專利名稱：牙輪鉆頭輪齒結構的分形設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是設計石油鉆井中牙輪鉆頭輪齒尺寸、數量及分布的種方法，具體 涉及的是牙輪鉆頭輪齒結構的分形設計方法。
背景技術：
旋轉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 完成總進尺的80% 90%。牙輪鉆頭的優(yōu)化設計對鉆井工程提供鉆進效率、鉆探質量和降 低成本具有重大意義?，F有技術設計牙輪鉆頭輪齒數量、尺寸及分布的方法為歐式幾何方法，即牙輪鉆 頭輪齒尺寸設計采用等大小方式，輪齒數量設計采用中心對稱、軸對稱等均布方式，輪齒分 布設計采用標準歐式幾何形態(tài)來設計，如放射狀、等間距和螺旋狀等。該技術造成牙輪鉆頭 輪齒設計各項同性明顯、結構簡單、類型單一，限制了牙輪鉆頭輪齒結構設計的多樣化，極 大地阻礙了個性化鉆頭的出現，同時也影響了旋轉鉆井效率的提高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供牙輪鉆頭輪齒結構的分形設計方法，它用于解決現有牙輪鉆 頭輪齒結構設計各向同性明顯、類型單一的問題。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是這種牙輪鉆頭輪齒結構的分形設計 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階輪齒數由M組第1階輪 齒數組成，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階輪齒數由M2組第 1階輪齒數組成，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 為Mn個，由Mn-1組第1階輪齒數組成，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 構進行全面優(yōu)化的設計方法，具有較大的實施價值和社會經濟效益。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、齒數之間偏差量不 同，使鉆頭輪齒分布表現出明顯的分形性，打破常規(guī)鉆頭設計出露齒高一齊的意識形態(tài)，鉆 頭輪齒設計趨向的個性化，為個性化鉆頭設計提高一個條思路。
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合附圖對本發(fā)明做進一步的說明實施例1 結合圖1、圖2所示，這種牙輪鉆頭輪齒結構的分形設計方法，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，隨著階數的增長， 輪齒數呈2N增長，到第4階時，其輪齒數由8組第1階輪齒數組成，為24 = 16個。本實施 例中氏=H2 = H3 = H4，= D2 = D3 = D4，當然，&、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 ；隨著階數的增長，輪齒數呈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，該階內輪齒的齒 高呈現高低高，齒徑呈現大小大的點；第2階輪齒數32個，這32個輪齒由3組第1階輪齒數 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33個，這33個輪齒由9組第1階輪齒 數組成，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，隨著階數的增長，輪齒數呈3N增長。本實施例中N = 3、M = 3。
權利要求
1.一種牙輪鉆頭輪齒結構的分形設計方法，其特征在于這種牙輪鉆頭輪齒結構的分 形設計方法，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階輪齒數由M 組第1階輪齒數組成，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 數由M2組第1階輪齒數組成，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階的輪齒數為Mn個，由Mn-1組第1階輪齒數組成，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.根據權利要求1所述的牙輪鉆頭輪齒結構的分形設計方法，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.根據權利要求2所述的牙輪鉆頭輪齒結構的分形設計方法，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.根據權利要求2所述的牙輪鉆頭輪齒結構的分形設計方法，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.根據權利要求2所述的牙輪鉆頭輪齒結構的分形設計方法，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構的分形設計方法，屬于設計石油鉆井中牙輪鉆頭輪齒尺寸、數量及分布的方法，這種牙輪鉆頭輪齒結構的分形設計方法，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階輪齒數由M組第1階輪齒數組成，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階的輪齒數為MN個，由MN-1組第1階輪齒數組成，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