《钻井岩石破碎学》针对深部硬地层钻头破岩效率低和钻井成本高的问题，以典型硬脆性花岗岩为研究对象，通过理论分析、计算机数值模拟与室内实验相结合的方法系统研究了非均质花岗岩在钻齿作用下的宏细观破碎机理；建立了岩石塑-脆性破碎转变临界切削深度计算模型，提出利用脆性耗能比来评价钻齿作用下岩石破碎效率的新方法，将传统塑性切削破岩理论拓展到塑-脆性破碎转变临界理论；此外，分析了异形PDC齿切削破岩机理，建立了综合考虑破岩效率、钻齿形状及磨损条件下的异形PDC齿综合选齿模型，为钻头个性化选齿及布齿设计提供了理论依据。
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目录
序一
序二
前言
第1章 绪论 1
1.1 石油钻井中常用钻头 2
1.2 钻头与井底岩石的相互作用 9
1.3 钻头破岩效率评价方法 12
1.3.1 破岩比功评价方法 12
1.3.2 岩石塑-脆性破碎及塑性耗能比评价方法 13
第2章 硬岩物理力学特性及可钻性 18
2.1 岩石强度及变形特性 18
2.2 花岗岩强度反演 22
2.2.1 参数反演流程 25
2.2.2 参数反演结果 26
2.2.3 参数反演有效性验证 29
2.3 实验用花岗岩岩样 29
2.3.1 花岗岩微观结构观测实验 31
2.3.2 花岗岩微观矿物成分测试实验 32
2.3.3 花岗岩单轴/三轴抗压强度实验 33
2.3.4 岩石可钻性实验 34
2.4 本章小结 42
第3章 钻齿侵入破碎硬岩机理研究—以非均质花岗岩为例 43
3.1 空腔膨胀理论 43
3.1.1 应力场分布 43
3.1.2 塑性区及楔形钻齿临界侵入深度 45
3.2 实验设备简介 48
3.2.1 微机控制电液伺服万能实验机 49
3.2.2 声发射分析仪 50
3.2.3 材料应变三维测量系统 50
3.2.4 岩样制备 52
3.2.5 侵入破岩实验系统 52
3.3 岩石在钻齿侵入作用下的破碎机理研究 54
3.3.1 钻齿侵入作用下岩石的劣化研究 54
3.3.2 边界条件对裂纹扩展的影响 65
3.4 岩石破碎过程中的能量耗散研究与破碎效率评价 68
3.5 花岗岩微宏观破碎机理 71
3.5.1 基于GBM的花岗岩等效岩体建模 72
3.5.2 花岗岩模型微观参数标定 73
3.5.3 钻齿侵入破碎花岗岩微宏观机理 76
3.6 本章小结 80
第4章 钻齿切削破碎硬岩机理研究—以非均质花岗岩为例 82
4.1 岩石塑-脆性破碎转变模型建立 82
4.2 切削实验平台和岩样制备 87
4.3 灰白色花岗岩实验结果与分析 89
4.3.1 切削深度的影响 89
4.3.2 前倾角的影响 91
4.3.3 钻齿形状的影响 93
4.4 浅红色花岗岩实验结果与分析 97
4.5 花岗岩地层不同齿形布齿间距破岩特性研究实验 101
4.5.1 花岗岩不同齿形布齿间距破岩特性实验研究 102
4.5.2 实验结果与结论 104
4.6 花岗岩切削微宏观破碎机制 112
4.6.1 单齿切削模型的建立 112
4.6.2 结果分析与讨论 112
4.7 本章小结 124
第5章 异形齿破岩机理及综合选齿理论 126
5.1 非均质花岗岩有限-离散元模型 126
5.2 岩石本构模型 128
5.2.1 应力状态的描述 128
5.2.2 岩石材料本构 129
5.2.3 花岗岩材料参数标定结果 134
5.3 异形PDC齿切削破碎花岗岩数值仿真 138
5.3.1 异形PDC齿切削破碎花岗岩建模 138
5.3.2 异形PDC齿切削破碎花岗岩机理分析 141
5.3.3 异形PDC齿综合选齿理论模型 158
5.3.4 异形PDC齿切削破岩性能分析 162
5.3.5 异形PDC齿组合切削破碎花岗岩数值仿真 205
5.3.6 磨损异形PDC齿切削破岩性能结果分析 211
5.4 异形PDC钻头钻进花岗岩地层数值仿真 222
5.5 单齿侵入花岗岩数值仿真 225
5.6 本章小结 230
第6章 高效破岩钻头设计及优化 232
6.1 冠部形状设计理论 233
6.2 轴向布齿 238
6.2.1 确定主切削齿的轴向位置 239
6.2.2 确定主切削齿的轴向高度 239
6.3 刀翼形状设计 240
6.3.1 刀翼数量 240
6.3.2 刀翼形状以及刀翼位置角 241
6.4 周向布齿 242
6.5 高效破岩钻头设计 242
6.5.1 钻头冠部形状设计 242
6.5.2 钻头径向布齿 243
6.5.3 钻头刀翼形状设计 246
6.5.4 刀翼位置角 247
6.5.5 喷嘴与流道 248
6.5.6 切削齿 249
6.5.7 钻头接头 251
6.6 高效破岩钻头优选 251
6.6.1 钻头钻速分析 253
6.6.2 钻头加速度分析 254
6.6.3 钻头扭矩分析 254
6.7 钻头破岩流-固-热三场耦合分析 256
6.7.1 温度与钻齿磨损 256
6.7.2 井底流场与PDC之间对流换热 257
6.7.3 研究方法 259
6.7.4 结果与分析 262
6.8 本章小结 267
第7章 高效破岩钻头现场应用 268
7.1 钻头的定制加工 268
7.2 钻头现场应用 269
7.2.1 现场应用 269
7.2.2 现场使用结果 270
7.3 本章小结 271
参考文献 272
作者介绍 280
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