1.一种基于全旋转指向式钻井工具提高破岩效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：建立PDC钻头的数字化模型

(1)齿面数字化

采用极坐标等弧长数字化方法对PDC齿工作面进行数字化建模，其数学模型为：

式中：xp、yp、zp为齿面数字化节点坐标；R为PDC钻头切削齿半径，mm；θstep为齿的角度步长，°；0≤i，j≤360/θstep；

(2)齿侧面数字化

PDC主切削齿的齿侧为圆柱面，为了得到其数字化模型，将其在周向及轴线方向等分即可，设某节点的坐标为(xm,ym,zm)，那么：式中：lstep为轴线方向上的长度划分步长0≤j≤l/lstep，l为切削齿圆柱部分长度；R为PDC钻头切削齿半径，mm；θstep为齿的角度步长，°；0≤i，j≤360/θstep；

(3)规径齿数字化

规径齿是由常规切削齿经过线切割加工获得的，由于A点所代表的齿侧节点微元与钻头中心点O之间的距离大于钻头半径，故属于被切割部分，在获得规径齿时，将A点向沿PDC齿工作平面平行的方向AA'进行投影，投影到大圆柱面即钻头外圆柱轮廓面，得到A'点，求出A'点的坐标值(xA’,yA’,zA’)，在XOY平面内设A点坐标为(xA,yA,zA)，则：式中：Δα＝∠AOA’；α＝∠OAA’，即近似取切削前倾角，°；r为钻头标准半径，mm；

由几何关系∠XOA'＝φ+Δα,由此求出A'点的坐标值(xA’,yA’,zA’)为：PDC钻头主要特征的数字化就已完成，根据每颗齿在钻头坐标系中的位置参数和方向参数，利用PDC钻头几何学基本方程，进行矩阵的平移、旋转操作，即可得到Matlab软件绘制出的26颗齿构成的PDC钻头数字化模型图；

步骤二：岩石的数字化

将岩石抽象为由一个个小立方体微元组成的离散化对象的整体，微元的每个顶点为一个数字化节点，假设岩石为长方体岩样，以岩石上表面的形心为原点O，沿钻头竖直向下钻进的方向为OZ轴，建立直角坐标系OXYZ，设岩样的长宽高分别为l,w,h，则岩石上任意节点P(x,y,z)有：步骤三：模拟钻头与岩石相互作用的过程

将建立好的PDC所有数字化节点存放于Matlab矩阵之中，按所需要的方式进行平移、旋转操作；在旋转导向钻井条件下，将PDC钻头移至岩石表面，使钻头轴线与岩石OZ轴重合，定义钻头自身轴线旋转，沿OZ轴竖直向下钻进即可模拟钻头与岩石作用过程；

步骤四：求解内、外偏置环转速比对岩石切削量的影响

(1)破岩效率的定量表示

破岩效率采用岩石的切销量定量表示，相同时间步长的切销量越大，也就意味着其破岩效率越高；切削量包括切削面积和切削体积，切削齿的工作区域由齿面的工作区域与齿刃的工作区域组成；齿刃工作区域弧长用切削齿的接触角和切削齿的半径R表示，则弧长l为：l＝R·ψH，其ψH中P1与P2的定位角度之差；

由于数字化过程中，齿面和齿刃节点均匀分布，设切削齿工作面由N个数字节点组成，切削齿工作区域内包含n个节点，设第j个节点的坐标为(xj,yj,zj)，则齿面接触区域的形心H(xH,yH,zH)的坐标为：在PDC切削齿齿刃上，采用齿刃等效接触点M来代替齿刃接触点进行切削参数的计算与分析，点M为齿面中心点C(xC,yC,zC)与齿面工作区域等效点H的连线与齿刃的交点，M点的坐标为：其中，H点到C点的距离 根据接触作区域节点占

齿工作面节点的比例，可得接触区域的面积S为：

切削面积为接触面积在过齿面定位点的钻头轴线平面上的投影，只要求出过C点钻头轴线法向量与切削齿工作平面法向量的夹角α即可；假设t时刻齿面中心点坐标为C(x2,y2,z2)，t+1时刻的坐标为C'(x'2,y'2,z'2)，齿面法向量 在钻头与岩石互作用的过程中，钻头每步转过的角度步长很小，近似认为 与齿面中心点在t时刻的速度方向一致，即为该时刻过C点的钻头轴线平面的法向量，向量 与向量n夹角的余弦为：切削面积为：

Sst＝S·cosα   (11)

切削体积为t到t+1两个时间步之间的切削面积与齿面中心点走过的距离的乘积，即为：ΔVt＝Sst·|CC’|，则在T时间步内，单颗齿的切削体积为: 故PDC全钻头的切削体积为所有切削齿切削体积之和；

(2)导向机构方位角的确定

在全旋转导向钻具中，可控弯接头导向机构通过改变旋转外套、外偏心环和内偏心环的相对位置，改变导向轴的空间姿态，实现可控弯接头工具角和工具面角的调整，从而实现旋转导向钻井工具的定向钻进，设内偏心环的角速度为ω1，几何中心为E；外偏心环的角速度为ω2，几何中心为E1；偏心环组的中心为E2，旋转外套的角速度为ω3，用2个向量代替内、外偏心环的偏心距e；

由几何关系建立数学方程，可得偏心环组中心点E2与可控弯接头导向轴线的夹角为：考虑到旋转外套旋转作用，则其夹角变为：

式中：n为内、外偏心环的转速比；t为时间步长；

则导向钻具在钻进过程中，方位角为钻头中心线与钻井工具轴线的夹角 在一定时间步长内，可控弯接头方位角只与内、外偏心环的转速比有关；

(3)内外偏心环转速比对切削量的影响

对于全旋转导向钻具而言，影响其切削量的主要因素为可控弯接头导向轴的方位角和旋转外套的长度L，因为它们决定了钻头中心与井眼中心的偏心距 由于旋转外套的长度是固定的，所以内、外偏心环转速比对可控弯接头的破岩效率起着主导作用。

2.根据权利要求1所述的一种基于全旋转指向式钻井工具提高破岩效率的方法，其特征在于，步骤一中所述的等弧长数字化方法，是对齿刃轮廓线按一定角度步长进行等弧长划分，再过轮廓线上的各等分点作纵、横坐标轴的平行线，生成数字化单元网格，每两条网格线的交点即为一个数字化节点，相邻4个有效节点围成的矩形区域即为一个PDC齿工作面的面积微元。

3.根据权利要求1所述的一种基于全旋转指向式钻井工具提高破岩效率的方法，其特征在于，所述的步骤三具体为：设外部齿刃上某节点P在t时刻的坐标为Pt(xt,yt,zt)在t-1时刻坐标为Pt-1(xt-1,yt-1,zt-1),由于仿真过程中每个时间步长钻头转过的角度和进尺都远小于钻头半径，认为节点P在t时刻的速度方向矢量为： 同时，P点在t时刻周围有8个岩石数字化节点，这8个节点构成一个岩石正方体微元，通过对速度矢量 向上和向下圆整，可得到Pt点在所处岩石微元的指向点Pf(xf,yf,zf)；

同理，对速度矢量 向上和向下圆整，得到Pt点在所处岩

石微元的经过点Pb(xb,yb,zb)；

经圆整处理后可获得t时刻P点在三维岩石上的“指向点”和“经过点”，其中“经过点”为被去除的岩石节点，去除“经过点”后，将Pt(xt,yt,zt)坐标值赋给Pf(xf,yf,zf),就得到t时刻井底与井壁的坐标，将其三角剖分、曲面重构即可获得仿真井底与井壁可视化模型；同理，齿面节点经过相应的圆整处理，如果能在岩石上找到其对应的“指向点”，则判定该节点与岩石接触，为计算切削齿接触面积做准备。

4.根据权利要求1所述的一种基于全旋转指向式钻井工具提高破岩效率的方法，其特征在于，所述的步骤四为：在旋转导向钻井模式下，PDC钻头自转一圈进尺深度为2mm，模拟钻进总深度为16mm，需要760时间步，设可控弯接头与转盘的转速比为3:1，旋转外套的长度L＝1000mm，由此可进行仿真模拟；当转速比 时，随着时间步长的增加，其切削面积近似为一条直线，其破岩效率只发生轻微波动，几乎是稳态切削；这是因为当转速比 时，可控弯接头导向轴方位角 即钻头轴线与井眼轴线重合，类似打直井的过程，由于钻头受压大小恒定，接触面积变化不大，其破岩效率趋近于稳态；

当|n|≤1，且|n|≠0时，偏心环组中心点E2的运动轨迹也随|n|的变化而变化；取转速比n＝0.5进行仿真，其切削面积与时间步长的关系为：整个时间步长内，切削面积波动比较大，这可能和偏心环组中心点E2的运动轨迹有关，距离井眼中心越远，则钻头及积累岩屑作用面积越大，破岩效率越高；且在时间步长为400左右其切削面积达到了最大，在整个过程中，切削面积也存在类似直线变换，说明转速比n＝0.5时也存在稳态切削；

当|n|≥1时，且 时，中心点E2的运动轨迹随着|n|增大也存在相应变化；

取转速比n＝1进行仿真模拟，时间步长在163～450左右，偏心环组中心点离井眼中心较远，可控弯接头导向轴方位角增加较快，导致钻头切削厚度增加，再加上岩屑积累，接触面积显著增大，使破岩效率线性增加，随后，切削厚度处于不变状态，接触面积缓慢增加，其切削面积达到最大；在450～760时间步长内，由于岩屑积累过多，使切削厚度减小，再加上导向钻具结构限制，使其破岩切削面积减少；且整个过程中，切削面积也存在类似直线变换，说明转速比n＝1时也存在稳态切削；

岩石切削体积的变化直接取决于机械转速，故在旋转导向钻井条件下，以PDC钻头外部单齿为研究对象，讨论可控弯接头中内、外偏心环不同转速比对切削体积的影响，转速比由

0逐渐增大到0.8过程中，其切削体积呈线性增加，那是因为内、外偏心环转速比增加，导向轴方位角增大，岩屑积累量增大，此时岩屑随着钻头同时作用，导致破岩接触面积显著增大，破岩效率明显提高；若持续增大内、外偏心环转速比，则岩屑积累厚度增加导致钻头切削厚度减少，再加上钻井工具自身造斜条件限制，其切削体积趋于恒定。