[发明专利]牙轮钻头轮齿结构的分形设计方法

说明书

一、技术领域：

本发明涉及的是设计石油钻井中牙轮钻头轮齿尺寸、数量及分布的种方法，具体涉及的是牙轮钻头轮齿结构的分形设计方法。

二、背景技术：

旋转钻井是石油钻井中主要的破岩方式，其中钻头是最为主要的破岩工具。石油钻井中使用的钻头分为刮刀钻头、牙轮钻头及金刚石材料钻头等3大类，其中牙轮钻头占完成总进尺的80％～90％。牙轮钻头的优化设计对钻井工程提供钻进效率、钻探质量和降低成本具有重大意义。

现有技术设计牙轮钻头轮齿数量、尺寸及分布的方法为欧式几何方法，即牙轮钻头轮齿尺寸设计采用等大小方式，轮齿数量设计采用中心对称、轴对称等均布方式，轮齿分布设计采用标准欧式几何形态来设计，如放射状、等间距和螺旋状等。该技术造成牙轮钻头轮齿设计各项同性明显、结构简单、类型单一，限制了牙轮钻头轮齿结构设计的多样化，极大地阻碍了个性化钻头的出现，同时也影响了旋转钻井效率的提高。

三、发明内容：

本发明的目的是提供牙轮钻头轮齿结构的分形设计方法，它用于解决现有牙轮钻头轮齿结构设计各向同性明显、类型单一的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种牙轮钻头轮齿结构的分形设计方法，由N阶(N＝2～9)初始值为M个(M＝2-9)连续排列的高矮不一的轮齿组成，同阶相邻的轮齿之间存在相互偏移，其规律是N阶分形轮齿分布的第1阶分形轮齿分布由M个轮齿组成，第1阶M个轮齿的齿高、齿径之间存在偏差H₁、D₁，第2阶轮齿数由M组第1阶轮齿数组成，第2阶中M组分形轮齿的齿高、齿径之间存在偏差H₂、D₂，第3阶轮齿数由M²组第1阶轮齿数组成，第3阶中M²组分形轮齿的齿高、齿径之间存在偏差H₃、D₃，第N阶的轮齿数为M^N个，由M^N-1组第1阶轮齿数组成，第N阶中M^N-1组分形轮齿的齿高、齿径之间存在偏差H_N、D_N。

上述方案中同一阶中及不同阶中的最高的轮齿的高度是相等的。

上述方案中各个阶中轮齿的齿高、齿径之间存在的偏差相等，即H₁＝H₂＝H₃＝H_N，D₁＝D₂＝D₃＝D_N；也可以是递增的，即H₁＜H₂＜H₃＜H_N，D₁＜D₂＜D₃＜D_N；也可以是递减的，即H₁＞H₂＞H₃＞H_N，D₁＞D₂＞D₃＞D_N。

有益效果：

1、本发明的设计原理简单，操作方便，成本低廉。它从几何方面对牙轮钻头轮齿结构进行全面优化的设计方法，具有较大的实施价值和社会经济效益。

2、本发明钻头轮齿分布呈个性化发展。因各阶轮齿齿高、齿径、齿数之间偏差量不同，使钻头轮齿分布表现出明显的分形性，打破常规钻头设计出露齿高一齐的意识形态，钻头轮齿设计趋向的个性化，为个性化钻头设计提高一个条思路。

3、本发明提高牙轮轮齿破岩效率。钻头轮齿井底工作面本身就是一个凸凹不平的曲面，使用轮齿平齐的钻头不利于多个轮齿与工作面上的岩石同时接触，降低钻头整体的破岩效率。

四、附图说明：

图1为实施例1牙轮轮齿分布效果图；

图2为实施例1牙轮轮齿分布示意图；

图3为实施例1每组轮齿的齿高、齿径偏差示意图；

图4为实施例2牙轮轮齿分布效果图；

图5为实施例2牙轮轮齿分布示意图；

图6为实施例2每组轮齿的齿高、齿径偏差示意图；

图7为实施例3牙轮轮齿分布效果图；

图8为实施例3牙轮轮齿分布示意图；

图9为实施例3每组轮齿的齿高、齿径偏差示意图。

五、具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

实施例1：