CN113821894B - 一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法 - Google Patents

一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法 Download PDF

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Abstract

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。

Description

一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法
技术领域
本发明涉及钻头设计方法领域，特别是一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法。
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。以及专利CN201010500309.9发明了牙轮钻头轮齿结构的分形设计方法，提出了一种对牙轮钻头轮齿的尺寸、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，忽略了岩石动态破碎过程井底复杂岩石动态强度性质变化对钻头工作状态的影响，因而所设计的钻头性能受到了限制。
早期的钻头设计常采用“试凑经验法”：只考虑钻压对钻头静态强度影响，即单因素，没有考虑岩石强度动态变化的影响，因而设计出的钻头性能、钻速都受到限制。钻头通过牙齿破碎井底岩石实现钻进，因而钻头钻速和寿命与井底岩石性能直接相关；传统钻头在钻遇地层时，其钻头上的每个对称组别的主切削齿所受强度均不同，无法根据不同局部破碎特征区进行有效调整，从而导致了钻头上的每个对称组别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，考虑基于局部变强度破岩原理，建立一种钻头优化设计方法，本充分考虑钻头上每个对称组别的主切削齿所受的强度，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。
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。
为实现以上技术效果，采用如下技术方案：
一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法，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。
进一步的，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PDC；钻齿类型包括平面切削齿和锥形切削齿。
进一步的，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PDC钻头同一类型钻齿划分为局部破碎特征区；将PDC-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。
进一步的，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。
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 711529DEST_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 570900DEST_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 179736DEST_PATH_IMAGE003
式中，
Figure 149966DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 222964DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 190920DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 847905DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 684142DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 814909DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 953767DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 333932DEST_PATH_IMAGE011
为拟合系数，无量纲；
Figure 849227DEST_PATH_IMAGE012
为静态岩石单轴压缩强度，MPa；
Figure 398283DEST_PATH_IMAGE013
为静态岩石拉伸强度，MPa；
Figure 770358DEST_PATH_IMAGE014
为静态岩石剪切强度，MPa；
Figure 575503DEST_PATH_IMAGE015
动态岩石单轴压缩强度，MPa；
Figure 691227DEST_PATH_IMAGE016
为动态岩石拉伸强度，MPa；
Figure 531007DEST_PATH_IMAGE017
为动态岩石剪切强度，MPa；
Figure 634836DEST_PATH_IMAGE018
为载荷动态加载应变率，s-1；
Figure 192856DEST_PATH_IMAGE019
为载荷动态加载临界应变率，其单位为s-1；
进一步的，所述钻齿破岩过程载荷动态加载应变率
Figure 784374DEST_PATH_IMAGE018
计算方法表达形式如下：
Figure 806557DEST_PATH_IMAGE020
式中，
Figure 458118DEST_PATH_IMAGE018
为为载荷动态加载应变率，s-1；
Figure 300172DEST_PATH_IMAGE021
为切削齿速度，mm/s；
Figure 695381DEST_PATH_IMAGE022
为切削深度，mm；
Figure 572071DEST_PATH_IMAGE023
为钻齿后倾角，rad；
Figure 958315DEST_PATH_IMAGE024
为成屑-压实过渡角，rad。
钻头上第
Figure 225348DEST_PATH_IMAGE025
个主切削齿的切削速度
Figure 548882DEST_PATH_IMAGE026
的表达式为：
Figure 280078DEST_PATH_IMAGE027
式中，
Figure 273441DEST_PATH_IMAGE028
为钻头上第
Figure 27771DEST_PATH_IMAGE025
个主切削齿所在位置到钻头轴心线的距离，其单位为m；
Figure 30362DEST_PATH_IMAGE029
为切削齿在钻头上的转速，其单位为r/min；
Figure 553747DEST_PATH_IMAGE026
为钻头上第
Figure 278864DEST_PATH_IMAGE025
个切削齿的切削速度，其单位为m/s。
进一步的，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。
进一步的，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，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：
Figure 582807DEST_PATH_IMAGE030
Figure 123509DEST_PATH_IMAGE031
Figure 563718DEST_PATH_IMAGE032
式中，
Figure 164464DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure 690123DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 34517DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 893013DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 664660DEST_PATH_IMAGE037
、
Figure 615299DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 497804DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 912605DEST_PATH_IMAGE040
为钻头上第
Figure 855153DEST_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 355405DEST_PATH_IMAGE041
为钻头上第
Figure 41601DEST_PATH_IMAGE025
个切削齿动态破岩过程动态单轴压缩强度，MPa；
Figure 934077DEST_PATH_IMAGE042
为钻头上第
Figure 109844DEST_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 598856DEST_PATH_IMAGE043
为钻头上第
Figure 823164DEST_PATH_IMAGE025
个切削齿动态破岩过程动态剪切强度，MPa；
Figure 150240DEST_PATH_IMAGE044
为钻头上第
Figure 169012DEST_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 581538DEST_PATH_IMAGE045
为钻头上第
Figure 671854DEST_PATH_IMAGE025
个切削齿动态破岩过程动态拉伸强度，MPa；
Figure 853437DEST_PATH_IMAGE046
为钻头上第
Figure 371006DEST_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 67566DEST_PATH_IMAGE012
为静态岩石单轴压缩强度，MPa；
Figure 633677DEST_PATH_IMAGE013
为静态岩石拉伸强度，MPa；
Figure 519635DEST_PATH_IMAGE014
为静态岩石剪切强度，MPa；
Figure 145788DEST_PATH_IMAGE026
为钻头上第
Figure 391962DEST_PATH_IMAGE025
个切削齿的切削速度，m/s；
Figure 761763DEST_PATH_IMAGE022
为切削深度，mm；
Figure 980255DEST_PATH_IMAGE023
为钻齿后倾角，rad；
Figure 341092DEST_PATH_IMAGE024
为成屑-压实过渡角，rad；
Figure 949927DEST_PATH_IMAGE018
为载荷动态加载应变率，s-1；
Figure 920157DEST_PATH_IMAGE019
为载荷动态加载临界应变率，其单位为s-1。进一步的，所述步骤S3中局部破碎特征区强度模式因子的计算方法为：
局部破碎特征区为压缩破碎区时：
Figure 930839DEST_PATH_IMAGE047
局部破碎特征区为剪切破碎区时：
Figure 961112DEST_PATH_IMAGE048
局部破碎特征区为拉伸破碎区时：
Figure 57244DEST_PATH_IMAGE049
局部破碎特征区为压缩-剪切破碎区时：
Figure 831165DEST_PATH_IMAGE050
局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎区时:
Figure 696352DEST_PATH_IMAGE051
局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎区时:
Figure 458379DEST_PATH_IMAGE052
式中，
Figure 166441DEST_PATH_IMAGE053
为局部破碎特征区为压缩破碎时的强度模式因子，其单位为MPa；
Figure 681736DEST_PATH_IMAGE054
为局部破碎特征区为剪切破碎时的强度模式因子，其单位为MPa；
Figure 965212DEST_PATH_IMAGE055
为局部破碎特征区为拉伸破碎时的强度模式因子，其单位为MPa；
Figure 274970DEST_PATH_IMAGE056
为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时的强度模式因子，其单位为MPa；
Figure 408011DEST_PATH_IMAGE057
为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时的强度模式因子，其单位为MPa；
Figure 461418DEST_PATH_IMAGE058
为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时的强度模式因子，其单位为MPa；k为局部破碎特征区为压缩破碎时切削齿数量，取值为1，2，3…k，无量纲；l为局部破碎特征区为剪切破碎时切削齿数量，取值为1，2，3…l，无量纲；n为局部破碎特征区为拉伸破碎时切削齿数量，取值为1，2，3…n，无量纲；m为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时切削齿数量，取值为1，2，3…m，无量纲；j为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时切削齿数量，取值为1，2，3…j，无量纲；q为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时切削齿数量，取值为1，2，3…q，无量纲；
Figure 363515DEST_PATH_IMAGE059
为局部破碎特征区为压缩破碎时，第k个切削齿对应的动态岩石单轴压缩强度，其单位为MPa；
Figure 844175DEST_PATH_IMAGE060
为局部破碎特征区为剪切破碎时，第l个切削齿对应的动态岩石剪切强度，其单位为MPa；
Figure 25364DEST_PATH_IMAGE061
为局部破碎特征区为拉伸破碎时，第n个切削齿对应的动态岩石拉伸强度，其单位为MPa；
Figure 616882DEST_PATH_IMAGE062
为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时，第m个切削齿对应的动态岩石剪切强度，其单位为MPa；
Figure 311169DEST_PATH_IMAGE063
为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时，第m个切削齿对应的动态岩石单轴压缩强度，其单位为MPa；
Figure 290626DEST_PATH_IMAGE064
为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时，第j个切削齿对应的动态岩石剪切强度，其单位为MPa；
Figure 70363DEST_PATH_IMAGE065
为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时，第j个切削齿对应的动态岩石拉伸强度，其单位为MPa；
Figure 527889DEST_PATH_IMAGE066
为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时，第q个切削齿对应的动态岩石单轴压缩强度，其单位为MPa；
Figure 342262DEST_PATH_IMAGE067
为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时，第q个切削齿对应的动态岩石拉伸强度，其单位为MPa；
Figure 227041DEST_PATH_IMAGE012
为静态岩石单轴压缩强度，其单位为MPa；
Figure 494074DEST_PATH_IMAGE013
为静态岩石拉伸强度，其单位为MPa；
Figure 256756DEST_PATH_IMAGE014
为静态岩石剪切强度，其单位为MPa；
Figure 925635DEST_PATH_IMAGE015
为动态岩石单轴压缩强度，其单位为MPa；
Figure 43633DEST_PATH_IMAGE016
为动态岩石拉伸强度，其单位为MPa；
Figure 797962DEST_PATH_IMAGE017
为动态岩石剪切强度，其单位为MPa。
进一步的，所述钻齿参数为钻齿的倾角和空间位置；所述步骤S4中调整局部破碎特征区强度模式因子之间的差值为：
局部破碎特征区为压缩破碎区时：
Figure 534974DEST_PATH_IMAGE068
局部破碎特征区为剪切破碎区时：
Figure 58359DEST_PATH_IMAGE069
局部破碎特征区为拉伸破碎区时：
Figure 550520DEST_PATH_IMAGE070
局部破碎特征区为压缩-剪切破碎区时：
Figure 792146DEST_PATH_IMAGE071
局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎区时：
Figure 628121DEST_PATH_IMAGE072
局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎区时：
Figure 271592DEST_PATH_IMAGE073
式中，
Figure 669076DEST_PATH_IMAGE074
为局部破碎特征区为压缩破碎时强度模式因子之间的差值，无量纲；
Figure 397997DEST_PATH_IMAGE075
为局部破碎特征区为剪切破碎时强度模式因子之间的差值，无量纲；
Figure 539129DEST_PATH_IMAGE076
为局部破碎特征区为拉伸破碎时强度模式因子之间的差值，无量纲；
Figure 37106DEST_PATH_IMAGE077
为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时强度模式因子之间的差值，无量纲；
Figure 434852DEST_PATH_IMAGE078
为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时强度模式因子之间的差值，无量纲；
Figure 447807DEST_PATH_IMAGE079
为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时强度模式因子之间的差值，无量纲。
本发明的有益效果为：
本发明考虑基于局部变强度破岩原理，建立了一种钻头优化设计方法，本发明充分考虑钻头上每个对称组别的主切削齿所受的强度，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。
附图说明
图1为本申请实施例中一种基于局部变强度破岩原理的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，一种基于局部变强度破岩原理的钻头设计方法，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PDC；钻齿类型包括平面切削齿和锥形切削齿。
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PDC钻头同一类型钻齿划分为局部破碎特征区；将PDC-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。
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。
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 330312DEST_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 682796DEST_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 625344DEST_PATH_IMAGE003
式中，
Figure 748765DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 169382DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 704268DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 817718DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 867582DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 91890DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 153387DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 437738DEST_PATH_IMAGE011
为拟合系数，无量纲；
Figure 414047DEST_PATH_IMAGE012
为静态岩石单轴压缩强度，MPa；
Figure 442045DEST_PATH_IMAGE013
为静态岩石拉伸强度，MPa；
Figure 685945DEST_PATH_IMAGE014
为静态岩石剪切强度，MPa；
Figure 875618DEST_PATH_IMAGE015
动态岩石单轴压缩强度，MPa；
Figure 837758DEST_PATH_IMAGE016
为动态岩石拉伸强度，MPa；
Figure 403868DEST_PATH_IMAGE017
为动态岩石剪切强度，MPa；
Figure 767853DEST_PATH_IMAGE018
为载荷动态加载应变率，s-1；
Figure 128428DEST_PATH_IMAGE019
为载荷动态加载临界应变率，其单位为s-1；
所述钻齿破岩过程载荷动态加载应变率
Figure 138716DEST_PATH_IMAGE018
计算方法表达形式如下：
Figure 508517DEST_PATH_IMAGE020
式中，
Figure 399113DEST_PATH_IMAGE018
为为载荷动态加载应变率，s-1；
Figure 196167DEST_PATH_IMAGE021
为切削齿速度，mm/s；
Figure 867320DEST_PATH_IMAGE022
为切削深度，mm；
Figure 40812DEST_PATH_IMAGE023
为钻齿后倾角，rad；
Figure 113811DEST_PATH_IMAGE024
为成屑-压实过渡角，rad。
钻头上第
Figure 81767DEST_PATH_IMAGE025
个主切削齿的切削速度
Figure 741680DEST_PATH_IMAGE026
的表达式为：
Figure 453285DEST_PATH_IMAGE027
式中，
Figure 380789DEST_PATH_IMAGE028
为钻头上第
Figure 519647DEST_PATH_IMAGE025
个主切削齿所在位置到钻头轴心线的距离，其单位为m；
Figure 788560DEST_PATH_IMAGE029
为切削齿在钻头上的转速，其单位为r/min；
Figure 100593DEST_PATH_IMAGE026
为钻头上第
Figure 85867DEST_PATH_IMAGE025
个切削齿的切削速度，其单位为m/s。
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。
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，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：
Figure 395625DEST_PATH_IMAGE030
Figure 466349DEST_PATH_IMAGE031
Figure 582073DEST_PATH_IMAGE032
式中，
Figure 421853DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure 964830DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 257271DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 678150DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 372437DEST_PATH_IMAGE037
、
Figure 86315DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 131631DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 651474DEST_PATH_IMAGE040
为钻头上第
Figure 200267DEST_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 849161DEST_PATH_IMAGE041
为钻头上第
Figure 116194DEST_PATH_IMAGE025
个切削齿动态破岩过程动态单轴压缩强度，MPa；
Figure 377411DEST_PATH_IMAGE042
为钻头上第
Figure 780711DEST_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 101971DEST_PATH_IMAGE043
为钻头上第
Figure 856300DEST_PATH_IMAGE025
个切削齿动态破岩过程动态剪切强度，MPa；
Figure 593312DEST_PATH_IMAGE044
为钻头上第
Figure 179014DEST_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 608858DEST_PATH_IMAGE045
为钻头上第
Figure 148686DEST_PATH_IMAGE025
个切削齿动态破岩过程动态拉伸强度，MPa；
Figure 689389DEST_PATH_IMAGE046
为钻头上第
Figure 395177DEST_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 730343DEST_PATH_IMAGE012
为静态岩石单轴压缩强度，MPa；
Figure 583899DEST_PATH_IMAGE013
为静态岩石拉伸强度，MPa；
Figure 662713DEST_PATH_IMAGE014
为静态岩石剪切强度，MPa；
Figure 160691DEST_PATH_IMAGE026
为钻头上第
Figure 666758DEST_PATH_IMAGE025
个切削齿的切削速度，m/s；
Figure 467266DEST_PATH_IMAGE022
为切削深度，mm；
Figure 349771DEST_PATH_IMAGE023
为钻齿后倾角，rad；
Figure 764572DEST_PATH_IMAGE024
为成屑-压实过渡角，rad；
Figure 707120DEST_PATH_IMAGE018
为载荷动态加载应变率，s-1；
Figure 207372DEST_PATH_IMAGE019
为载荷动态加载临界应变率，其单位为s-1。
步骤S3中局部破碎特征区强度模式因子的计算方法为：
局部破碎特征区为压缩破碎区时：
Figure 627989DEST_PATH_IMAGE047
局部破碎特征区为剪切破碎区时：
Figure 162875DEST_PATH_IMAGE048
局部破碎特征区为拉伸破碎区时：
Figure 10745DEST_PATH_IMAGE049
局部破碎特征区为压缩-剪切破碎区时：
Figure 562075DEST_PATH_IMAGE050
局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎区时:
Figure 786383DEST_PATH_IMAGE051
局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎区时:
Figure 113459DEST_PATH_IMAGE052
式中，
Figure 397810DEST_PATH_IMAGE053
为局部破碎特征区为压缩破碎时的强度模式因子，其单位为MPa；
Figure 872653DEST_PATH_IMAGE054
为局部破碎特征区为剪切破碎时的强度模式因子，其单位为MPa；
Figure 635073DEST_PATH_IMAGE055
为局部破碎特征区为拉伸破碎时的强度模式因子，其单位为MPa；
Figure 878972DEST_PATH_IMAGE056
为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时的强度模式因子，其单位为MPa；
Figure 334225DEST_PATH_IMAGE057
为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时的强度模式因子，其单位为MPa；
Figure 794900DEST_PATH_IMAGE058
为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时的强度模式因子，其单位为MPa；k为局部破碎特征区为压缩破碎时切削齿数量，取值为1，2，3…k，无量纲；l为局部破碎特征区为剪切破碎时切削齿数量，取值为1，2，3…l，无量纲；n为局部破碎特征区为拉伸破碎时切削齿数量，取值为1，2，3…n，无量纲；m为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时切削齿数量，取值为1，2，3…m，无量纲；j为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时切削齿数量，取值为1，2，3…j，无量纲；q为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时切削齿数量，取值为1，2，3…q，无量纲；
Figure 361010DEST_PATH_IMAGE059
为局部破碎特征区为压缩破碎时，第k个切削齿对应的动态岩石单轴压缩强度，其单位为MPa；
Figure 459416DEST_PATH_IMAGE060
为局部破碎特征区为剪切破碎时，第l个切削齿对应的动态岩石剪切强度，其单位为MPa；
Figure 85570DEST_PATH_IMAGE061
为局部破碎特征区为拉伸破碎时，第n个切削齿对应的动态岩石拉伸强度，其单位为MPa；
Figure 535005DEST_PATH_IMAGE062
为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时，第m个切削齿对应的动态岩石剪切强度，其单位为MPa；
Figure 639228DEST_PATH_IMAGE063
为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时，第m个切削齿对应的动态岩石单轴压缩强度，其单位为MPa；
Figure 857719DEST_PATH_IMAGE064
为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时，第j个切削齿对应的动态岩石剪切强度，其单位为MPa；
Figure 654774DEST_PATH_IMAGE065
为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时，第j个切削齿对应的动态岩石拉伸强度，其单位为MPa；
Figure 827392DEST_PATH_IMAGE066
为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时，第q个切削齿对应的动态岩石单轴压缩强度，其单位为MPa；
Figure 63201DEST_PATH_IMAGE067
为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时，第q个切削齿对应的动态岩石拉伸强度，其单位为MPa；
Figure 73882DEST_PATH_IMAGE012
为静态岩石单轴压缩强度，其单位为MPa；
Figure 41838DEST_PATH_IMAGE013
为静态岩石拉伸强度，其单位为MPa；
Figure 200287DEST_PATH_IMAGE014
为静态岩石剪切强度，其单位为MPa；
Figure 646312DEST_PATH_IMAGE015
为动态岩石单轴压缩强度，其单位为MPa；
Figure 839396DEST_PATH_IMAGE016
为动态岩石拉伸强度，其单位为MPa；
Figure 978253DEST_PATH_IMAGE017
为动态岩石剪切强度，其单位为MPa。
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；
钻齿参数为钻齿的倾角和空间位置；所述步骤S4中调整局部破碎特征区强度模式因子之间的差值为：
局部破碎特征区为压缩破碎区时：
Figure 184850DEST_PATH_IMAGE068
局部破碎特征区为剪切破碎区时：
Figure 496883DEST_PATH_IMAGE069
局部破碎特征区为拉伸破碎区时：
Figure 482156DEST_PATH_IMAGE070
局部破碎特征区为压缩-剪切破碎区时：
Figure 791915DEST_PATH_IMAGE071
局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎区时：
Figure 862639DEST_PATH_IMAGE072
局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎区时：
Figure 916046DEST_PATH_IMAGE073
式中，
Figure 818143DEST_PATH_IMAGE074
为局部破碎特征区为压缩破碎时强度模式因子之间的差值，无量纲；
Figure 298803DEST_PATH_IMAGE075
为局部破碎特征区为剪切破碎时强度模式因子之间的差值，无量纲；
Figure 155026DEST_PATH_IMAGE076
为局部破碎特征区为拉伸破碎时强度模式因子之间的差值，无量纲；
Figure 12123DEST_PATH_IMAGE077
为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时强度模式因子之间的差值，无量纲；
Figure 768727DEST_PATH_IMAGE078
为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时强度模式因子之间的差值，无量纲；
Figure 420288DEST_PATH_IMAGE079
为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时强度模式因子之间的差值，无量纲。
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。
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。
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 (10)

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PDC；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PDC钻头同一类型钻齿划分为局部破碎特征区；将PDC-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：
Figure 342114DEST_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 524833DEST_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 507833DEST_PATH_IMAGE003
式中，
Figure 371884DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 451835DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 477560DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 10172DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 661602DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 596060DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 792687DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 812595DEST_PATH_IMAGE011
为拟合系数，无量纲；
Figure 18449DEST_PATH_IMAGE012
为静态岩石单轴压缩强度，MPa；
Figure 745096DEST_PATH_IMAGE013
为静态岩石拉伸强度，MPa；
Figure 440520DEST_PATH_IMAGE014
为静态岩石剪切强度，MPa；
Figure 134675DEST_PATH_IMAGE015
动态岩石单轴压缩强度，MPa；
Figure 675378DEST_PATH_IMAGE016
为动态岩石拉伸强度，MPa；
Figure 787690DEST_PATH_IMAGE017
为动态岩石剪切强度，MPa；
Figure 326119DEST_PATH_IMAGE018
为载荷动态加载应变率，s-1；
Figure 320620DEST_PATH_IMAGE019
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
Figure 602697DEST_PATH_IMAGE018
计算方法表达形式如下：
Figure 366253DEST_PATH_IMAGE020
式中，
Figure 856009DEST_PATH_IMAGE018
为载荷动态加载应变率，s-1；
Figure 9910DEST_PATH_IMAGE021
为切削齿速度，mm/s；
Figure 157995DEST_PATH_IMAGE022
为切削深度，mm；
Figure 713741DEST_PATH_IMAGE023
为钻齿后倾角，rad；
Figure 921868DEST_PATH_IMAGE024
为成屑-压实过渡角，rad；
钻头上第
Figure 563065DEST_PATH_IMAGE025
个主切削齿的切削速度
Figure 249262DEST_PATH_IMAGE026
的表达式为：
Figure 174361DEST_PATH_IMAGE027
式中，
Figure 756652DEST_PATH_IMAGE028
为钻头上第
Figure 947462DEST_PATH_IMAGE025
个主切削齿所在位置到钻头轴心线的距离，其单位为m；
Figure 375032DEST_PATH_IMAGE029
为切削齿在钻头上的转速，其单位为r/min；
Figure 702109DEST_PATH_IMAGE026
为钻头上第
Figure 189722DEST_PATH_IMAGE025
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，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：
Figure 867828DEST_PATH_IMAGE030
Figure 348356DEST_PATH_IMAGE031
Figure 998781DEST_PATH_IMAGE032
式中，
Figure 454033DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure 557118DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 388808DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 893738DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 519892DEST_PATH_IMAGE037
、
Figure 359541DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 994921DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 354359DEST_PATH_IMAGE040
为钻头上第
Figure 354676DEST_PATH_IMAGE041
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 229091DEST_PATH_IMAGE042
为钻头上第
Figure 605845DEST_PATH_IMAGE041
个切削齿动态破岩过程动态单轴压缩强度，MPa；
Figure 882106DEST_PATH_IMAGE043
为钻头上第
Figure 302592DEST_PATH_IMAGE041
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 664303DEST_PATH_IMAGE044
为钻头上第
Figure 579170DEST_PATH_IMAGE041
个切削齿动态破岩过程动态剪切强度，MPa；
Figure 913199DEST_PATH_IMAGE045
为钻头上第
Figure 317635DEST_PATH_IMAGE041
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 104326DEST_PATH_IMAGE046
为钻头上第
Figure 619621DEST_PATH_IMAGE041
个切削齿动态破岩过程动态拉伸强度，MPa；
Figure 57424DEST_PATH_IMAGE047
为钻头上第
Figure 632762DEST_PATH_IMAGE041
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 906749DEST_PATH_IMAGE048
为静态岩石单轴压缩强度，MPa；
Figure 225734DEST_PATH_IMAGE049
为静态岩石拉伸强度，MPa；
Figure 268777DEST_PATH_IMAGE050
为静态岩石剪切强度，MPa；
Figure 15016DEST_PATH_IMAGE051
为钻头上第
Figure 776299DEST_PATH_IMAGE041
个切削齿的切削速度，m/s；
Figure 85926DEST_PATH_IMAGE052
为切削深度，mm；
Figure 45792DEST_PATH_IMAGE053
为钻齿后倾角，rad；
Figure 900615DEST_PATH_IMAGE054
为成屑-压实过渡角，rad；
Figure 211511DEST_PATH_IMAGE055
为载荷动态加载应变率，s-1；
Figure 809983DEST_PATH_IMAGE056
为载荷动态加载临界应变率，其单位为s-1。
9.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中局部破碎特征区强度模式因子的计算方法为：
局部破碎特征区为压缩破碎区时：
Figure 624355DEST_PATH_IMAGE057
局部破碎特征区为剪切破碎区时：
Figure 915659DEST_PATH_IMAGE058
局部破碎特征区为拉伸破碎区时：
Figure 900801DEST_PATH_IMAGE059
局部破碎特征区为压缩-剪切破碎区时：
Figure 365281DEST_PATH_IMAGE060
局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎区时:
Figure 971842DEST_PATH_IMAGE061
局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎区时:
Figure 496365DEST_PATH_IMAGE062
式中，
Figure 453956DEST_PATH_IMAGE063
为局部破碎特征区为压缩破碎时的强度模式因子，其单位为MPa；
Figure 456547DEST_PATH_IMAGE064
为局部破碎特征区为剪切破碎时的强度模式因子，其单位为MPa；
Figure 183195DEST_PATH_IMAGE065
为局部破碎特征区为拉伸破碎时的强度模式因子，其单位为MPa；
Figure 878619DEST_PATH_IMAGE066
为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时的强度模式因子，其单位为MPa；
Figure 330632DEST_PATH_IMAGE067
为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时的强度模式因子，其单位为MPa；
Figure 340177DEST_PATH_IMAGE068
为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时的强度模式因子，其单位为MPa；k为局部破碎特征区为压缩破碎时切削齿数量，取值为1，2，3…k，无量纲；l为局部破碎特征区为剪切破碎时切削齿数量，取值为1，2，3…l，无量纲；n为局部破碎特征区为拉伸破碎时切削齿数量，取值为1，2，3…n，无量纲；m为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时切削齿数量，取值为1，2，3…m，无量纲；j为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时切削齿数量，取值为1，2，3…j，无量纲；q为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时切削齿数量，取值为1，2，3…q，无量纲；
Figure 249227DEST_PATH_IMAGE069
为局部破碎特征区为压缩破碎时，第k个切削齿对应的动态岩石单轴压缩强度，其单位为MPa；
Figure 787655DEST_PATH_IMAGE070
为局部破碎特征区为剪切破碎时，第l个切削齿对应的动态岩石剪切强度，其单位为MPa；
Figure 782156DEST_PATH_IMAGE071
为局部破碎特征区为拉伸破碎时，第n个切削齿对应的动态岩石拉伸强度，其单位为MPa；
Figure 64233DEST_PATH_IMAGE072
为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时，第m个切削齿对应的动态岩石剪切强度，其单位为MPa；
Figure 827790DEST_PATH_IMAGE073
为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时，第m个切削齿对应的动态岩石单轴压缩强度，其单位为MPa；
Figure 786387DEST_PATH_IMAGE074
为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时，第j个切削齿对应的动态岩石剪切强度，其单位为MPa；
Figure 268184DEST_PATH_IMAGE075
为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时，第j个切削齿对应的动态岩石拉伸强度，其单位为MPa；
Figure 353952DEST_PATH_IMAGE076
为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时，第q个切削齿对应的动态岩石单轴压缩强度，其单位为MPa；
Figure 175277DEST_PATH_IMAGE077
为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时，第q个切削齿对应的动态岩石拉伸强度，其单位为MPa；
Figure 383405DEST_PATH_IMAGE012
为静态岩石单轴压缩强度，其单位为MPa；
Figure 24602DEST_PATH_IMAGE013
为静态岩石拉伸强度，其单位为MPa；
Figure 710798DEST_PATH_IMAGE014
为静态岩石剪切强度，其单位为MPa；
Figure 635898DEST_PATH_IMAGE015
为动态岩石单轴压缩强度，其单位为MPa；
Figure 749347DEST_PATH_IMAGE016
为动态岩石拉伸强度，其单位为MPa；
Figure 877840DEST_PATH_IMAGE017
为动态岩石剪切强度，其单位为MPa。
10.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，所述钻齿参数为钻齿的倾角和空间位置；所述步骤S4中调整局部破碎特征区强度模式因子之间的差值为：
局部破碎特征区为压缩破碎区时：
Figure 367727DEST_PATH_IMAGE078
局部破碎特征区为剪切破碎区时：
Figure 898066DEST_PATH_IMAGE079
局部破碎特征区为拉伸破碎区时：
Figure 651258DEST_PATH_IMAGE080
局部破碎特征区为压缩-剪切破碎区时：
Figure 329364DEST_PATH_IMAGE081
局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎区时：
Figure 544314DEST_PATH_IMAGE082
局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎区时：
Figure 991476DEST_PATH_IMAGE083
式中，
Figure 649990DEST_PATH_IMAGE084
为局部破碎特征区为压缩破碎时强度模式因子之间的差值，无量纲；
Figure 815392DEST_PATH_IMAGE085
为局部破碎特征区为剪切破碎时强度模式因子之间的差值，无量纲；
Figure 584765DEST_PATH_IMAGE086
为局部破碎特征区为拉伸破碎时强度模式因子之间的差值，无量纲；
Figure 886433DEST_PATH_IMAGE087
为局部破碎特征区为压缩-剪切破碎时强度模式因子之间的差值，无量纲；
Figure 715849DEST_PATH_IMAGE088
为局部破碎特征区为剪切-拉伸破碎时强度模式因子之间的差值，无量纲；
Figure 368547DEST_PATH_IMAGE089
为局部破碎特征区为压缩-拉伸破碎时强度模式因子之间的差值，无量纲。
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