本书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。

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