CN101975025B - 金刚石钻头金刚石颗粒分布的分形设计方法 - Google Patents

金刚石钻头金刚石颗粒分布的分形设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及的是金刚石钻头金刚石颗粒分布的分形设计方法，属于石油工程应用的金刚石钻头金刚石颗粒尺寸、数量及分布的方法，这种金刚石钻头金刚石颗粒分布的分形设计方法，由N阶(N＝2～9)初始值为M个(M＝3-15)的连续排列的等径的或不等径的金刚石颗粒分布环组成，其规律是N阶金刚石颗粒分形分布的第1阶金刚石颗粒分形分布环由M个金刚石颗粒以内、外两层的形式构成，内层的金刚石颗粒为中心，外层的金刚石颗粒围绕着内层的金刚石颗粒；第2阶金刚石颗粒分形分布环以第1阶金刚石颗粒分形分布环为中心，并以第1阶金刚石颗粒分形分布环的构成形式为子单位的构成形式，各子单位围绕着内层的第1阶金刚石颗粒分形分布环，以此类推。本发明金刚石颗粒在钻头冠部的合理分布，降低了钻头成本。

Description

金刚石钻头金刚石颗粒分布的分形设计方法
一、技术领域：
本发明涉及的是在石油工程、采矿工程等领域应用的金刚石钻头金刚石颗粒尺寸、数量及分布的一种方法，具体涉及的是金刚石钻头金刚石颗粒分布的分形设计方法。
二、背景技术：
旋转钻井是当前石油钻井中最为主要的钻井工艺技术，其中钻头是破岩的基本工具。由于金刚石钻头在硬到中硬地层具有良好的机械钻速，使金刚石钻头成为当前钻井工程中最常用的三大类钻头之一。金刚石钻头的优化设计对钻井工程提高钻进效率、钻探质量和降低成本等有重大意义。
在本发明做出之前，现有技术设计金刚石钻头金刚石颗粒太小、数量及分布的方法主要是欧式几何方法，即金刚石颗粒尺寸设计采用等大小方式，金刚石颗粒数量设计采用中心对称、轴对称等均布方式，金刚石颗粒分布设计采用放射状、等间距和螺旋状等。该技术造成金刚石钻头金刚石颗粒分布设计各项同性明显、结构简单、类型单一，限制了金刚石钻头金刚石颗粒结构设计的多样化，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金刚石钻头金刚石颗粒分布的分形设计方法，它用于解决现有金刚石钻头金刚石颗粒结构设计方法各项同性明显、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：这种金刚石钻头金刚石颗粒分布的分形设计方法，由N阶(N＝2～9)初始值为M个(M＝3-15)的连续排列的等径的或不等径的金刚石颗粒分布环组成，其规律是N阶金刚石颗粒分形分布的第1阶金刚石颗粒分形分布环由M个金刚石颗粒以内、外两层的形式构成，内层的金刚石颗粒为中心，外层的金刚石颗粒围绕着内层的金刚石颗粒；第2阶金刚石颗粒分形分布环以第1阶金刚石颗粒分形分布环为中心，并以第1阶金刚石颗粒分形分布环的构成形式为子单位的构成形式，各子单位围绕着内层的第1阶金刚石颗粒分形分布环；第3阶金刚石颗粒分形分布环以第2阶和第1阶金刚石颗粒分形分布环为中心，并以第2阶和第1阶金刚石颗粒分形分布环共同构成的形式为子单位的构成形式，各子单位围绕着内层的第2阶和第1阶金刚石颗粒分形分布环，以此类推；各阶中金刚石颗粒分形分布环中心距之间存在偏差，对于第1阶而言，中心距之间的偏差也就是同环相邻的金刚石颗粒之间存在粒径上的偏差。
上述方案中同一阶中及不同阶中的最高的金刚石的高度是相等的。
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、本发明金刚石颗粒分布设计呈个性化发展。因最低一阶的金刚石颗粒分形分布环的粒径之间偏差量可以不同，使金刚石钻头表面的金刚石颗粒分布更加多样性，各阶金刚石颗粒分形分布环表现出明显的相似性，打破常规金刚石钻头设计思想单一的局限，金刚石颗粒分布设计趋向于个性化。
3、本发明合理优化了金刚石颗粒的分布。根据分形自相似原理给出金刚石颗粒的分形分布环，环环相接，既保证了金刚石颗粒在钻头冠部的合理分布，又降低金刚石颗粒的使用数量，降低钻头成本。
四、附图说明：
图1为实施例1金刚石颗粒分布示意图；
图2为实施例2金刚石颗粒分布示意；
图3为实施例3金刚石颗粒分布示意图。
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：
如图1所示，这种金刚石钻头金刚石颗粒分布的分形设计方法，由3阶初始值为6个连续排列的等径的金刚石颗粒分布环组成，3阶金刚石颗粒分形分布的第1阶金刚石颗粒分形分布环由6个金刚石颗粒以内、外两层的形式构成，内层有一个金刚石颗粒，外层有5个金刚石颗粒，内层的金刚石颗粒为中心，外层的5个金刚石颗粒围绕着内层的金刚石颗粒；第2阶金刚石颗粒分形分布环共有30个金刚石颗粒，第2阶金刚石颗粒分形分布环以第1阶的6个金刚石颗粒组成的分形分布环为中心，并以第1阶6个金刚石颗粒组成的外层的5个围绕中心的一个的形式为子单位的构成形式，即每个子单位由6个金刚石颗粒以内、外两层的形式构成，内层有一个金刚石颗粒，外层有5个金刚石颗粒，内层的金刚石颗粒为中心，外层的5个金刚石颗粒围绕着内层的一个金刚石颗粒，这5个子单位围绕着内层的第1阶金刚石颗粒分形分布环；第3阶金刚石颗粒分形分布环以第2阶和第1阶金刚石颗粒分形分布环为中心，并以第2阶和第1阶金刚石颗粒分形分布环共同构成的形式为子单位的构成形式，即每个子单位由36个金刚石颗粒以内、外两层的形式构成，内层有6个金刚石颗粒，外层有30个金刚石颗粒，内层的6个金刚石颗粒为第一阶金刚石颗粒分形分布环，外层的30个金刚石颗粒形成5个第2阶子单位，第2阶的5个子单位以第一阶的金刚石颗粒分形分布环为中心，第3阶的180个金刚石颗粒，组成了5个子单位，每个子单位围绕着内层的第2阶和第1阶金刚石颗粒共同构成的分形分布环；6个第1阶金刚石颗粒分形分布环中心距之间偏差L1，第2阶金刚石颗粒分形分布环中心距之间偏差L2，第3阶金刚石颗粒分形分布环中心距之间偏差L3，随着阶数的增长，各阶中金刚石颗粒合计后的总数呈MN增长。
本实施例中的阶数为3，当阶数增加时，如第4阶时，第4阶的子单位则以第1阶、第2阶、第3阶金刚石颗粒分形分布环共同构成的形式形成，并以第1阶、第2阶、第3阶金刚石颗粒分形分布环共同构成金刚石颗粒分形分布环为中心，当阶数更多时，以此类推。
实施例2：
如图2所示，这种金刚石钻头金刚石颗粒分布的分形设计方法与实施例1提供的不同之处在于：本实施例的第1阶为六个不等粒径的金刚石颗粒，其规律是R1与R2的偏差为ΔR1，R2与R3的偏差为ΔR2，R3与R4的偏差为ΔR3，R4与R5的偏差为ΔR4，R5与R6的偏差为ΔR5，对于偏差之间有ΔR1＞ΔR2＞ΔR3＞ΔR4＞ΔR5，也就是说，中心的一个最大，外围的5个逐渐减小，且减小的幅度越米越小，即粒径大小越来越接近。由于该最基本的构成单位中的六个金刚石颗粒不等径，则相应的第2阶、第3阶中的各子分形分布环的六个金刚石颗粒都是不等径的。
实施例3：
如图3所示，这种金刚石钻头金刚石颗粒分布的分形设计方法与实施例1提供的不同之处在于：本实例是由3阶初始值为7个连续排列的等径的金刚石颗粒分布环组成，而且各阶金刚石颗粒分形分布环中存在金刚石颗粒共用情况，也就是说第1阶金刚石颗粒即构成了本阶分形分布环的单元，同时也是构成第2阶和第3阶分形分布环的单元。
由于出现金刚石颗粒共用情况，整个钻头冠部金刚石分布十分紧凑且有规律。

Claims (2)

1.一种金刚石钻头金刚石颗粒分布的分形设计方法，其特征在于：这种金刚石钻头金刚石颗粒分布的分形设计方法，由N阶初始值为M个的连续排列的等径的或不等径的金刚石颗粒分布环组成，其中N=2~9，M=3-15，其规律是N阶金刚石颗粒分形分布的第1阶金刚石颗粒分形分布环由M个金刚石颗粒以内、外两层的形式构成，内层的金刚石颗粒为中心，外层的金刚石颗粒围绕着内层的金刚石颗粒；第2阶金刚石颗粒分形分布环以第1阶金刚石颗粒分形分布环为中心，并以第1阶金刚石颗粒分形分布环的构成形式为子单位的构成形式，各子单位围绕着内层的第1阶金刚石颗粒分形分布环；第3阶金刚石颗粒分形分布环以第2阶和第1阶金刚石颗粒分形分布环为中心，并以第2阶和第1阶金刚石颗粒分形分布环共同构成的形式为子单位的构成形式，各子单位围绕着内层的第2阶和第1阶金刚石颗粒分形分布环，以此类推；各阶中金刚石颗粒分形分布环中心距之间存在偏差，对于第1阶而言，中心距之间的偏差也就是同环相邻的金刚石颗粒之间存在粒径上的偏差。
2.根据权利要求1所述的金刚石钻头金刚石颗粒分布的分形设计方法，其特征在于：所述的同一阶中及不同阶中的最高的金刚石的高度是相等的。
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