文章标题：基于双重本构模型的交互地层钻头结构参数优化研究
文章作者：秦汉, 岳阳明, 张小林, 蔡璐
关 键 字：交互地层; 钻齿结构优选; LS-DYNA仿真; 双重本构模型; 分级卸荷; 应力分析
文章摘要：针对软硬交替地层钻进过程中极易出现的钻头偏移、冲击波动及破岩效率下降等工程难题，以钻头结构参数优化为核心，系统研究了不同钻齿结构在该类地层中的受力特性与破岩响应规律。通过构建考虑波阻抗差异的非线性动态仿真模型，采用硬岩与软岩双重本构，精确模拟了钻齿穿越岩性突变界面时的应力波反射与损伤演化过程。对比分析了阶梯齿、三翼齿与十字齿在砂岩-泥岩交替层中的应力分布与裂纹扩展路径，揭示了阶梯齿通过“分级卸荷”与“应力阴影”效应有效抑制“粘滑振动”的动态机理。在此基础上，结合室内物理钻进实验平台，建立了“仿真应力场-宏观井壁-微观岩屑”的多维耦合验证方法。实验结果证实：阶梯齿诱导的“体积破碎”模式在破岩效率、钻进稳定性及磨损均匀性方面均表现最优；而十字齿虽瞬时冲击应力较高，但易引发剧烈粘滑振动，仅适用于浅层短时作业。研究阐明了非均质地层钻齿的破岩机理，可为深部复杂地层钻头优化设计提供理论支撑。