[发明专利]一种基于曲面优化法的仿生喷嘴结构设计方法

说明书

本发明属于喷嘴结构设计技术领域，涉及一种基于曲面优化法的仿生喷嘴结构设计方法，首次将蚯蚓的体表特征引入喷嘴内部结构中，基于蚯蚓体表结构特点仿生PDC喷嘴的结构设计，利用有限元仿真技术结合Plackett‑Burman试验和Box‑Behnken实验设计，最终确定新型仿生PDC喷嘴的结构尺寸，通过仿真模拟和研究表明，新型仿生PDC喷嘴的水力特性更好，具有更优秀的辅助破岩能力、清洗能力；其原理科学可靠，将蚯蚓作为生物学模型，仿生其非光滑表面和射流背孔结构设计的新型PDC钻头喷嘴，提高了PDC钻头喷嘴减阻增压喷射的能力和整体的工作性能，缩短了钻井周期，具有良好的市场前景。

技术领域：

本发明属于喷嘴结构设计技术领域，涉及一种基于曲面优化法 的仿生喷嘴结构设计方法，基于蚯蚓体表结构特点仿生设计PDC喷 嘴结构，确定PDC喷嘴最优结构参数组合。

背景技术：

仿生学一词是1960年由美国斯蒂尔根据拉丁文“bios(生命方式 的意思)”和字尾“nlc(‘.具有……的性质’的意思)”构成的，某些 生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多，仿生学就是 要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。例如关于信息接 受(感觉功能)、信息传递(神经功能)、自动控制系统等，这种生物 体的结构与功能在机械设计方面给了很大启发。可举出的仿生学例 子，如将海豚的体形或皮肤结构(游泳时能使身体表面不产生紊流) 应用到潜艇设计原理上。又比如，苍蝇是细菌的传播者，一般归类为 害虫，可是苍蝇的楫翅是天然导航仪，而且，它的眼睛是一种“复 眼”，由3000多只小眼组成，人们模仿它制成了“蝇眼透镜”，“蝇眼 透镜”是一种新型光学元件，由几百或者几千块小透镜整齐排列组合 而成的，它的用途很多，用它作镜头可以制成“蝇眼照相机”，一次 就能照出千百张相同的相片，这种照相机已经用于印刷制版和大量复 制电子计算机的微小电路，大大提高了工效和质量。在过去几十年 内，仿生学得到迅速发展和应用。

蚯蚓体表的非光滑结构在蚯蚓运动减粘降阻中起到了重要的作 用，体表典型的波纹形非光滑单元可以增强湿润性，提高亲水能力， 使背孔喷射的液体极短时间内均匀的分布于体表，以降低穿梭在土壤 中的阻力。这种非光滑单元加背孔射流共同耦合的减阻机理为设计性 能高、流体喷射力强的射流钻井喷嘴提供了新的设计思路。

随着油田勘探工作的不断深入，如何快速、高效、低成本的开发 石油资源已经成为石油公司竞相追逐的目标，钻井技术以及工艺的发 展、钻头结构的设计、制造和使用都是制约石油勘探业发展主要因 素。其中，钻井行业常用的钻井工具——金刚石复合片(PDC)钻头 随着技术的发展，质量和类型以及制造工艺都有了显著提高，在PDC 钻头大规模的推广使用过程中，各种问题逐渐显现，缺乏PDC钻头 成型、高效的设计思路与方法是最主要的问题之一。

现有PDC喷头结构研究是针对水力结构进行仿真数值计算的结 果为基础进行微调。要达到预期目标值，该过程往往需要花费大量的 时间和重复计算，费时费力。因此，急需一套高效、可行的PDC喷 嘴结构设计流程体系，通过提高PDC喷嘴设计效率，提高非常规油 气开发效率，实现“非常规油气革命”，具有重要的战略意义。

PDC喷嘴内壁为光滑表面，流体在经过后会产生相当大的压力损 失。若采用仿生思维，将PDC喷嘴内壁设置成非光滑面+辅助射流孔 结构，来改善喷嘴内部流场，降低流体的沿程损失，加强水射流的破 岩能力，进而提高机械钻速和钻井产量，减少作业成本。不失为钻井 喷嘴设计的一种新思路。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，研发设计一种 基于曲面优化法的仿生喷嘴结构设计方法，解决PDC钻头在结构设 计时无标准可用、人为随机性强、不稳定和效率低的问题。