 555568DEST_PATH_IMAGE092
个切削齿动态破岩过程动态剪切强度，MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE096
为钻头上第
Figure 689615DEST_PATH_IMAGE092
个切削齿动态破岩过程动态剪切强度与静态剪切强度的比值，简称剪切强度变化因子，无量纲；
Figure DEST_PATH_IMAGE097
为钻头上第
Figure 753386DEST_PATH_IMAGE092
个切削齿动态破岩过程动态拉伸强度，MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE098
为钻头上第
Figure 765336DEST_PATH_IMAGE092
个切削齿动态破岩过程动态拉伸强度与静态拉伸强度的比值，简称拉伸强度变化因子，无量纲；
Figure DEST_PATH_IMAGE099
为静态岩石单轴压缩强度，MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE100
为静态岩石拉伸强度，MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE101
为静态岩石剪切强度，MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE102
为钻头上第
Figure 545466DEST_PATH_IMAGE092
个切削齿的切削速度，m/s；
Figure DEST_PATH_IMAGE103
为切削深度，mm；
Figure DEST_PATH_IMAGE104
为钻齿后倾角，rad；
Figure DEST_PATH_IMAGE105
为成屑-压实过渡角，rad；
Figure DEST_PATH_IMAGE106
为载荷动态加载临界应变率，s-1。
、步骤S5：通过调整钻头布齿参数，调整步骤S4中得到的每对相邻主切削齿对应的不同类型井底岩石强度变化因子之间的差值，并分别将不同类型的井底岩石强度变化因子之间的差值控制到25%以内，其中不同类型井底岩石强度变化因子包括压缩强度变化因子、拉伸强度变化因子、剪切强度变化因子；
所述步骤S5中的每对相邻主切削齿对应的不同类型井底岩石强度变化因子之间的差值，并分别将不同类型的井底岩石强度变化因子之间的差值控制到25%以内具体表达式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE107
Figure DEST_PATH_IMAGE108
Figure DEST_PATH_IMAGE109
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE110
为每个主切削齿对应的井底岩石单轴压缩强度变化因子之间的差值，无量纲；
Figure DEST_PATH_IMAGE111
为每个主切削齿对应的井底岩石剪切强度变化因子之间的差值，无量纲；
Figure DEST_PATH_IMAGE112
为每个主切削齿对应的井底岩石拉伸强度变化因子之间的差值，无量纲；
Figure 319256DEST_PATH_IMAGE094
为钻头上第
Figure 604744DEST_PATH_IMAGE092
个切削齿动态破岩过程动态单轴压缩强度与静态单轴压缩强度的比值，简称压缩强度变化因子，无量纲；
Figure 607335DEST_PATH_IMAGE096
为钻头上第
Figure 661879DEST_PATH_IMAGE092
个切削齿动态破岩过程动态剪切强度与静态剪切强度的比值，简称剪切强度变化因子，无量纲；
Figure 373614DEST_PATH_IMAGE098
为钻头上第
Figure 615239DEST_PATH_IMAGE092
个切削齿动态破岩过程动态拉伸强度与静态拉伸强度的比值，简称拉伸强度变化因子，无量纲；
Figure 687100DEST_PATH_IMAGE099
为静态岩石单轴压缩强度，MPa；
Figure 596151DEST_PATH_IMAGE100
为静态岩石拉伸强度，MPa；
Figure 462475DEST_PATH_IMAGE101
为静态岩石剪切强度，MPa。
步骤S6：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，并计算每个主切削齿对应的钻齿合力；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、钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和；通过调节钻头布齿参数，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控制到0，将钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和控制到0；
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：
钻齿水平切削力学计算方法根据以下公式确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE113
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE114
；
Figure DEST_PATH_IMAGE115
；
Figure DEST_PATH_IMAGE116
；
Figure DEST_PATH_IMAGE117
；
Figure DEST_PATH_IMAGE118
；
Figure DEST_PATH_IMAGE119
；
Figure DEST_PATH_IMAGE120
；
Figure DEST_PATH_IMAGE121
；
Figure DEST_PATH_IMAGE122
；
Figure DEST_PATH_IMAGE123
；
Figure DEST_PATH_IMAGE124
；
Figure DEST_PATH_IMAGE125
；
Figure DEST_PATH_IMAGE126
；
Figure DEST_PATH_IMAGE127
；
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE128
为钻齿水平切削力，N；
Figure DEST_PATH_IMAGE129
为动态岩石单轴压缩强度，MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE130
为动态岩石拉伸强度，MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE131
为动态岩石剪切强度，MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE132
为钻齿后倾角，rad；
Figure DEST_PATH_IMAGE133
为成屑-压实过渡角，rad；
Figure DEST_PATH_IMAGE134
为钻齿和岩石接触面之间的平均摩擦角，rad；
Figure DEST_PATH_IMAGE135
为岩石内摩擦角，
Figure DEST_PATH_IMAGE136
为钻齿侵入等效宽度，mm；
Figure DEST_PATH_IMAGE137
为钻齿侵入深度，mm。
钻齿垂直压入力学计算方法根据以下公式确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE138
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE139
为钻齿的垂直压入力，N；
Figure 402182DEST_PATH_IMAGE132
为钻齿后倾角，rad；
Figure 746576DEST_PATH_IMAGE134
为钻齿和岩石接触面之间的平均摩擦角，rad；
Figure 24979DEST_PATH_IMAGE128
为钻齿的垂直压入力，N。
钻齿的合力计算方法根据以下公式确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE140
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE141
；
Figure DEST_PATH_IMAGE142
；
Figure DEST_PATH_IMAGE143
；
Figure DEST_PATH_IMAGE144
；
Figure DEST_PATH_IMAGE145
；
Figure 203151DEST_PATH_IMAGE119
；
Figure 684948DEST_PATH_IMAGE120
；
Figure 98611DEST_PATH_IMAGE121
；
Figure 716675DEST_PATH_IMAGE122
；
Figure 442578DEST_PATH_IMAGE123
；
Figure 411671DEST_PATH_IMAGE124
；
Figure 97868DEST_PATH_IMAGE125
；
Figure 101596DEST_PATH_IMAGE126
；
Figure 215045DEST_PATH_IMAGE127
；
式中，
Figure 422167DEST_PATH_IMAGE128
为钻齿水平切削力，N；
Figure 912054DEST_PATH_IMAGE129
为动态岩石单轴压缩强度，MPa；
Figure 770289DEST_PATH_IMAGE130
为动态岩石拉伸强度，MPa；
Figure 320219DEST_PATH_IMAGE131
为动态岩石剪切强度，MPa；
Figure 263904DEST_PATH_IMAGE132
为钻齿后倾角，rad；
Figure 806750DEST_PATH_IMAGE133
为成屑-压实过渡角，rad；
Figure 253911DEST_PATH_IMAGE134
为钻齿和岩石接触面之间的平均摩擦角，rad；
Figure 974743DEST_PATH_IMAGE135
为岩石内摩擦角，
Figure 405724DEST_PATH_IMAGE136
为钻齿侵入等效宽度，mm；
Figure 502993DEST_PATH_IMAGE137
为钻齿侵入深度，mm；
Figure DEST_PATH_IMAGE146
为钻齿的合力，N。
所述步骤S6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、钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和；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控制到0，将钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和控制到0，具体表达式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE147
；
Figure DEST_PATH_IMAGE148
=0；
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE149
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；
Figure DEST_PATH_IMAGE150
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；
Figure DEST_PATH_IMAGE151
为第
Figure 197804DEST_PATH_IMAGE079
个主切削齿对应的钻齿水平切削力矢量；
Figure DEST_PATH_IMAGE152
为第
Figure 620695DEST_PATH_IMAGE079
个主切削齿对应的钻齿合力矢量；i为第
Figure 538973DEST_PATH_IMAGE079
个主切削齿。
、步骤S7：将步骤S5中不同破碎模式下不同类型的井底岩石强度变化因子之间的差值控制到25%以内、步骤S6中钻头上的每个主切削齿对应的钻齿水平切削力矢量加和控制到0、将钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和控制到0共同作为不同破碎模式下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时，则继续调整钻头布齿参数直到满足钻头设计目标控制条件后即完成钻头设计。
所述步骤S7中不同破碎模式下钻头设计目标控制条件具体表达为：
当钻齿以压缩和剪切复合破碎为主时，将同时满足
Figure DEST_PATH_IMAGE153
，
Figure DEST_PATH_IMAGE154
，
Figure DEST_PATH_IMAGE155
，
Figure DEST_PATH_IMAGE156
条件作为钻头设计目标控制条件；
当钻齿以剪切和拉伸复合破碎为主时，将同时满足
Figure DEST_PATH_IMAGE157
，
Figure DEST_PATH_IMAGE158
，
Figure 298987DEST_PATH_IMAGE155
，
Figure 986320DEST_PATH_IMAGE156
条件作为钻头设计目标控制条件；
当钻齿以拉伸和压缩复合破碎为主时，将同时满足
Figure 48954DEST_PATH_IMAGE158
，
Figure 188949DEST_PATH_IMAGE153
，
Figure 893600DEST_PATH_IMAGE155
，
Figure 920592DEST_PATH_IMAGE156
条件作为钻头设计目标控制条件；
当钻齿以压缩破碎为主时，将同时满足
Figure 419707DEST_PATH_IMAGE153
，
Figure 781418DEST_PATH_IMAGE155
，
Figure 758601DEST_PATH_IMAGE156
条件作为钻头设计目标控制条件；
当钻齿以剪切破碎为主时，将同时满足
Figure 154948DEST_PATH_IMAGE157
，
Figure 559384DEST_PATH_IMAGE155
，
Figure 937887DEST_PATH_IMAGE156
条件作为钻头设计目标控制条件；
当钻齿以拉伸破碎为主时，将同时满足
Figure 718761DEST_PATH_IMAGE063
，
Figure 235193DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure 810531DEST_PATH_IMAGE062
条件作为钻头设计目标控制条件。
其中，所述步骤S3、步骤S5及步骤S7中钻头布齿参数包括钻齿的数量、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、钻齿切削深度、切削齿在钻头上的转速。
本发明公开了一种追踪钻头破岩井底岩石强度全域相等的钻头设计方法，该方法包括，现场取样，进行岩石强度实验，获取对应类型的强度实验及载荷动态加载应变率数据；建立动态岩石强度、静态岩石强度、载荷动态加载应变率之间的关系；根据钻齿破岩过程载荷动态加载应变率计算方法，调整钻头布齿参数，计算钻齿破碎岩石过程的载荷动态加载应变率；建立每个主切削齿对应的井底岩石强度变化因子与钻头布齿参数之间的关系；通过调整钻头布齿参数，调整每对相邻主切削齿对应的不同类型井底岩石强度变化因子之间的差值；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、钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和；根据不同破碎模式下钻头设计目标控制条件完成钻头设计。此种设计方法基于控制钻头破岩井底岩石强度全域相等的原理，通过调整切削齿与岩石动态接触强度完成钻头设计，减少传统钻头各个主切削齿所受强度不同导致的钻头局部损坏、破岩效率下降，提高钻头井底均匀受力均匀性、增强破岩效率和机械钻速，延长钻头寿命，具有广阔应用前景。
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。

Claims (9)

1.一种追踪钻头破岩井底岩石强度全域相等的钻头设计方法，其特征在于，所述钻头设计方法包括以下步骤：
步骤S1：现场取样，进行静态岩石单轴压缩强度实验、静态岩石拉伸强度实验、静态岩石剪切强度实验、动态岩石单轴压缩强度实验、动态岩石拉伸强度实验、动态岩石剪切强度实验，并获取静态岩石单轴压缩强度、静态岩石拉伸强度、静态岩石剪切强度、动态岩石单轴压缩强度、动态岩石拉伸强度、动态岩石剪切强度数据及载荷动态加载应变率数据；
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：根据钻齿破岩过程载荷动态加载应变率计算方法，调整钻头布齿参数，计算钻齿破碎岩石过程的载荷动态加载应变率；
步骤S4：利用步骤S2中获得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，结合步骤S3中获得的钻齿破碎岩石过程的载荷动态加载应变率，建立每个主切削齿对应的井底岩石强度变化因子与钻头布齿参数之间的关系；
步骤S5：通过调整钻头布齿参数，调整步骤S4中得到的每对相邻主切削齿对应的不同类型井底岩石强度变化因子之间的差值，并分别将不同类型的井底岩石强度变化因子之间的差值控制到25%以内，其中不同类型井底岩石强度变化因子包括压缩强度变化因子、拉伸强度变化因子、剪切强度变化因子；
步骤S6：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，并计算每个主切削齿对应的钻齿合力；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、钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和；通过调节钻头布齿参数，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控制到0，将钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和控制到0；
步骤S7：将步骤S5中不同破碎模式下不同类型的井底岩石强度变化因子之间的差值控制到25%以内、步骤S6中钻头上的每个主切削齿对应的钻齿水平切削力矢量加和控制到0、将钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和控制到0共同作为不同破碎模式下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时，则继续调整钻头布齿参数直到满足钻头设计目标控制条件后即完成钻头设计。
2.如权利要求1所述的一种追踪钻头破岩井底岩石强度全域相等的钻头设计方法，其特征在于，所述步骤S1静态岩石单轴压缩强度实验、静态岩石拉伸强度实验、静态岩石剪切强度实验均在电液材料实验机上进行，且加载应变率小于等于10s-1；动态岩石单轴压缩强度实验、动态岩石拉伸强度实验、动态岩石剪切强度实验均在分离式霍普金森压杆岩石力学实验机上进行，且加载应变率大于10s-1。
3.如权利要求1所述的一种追踪钻头破岩井底岩石强度全域相等的钻头设计方法，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：
Figure 384047DEST_PATH_IMAGE001
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：
Figure 171875DEST_PATH_IMAGE002
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：
Figure 542813DEST_PATH_IMAGE003
式中，
Figure 554632DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 643810DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 284264DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 712971DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 895691DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 737745DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 664112DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 947326DEST_PATH_IMAGE011
为拟合系数，无量纲；
Figure 317259DEST_PATH_IMAGE012
为静态岩石单轴压缩强度，MPa；
Figure 381030DEST_PATH_IMAGE013
为静态岩石拉伸强度，MPa；
Figure 845509DEST_PATH_IMAGE014
为静态岩石剪切强度，MPa；
Figure 45546DEST_PATH_IMAGE015
动态岩石单轴压缩强度，MPa；
Figure 38910DEST_PATH_IMAGE016
为动态岩石拉伸强度，MPa；
Figure 308086DEST_PATH_IMAGE017
为动态岩石剪切强度，MPa；
Figure 107415DEST_PATH_IMAGE018
为载荷动态加载应变率，s-1；
Figure 161959DEST_PATH_IMAGE019
为载荷动态加载临界应变率，s-1。
4.如权利要求1所述的一种追踪钻头破岩井底岩石强度全域相等的钻头设计方法，其特征在于，所述步骤S3中所述钻齿破岩过程载荷动态加载应变率
Figure 60645DEST_PATH_IMAGE020
计算方法表达形式如下：
Figure 833428DEST_PATH_IMAGE021
式中，
Figure 921601DEST_PATH_IMAGE018
为为载荷动态加载应变率，s-1；
Figure 830651DEST_PATH_IMAGE022
为切削齿速度，mm/s；
Figure 165818DEST_PATH_IMAGE023
为切削深度，mm；
Figure 160319DEST_PATH_IMAGE024
为钻齿后倾角，rad；
Figure 301450DEST_PATH_IMAGE025
为成屑-压实过渡角，rad；
其中，第
Figure 571064DEST_PATH_IMAGE026
个主切削齿的切削速度
Figure 608291DEST_PATH_IMAGE027
的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
式中，
Figure 90087DEST_PATH_IMAGE029
为钻头上第
Figure 769331DEST_PATH_IMAGE030
个主切削齿所在位置到钻头轴心线的距离，m；
Figure 403705DEST_PATH_IMAGE031
为切削齿在钻头上的转速，r/min；
Figure 815095DEST_PATH_IMAGE032
为钻头上第
Figure 784188DEST_PATH_IMAGE030
个切削齿的切削速度，m/s。
5.如权利要求1所述的一种追踪钻头破岩井底岩石强度全域相等的钻头设计方法，其特征在于，所述步骤S4中建立每个主切削齿对应的井底岩石强度变化因子与钻头布齿参数之间的关系的具体方法为：将步骤S3中获得的钻齿破岩过程载荷动态加载应变率对应到步骤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中，并通过分段拟合法获得每个主切削齿对应的井底岩石强度变化因子与钻头布齿参数之间的关系，具体表达式如下：
压缩强度变化因子与钻头布齿参数之间的拟合表达式关系如下：
Figure 267122DEST_PATH_IMAGE033
剪切强度变化因子与钻头布齿参数之间的拟合表达式关系如下：
Figure 5271DEST_PATH_IMAGE034
拉伸强度变化因子与钻头布齿参数之间的拟合表达式关系如下：
Figure 853141DEST_PATH_IMAGE035
式中，
Figure 558798DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 579844DEST_PATH_IMAGE037
、
Figure 438078DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 456850DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 134956DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure 710425DEST_PATH_IMAGE041
、
Figure 423166DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure 612839DEST_PATH_IMAGE043
为钻头上第
Figure 43820DEST_PATH_IMAGE044
个切削齿对应的强度变化因子表达式的拟合系数，无量纲；
Figure 406668DEST_PATH_IMAGE045
为钻头上第
Figure 226113DEST_PATH_IMAGE044
个切削齿动态破岩过程动态单轴压缩强度，MPa；
Figure 586687DEST_PATH_IMAGE046
为钻头上第
Figure 239385DEST_PATH_IMAGE044
个切削齿动态破岩过程动态单轴压缩强度与静态单轴压缩强度的比值，简称压缩强度变化因子，无量纲；
Figure 405925DEST_PATH_IMAGE047
为钻头上第
Figure 93258DEST_PATH_IMAGE044
个切削齿动态破岩过程动态剪切强度，MPa；
Figure 624733DEST_PATH_IMAGE048
为钻头上第
Figure 515460DEST_PATH_IMAGE044
个切削齿动态破岩过程动态剪切强度与静态剪切强度的比值，简称剪切强度变化因子，无量纲；
Figure 220111DEST_PATH_IMAGE049
为钻头上第
Figure 761951DEST_PATH_IMAGE044
个切削齿动态破岩过程动态拉伸强度，MPa；
Figure 261065DEST_PATH_IMAGE050
为钻头上第
Figure 91618DEST_PATH_IMAGE044
个切削齿动态破岩过程动态拉伸强度与静态拉伸强度的比值，简称拉伸强度变化因子，无量纲；
Figure 583648DEST_PATH_IMAGE051
为静态岩石单轴压缩强度，MPa；
Figure 511153DEST_PATH_IMAGE052
为静态岩石拉伸强度，MPa；
Figure 181168DEST_PATH_IMAGE053
为静态岩石剪切强度，MPa；
Figure 233438DEST_PATH_IMAGE054
为钻头上第
Figure 279891DEST_PATH_IMAGE044
个切削齿的切削速度，m/s；
Figure 812635DEST_PATH_IMAGE055
为切削深度，mm；
Figure 653552DEST_PATH_IMAGE056
为钻齿后倾角，rad；
Figure 193118DEST_PATH_IMAGE057
为成屑-压实过渡角，rad；
Figure 777683DEST_PATH_IMAGE058
为载荷动态加载临界应变率，s-1。
6.如权利要求1所述的一种追踪钻头破岩井底岩石强度全域相等的钻头设计方法，其特征在于，所述步骤S3、步骤S5及步骤S7中钻头布齿参数包括钻齿的数量、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、钻齿切削深度、切削齿在钻头上的转速。
7.如权利要求1所述的一种追踪钻头破岩井底岩石强度全域相等的钻头设计方法，其特征在于，所述步骤S5的每对相邻主切削齿对应的不同类型井底岩石强度变化因子之间的差值，并分别将不同类型的井底岩石强度变化因子之间的差值控制到25%以内具体表达式如下：
Figure 414201DEST_PATH_IMAGE059
Figure 678216DEST_PATH_IMAGE060
Figure 767395DEST_PATH_IMAGE061
式中，
Figure 93334DEST_PATH_IMAGE062
为每个主切削齿对应的井底岩石单轴压缩强度变化因子之间的差值，无量纲；
Figure 584358DEST_PATH_IMAGE063
为每个主切削齿对应的井底岩石剪切强度变化因子之间的差值，无量纲；
Figure 32657DEST_PATH_IMAGE064
为每个主切削齿对应的井底岩石拉伸强度变化因子之间的差值，无量纲；
Figure 94285DEST_PATH_IMAGE046
为钻头上第
Figure 223915DEST_PATH_IMAGE044
个切削齿动态破岩过程动态单轴压缩强度与静态单轴压缩强度的比值，简称压缩强度变化因子，无量纲；
Figure 569446DEST_PATH_IMAGE048
为钻头上第
Figure 188646DEST_PATH_IMAGE044
个切削齿动态破岩过程动态剪切强度与静态剪切强度的比值，简称剪切强度变化因子，无量纲；
Figure 986838DEST_PATH_IMAGE050
为钻头上第
Figure 920159DEST_PATH_IMAGE044
个切削齿动态破岩过程动态拉伸强度与静态拉伸强度的比值，简称拉伸强度变化因子，无量纲；
Figure 369464DEST_PATH_IMAGE051
为静态岩石单轴压缩强度，MPa；
Figure 159565DEST_PATH_IMAGE052
为静态岩石拉伸强度，MPa；
Figure 445053DEST_PATH_IMAGE053
为静态岩石剪切强度，MPa。
8.如权利要求1所述的一种追踪钻头破岩井底岩石强度全域相等的钻头设计方法，其特征在于，所述步骤S6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控制到0，将钻头上的每个主切削齿对应的钻齿的合力矢量加和控制到0，具体表达式如下：
Figure 182065DEST_PATH_IMAGE065
；
Figure 236608DEST_PATH_IMAGE066
=0；
式中，
Figure 948344DEST_PATH_IMAGE067
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；
Figure 721128DEST_PATH_IMAGE068
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；
Figure 792989DEST_PATH_IMAGE069
为第
Figure 905301DEST_PATH_IMAGE030
个主切削齿对应的钻齿水平切削力矢量；
Figure 37205DEST_PATH_IMAGE070
为第
Figure 549483DEST_PATH_IMAGE030
个主切削齿对应的钻齿合力矢量；i为第
Figure 425035DEST_PATH_IMAGE030
个主切削齿。
9.如权利要求1所述的一种追踪钻头破岩井底岩石强度全域相等的钻头设计方法，其特征在于，所述步骤S7中不同破碎模式下钻头设计目标控制条件具体表达为：
当钻齿以压缩和剪切复合破碎为主时，将同时满足
Figure 391854DEST_PATH_IMAGE071
，
Figure 694659DEST_PATH_IMAGE072
，
Figure 442035DEST_PATH_IMAGE073
，
Figure 606431DEST_PATH_IMAGE074
条件作为钻头设计目标控制条件；
当钻齿以剪切和拉伸复合破碎为主时，将同时满足
Figure 693336DEST_PATH_IMAGE072
，
Figure 167043DEST_PATH_IMAGE075
，
Figure 136136DEST_PATH_IMAGE073
，
Figure 619070DEST_PATH_IMAGE074
条件作为钻头设计目标控制条件；
当钻齿以拉伸和压缩复合破碎为主时，将同时满足
Figure 606486DEST_PATH_IMAGE075
，
Figure 454357DEST_PATH_IMAGE071
，
Figure 176325DEST_PATH_IMAGE073
，
Figure 931791DEST_PATH_IMAGE074
条件作为钻头设计目标控制条件；
当钻齿以压缩破碎为主时，将同时满足
Figure 790026DEST_PATH_IMAGE071
，
Figure 543218DEST_PATH_IMAGE073
，
Figure 237636DEST_PATH_IMAGE074
条件作为钻头设计目标控制条件；
当钻齿以剪切破碎为主时，将同时满足
Figure 62372DEST_PATH_IMAGE072
，
Figure 775114DEST_PATH_IMAGE073
，
Figure 964786DEST_PATH_IMAGE074
条件作为钻头设计目标控制条件；
当钻齿以拉伸破碎为主时，将同时满足
Figure 130189DEST_PATH_IMAGE075
，
Figure 756953DEST_PATH_IMAGE073
，
Figure 589780DEST_PATH_IMAGE074
条件作为钻头设计目标控制条件。
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