專利名稱：牙輪鉆頭輪齒結(jié)構(gòu)的分形設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是設(shè)計石油鉆井中牙輪鉆頭輪齒尺寸、數(shù)量及分布的種方法，具體 涉及的是牙輪鉆頭輪齒結(jié)構(gòu)的分形設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)鉆井是石油鉆井中主要的破巖方式，其中鉆頭是最為主要的破巖工具。石油 鉆井中使用的鉆頭分為刮刀鉆頭、牙輪鉆頭及金剛石材料鉆頭等3大類，其中牙輪鉆頭占 完成總進(jìn)尺的80% 90%。牙輪鉆頭的優(yōu)化設(shè)計對鉆井工程提供鉆進(jìn)效率、鉆探質(zhì)量和降 低成本具有重大意義。現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計牙輪鉆頭輪齒數(shù)量、尺寸及分布的方法為歐式幾何方法，即牙輪鉆 頭輪齒尺寸設(shè)計采用等大小方式，輪齒數(shù)量設(shè)計采用中心對稱、軸對稱等均布方式，輪齒分 布設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)歐式幾何形態(tài)來設(shè)計，如放射狀、等間距和螺旋狀等。該技術(shù)造成牙輪鉆頭 輪齒設(shè)計各項同性明顯、結(jié)構(gòu)簡單、類型單一，限制了牙輪鉆頭輪齒結(jié)構(gòu)設(shè)計的多樣化，極 大地阻礙了個性化鉆頭的出現(xiàn)，同時也影響了旋轉(zhuǎn)鉆井效率的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供牙輪鉆頭輪齒結(jié)構(gòu)的分形設(shè)計方法，它用于解決現(xiàn)有牙輪鉆 頭輪齒結(jié)構(gòu)設(shè)計各向同性明顯、類型單一的問題。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是這種牙輪鉆頭輪齒結(jié)構(gòu)的分形設(shè)計 方法，由N階(N = 2 9)初始值為M個(M = 2-9)連續(xù)排列的高矮不一的輪齒組成，同階 相鄰的輪齒之間存在相互偏移，其規(guī)律是N階分形輪齒分布的第1階分形輪齒分布由M個 輪齒組成，第1階M個輪齒的齒高、齒徑之間存在偏差H1A1，第2階輪齒數(shù)由M組第1階輪 齒數(shù)組成，第2階中M組分形輪齒的齒高、齒徑之間存在偏差H2、D2，第3階輪齒數(shù)由M2組第 1階輪齒數(shù)組成，第3階中M2組分形輪齒的齒高、齒徑之間存在偏差H3、D3，第N階的輪齒數(shù) 為Mn個，由Mn-1組第1階輪齒數(shù)組成，第N階中Mn-1組分形輪齒的齒高、齒徑之間存在偏差
HN、Djsjo上述方案中同一階中及不同階中的最高的輪齒的高度是相等的。上述方案中各個階中輪齒的齒高、齒徑之間存在的偏差相等，即H1 = H2 = H3 = Hn, D1 = D2 = D3 = Dn ；也可以是遞增的，即H1 < H2 < H3 < Hn, D1 < D2 < D3 < Dn ；也可以是遞 減的，即 H1 > H2 > H3 > Hn, D1 > D2 > D3 > Dn。有益效果1、本發(fā)明的設(shè)計原理簡單，操作方便，成本低廉。它從幾何方面對牙輪鉆頭輪齒結(jié) 構(gòu)進(jìn)行全面優(yōu)化的設(shè)計方法，具有較大的實施價值和社會經(jīng)濟(jì)效益。2、本發(fā)明鉆頭輪齒分布呈個性化發(fā)展。因各階輪齒齒高、齒徑、齒數(shù)之間偏差量不 同，使鉆頭輪齒分布表現(xiàn)出明顯的分形性，打破常規(guī)鉆頭設(shè)計出露齒高一齊的意識形態(tài)，鉆 頭輪齒設(shè)計趨向的個性化，為個性化鉆頭設(shè)計提高一個條思路。
3、本發(fā)明提高牙輪輪齒破巖效率。鉆頭輪齒井底工作面本身就是一個凸凹不平的 曲面，使用輪齒平齊的鉆頭不利于多個輪齒與工作面上的巖石同時接觸，降低鉆頭整體的 破巖效率。
四

圖1為實施列1牙輪輪齒分布效果圖2為實施列1牙輪輪齒分布示意圖3為實施列1每組輪齒的齒高、齒徑偏差示意圖
圖4為實施列2牙輪輪齒分布效果圖5為實施列2牙輪輪齒分布示意圖6為實施列2每組輪齒的齒高、齒徑偏差示意圖
圖7為實施列3牙輪輪齒分布效果圖8為實施列3牙輪輪齒分布示意圖9為實施列3每組輪齒的齒高、齒徑偏差示意圖。
五具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明實施例1 結(jié)合圖1、圖2所示，這種牙輪鉆頭輪齒結(jié)構(gòu)的分形設(shè)計方法，由4階初始值為2個 連續(xù)排列的高矮不一的輪齒組成，同階內(nèi)相鄰的輪齒相互偏移，其規(guī)律是4階分形輪齒分 布的第1階分形輪齒分布由2個輪齒組成，參閱圖3所示，第1階2個輪齒的齒高、齒徑之間 存在偏差氏①工；第2階分形輪齒分布由22個輪齒組成，這22個輪齒由2組第1階輪齒數(shù)組 成，即這22個輪齒分成2組，每組2個輪齒，第2階中的2組分形輪齒的齒高、齒徑之間存在 偏差H2、D2 ；第3階分形輪齒分布由23個輪齒組成，這23個輪齒由4組第1階輪齒數(shù)組成， 為23 = 8個，第3階中的4組分形輪齒的齒高、齒徑之間存在偏差H3、D3，隨著階數(shù)的增長， 輪齒數(shù)呈2N增長，到第4階時，其輪齒數(shù)由8組第1階輪齒數(shù)組成，為24 = 16個。本實施 例中氏=H2 = H3 = H4，= D2 = D3 = D4，當(dāng)然，&、H2、H3、H4 或 Dp D2、D3、D4 可以不相等， 如可以是逐漸增加的。本實施例中N = 4、M = 2。實施例2 結(jié)合圖4、圖5所示，這種由3階初始值為3個的牙輪鉆頭輪齒分布，各階連續(xù)排列 的高矮不一的輪齒組成，同階層內(nèi)相鄰的輪齒之間存在相互偏移，其規(guī)律是3階分形輪齒 分布的第1階分形輪齒分布由3個輪齒組成，參閱圖6所示，第1階3個輪齒的齒高、齒徑 之間存在偏差HpDi ；第2階分形輪齒分布由32個輪齒組成，這32個輪齒由3組第1階輪齒 數(shù)組成，即這32個輪齒分成2組，每組3個輪齒，第2階中的3組分形輪齒的齒高、齒徑之 間存在偏差H2、D2 ；隨著階數(shù)的增長，輪齒數(shù)呈3N增長，到第3階時，分形輪齒分布由33個輪 齒組成，這33個輪齒由9組第1階輪齒數(shù)組成，為33 = 27個，第3階中的9組分形輪齒的 齒高、齒徑之間存在偏差H3、D3。本實施例中N = 3、M = 3。實施例3 結(jié)合圖7、圖8所示，這種由3階初始值為3個的牙輪鉆頭輪齒分布，各階連續(xù)排列的高矮不一的輪齒組成，同階層內(nèi)相鄰的輪齒之間存在相互偏移，其規(guī)律是3階分形輪齒 分布的第1階分形輪齒分布由3個輪齒組成，參閱圖9所示，第1階3個輪齒的齒高、齒徑 之間存在偏差&、Di;偏差特點(diǎn)是3個輪齒中第1個輪齒與第3個輪齒的齒高、齒徑之間存 在偏差氏、Di，第3個輪齒與第2個輪齒的齒高、齒徑之間存在偏差H” Di，該階內(nèi)輪齒的齒 高呈現(xiàn)高低高，齒徑呈現(xiàn)大小大的點(diǎn)；第2階輪齒數(shù)32個，這32個輪齒由3組第1階輪齒數(shù) 組成，即這32個輪齒分成2組，每組3個輪齒，第2階中的3組分形輪齒的齒高、齒徑之間 存在偏差H2、D2，其規(guī)律與第1階相同，第3階輪齒數(shù)33個，這33個輪齒由9組第1階輪齒 數(shù)組成，為33 = 27個，第3階中的9組分形輪齒的齒高、齒徑之間存在偏差H3、D3，其規(guī)律與 第1階相同，隨著階數(shù)的增長，輪齒數(shù)呈3N增長。本實施例中N = 3、M = 3。
權(quán)利要求
1.一種牙輪鉆頭輪齒結(jié)構(gòu)的分形設(shè)計方法，其特征在于這種牙輪鉆頭輪齒結(jié)構(gòu)的分 形設(shè)計方法，由N階(N = 2 9)初始值為M個(M = 2-9)連續(xù)排列的高矮不一的輪齒組 成，同階層內(nèi)相鄰的輪齒之間存在相互偏移，其規(guī)律是N階分形輪齒分布的第1階分形輪齒 分布由M個輪齒組成，第1階M個輪齒的齒高、齒徑之間存在偏差H” D1，第2階輪齒數(shù)由M 組第1階輪齒數(shù)組成，第2階中M組分形輪齒的齒高、齒徑之間存在偏差H2、D2，第3階輪齒 數(shù)由M2組第1階輪齒數(shù)組成，第3階中M2組分形輪齒的齒高、齒徑之間存在偏差H3、D3，第 N階的輪齒數(shù)為Mn個，由Mn-1組第1階輪齒數(shù)組成，第N階中Mn-1組分形輪齒的齒高、齒徑 之間存在偏差Hn、Dn。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭輪齒結(jié)構(gòu)的分形設(shè)計方法，其特征在于所述的同 一階中及不同階中的最高的輪齒的高度是相等的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的牙輪鉆頭輪齒結(jié)構(gòu)的分形設(shè)計方法，其特征在于所述的各 個階中輪齒的齒高、齒徑之間存在的偏差相等，即H1 = H2 = H3 = Hn, D1 = D2 = D3 = Dn。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的牙輪鉆頭輪齒結(jié)構(gòu)的分形設(shè)計方法，其特征在于所述的各 個階中輪齒的齒高、齒徑之間存在的偏差呈遞增，即H1 < H2 < H3 < Hn, D1 < D2 < D3 < Dno
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的牙輪鉆頭輪齒結(jié)構(gòu)的分形設(shè)計方法，其特征在于所述的各 個階中輪齒的齒高、齒徑之間存在的偏差呈遞減，即H1 > H2 > H3 > Hn, D1 > D2 > D3 > Dno
全文摘要
本發(fā)明涉及的是牙輪鉆頭輪齒結(jié)構(gòu)的分形設(shè)計方法，屬于設(shè)計石油鉆井中牙輪鉆頭輪齒尺寸、數(shù)量及分布的方法，這種牙輪鉆頭輪齒結(jié)構(gòu)的分形設(shè)計方法，由N階(N＝2～9)初始值為M個(M＝2-9)連續(xù)排列的高矮不一的輪齒組成，同階相鄰的輪齒之間存在相互偏移，其規(guī)律是N階分形輪齒分布的第1階分形輪齒分布由M個輪齒組成，第1階M個輪齒的齒高、齒徑之間存在偏差H1、D1，第2階輪齒數(shù)由M組第1階輪齒數(shù)組成，第2階中M組分形輪齒的齒高、齒徑之間存在偏差H2、D2，第N階的輪齒數(shù)為MN個，由MN-1組第1階輪齒數(shù)組成，第N階中MN-1組分形輪齒的齒高、齒徑之間存在偏差HN、DN。本發(fā)明鉆頭輪齒分布呈個性化發(fā)展，操作方便，成本低廉。
文檔編號E21B10/16GK102003144SQ201010500309
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月9日
發(fā)明者李瑋, 梁穎, 畢雪亮, 閆鐵 申請人:東北石油大學(xué)