CN109973021B - 一种集成喷嘴结构的钻头 - Google Patents

Abstract

一种集成喷嘴结构的钻头，钻头包含胎体，胎体内部设有腔体，胎体上设有喷嘴，喷嘴与腔体连通；其特征在于，喷嘴包括喷嘴流道、喷嘴内孔口、喷嘴外孔口，喷嘴外孔口为椭圆形，喷嘴和胎体一体化制造。根据本发明的结构，能使同样强度的射流，分布范围变得更宽，喷嘴射流能更好的清洗切削齿，更快的冷却切削面，从而提高机械钻速同时延长切削齿和钻头的使用寿命；采用增材制造的方式，能精确的摆正喷嘴长轴的位置，以及喷嘴的角度；节省了制造成本和生成周期，增强了钻头的可靠性和安全性；保证了钻头体的强度不会减弱，保证了喷嘴出口不易被钻井液所含颗粒堵塞，减少了喷嘴孔开裂的风险，消除了喷嘴掉落井底的风险。

Description

一种集成喷嘴结构的钻头

技术领域

本发明涉及一种石油天然气等地质勘探领域用的钻头，具体涉及一种使用增材制造等技术设计并制造的集成喷嘴结构的钻头。

背景技术

目前，最新的一种钻头制造工艺，是采用增材制造(俗称3D打印)的方式来制造钻头。由于增材制造的技术特点，其制造出来的金属构件内在质量好，成型速度快，残余应力小，尤其适合高温合金和难熔金属材料。因此增材制造的钻头往往在具有高耐磨性的同时还具有高韧性，因而其适用范围比传统的钻头更为广泛。

为了排出钻头钻进时产生的大量岩屑，一般在地面设置一台高压泵，然后将专门配制的钻井液从地面打入钻杆内部，并一直通向井底的钻头，再通过开设于钻头排屑槽内的喷嘴，形成高速射流，对井底进行冲刷，带走岩屑，并通过排屑槽流入井眼环空，最终随钻井液流一起返回至地面。另一方面，钻头在钻进的过程中会产生大量热量，当温度超过775℃时，钻头上的切削齿的结构将迅速衰变，磨损加剧；为此，钻头的喷嘴射流的另一个作用，就是冲刷切削齿的工作表面，及时将破岩产生的热量带走，保护钻头。

为了更有效的排出岩屑和冷却钻头，就需要加大喷嘴的水功率。可以通过增加钻井液流量来实现，或者可以通过缩小喷嘴流通面积来实现，这两种方法本质上都是增加射流速度。但是流量的增加会引起沿程压力损失的增加，最终受到泵压的限制；而喷嘴口径的变小也增加了喷嘴口被异物(比如上游工具中某些橡胶部件的老化碎裂，或者连接钻杆过程中不小心掉落异物等等)堵住的风险。另外过高的射流速度，往往也会对钻头体以及喷嘴造成冲蚀破坏。如何合理的设计喷嘴，使得有限的水功率被高效的利用，既能快速排屑和冷却切削齿，同时又不造成过高的泵压需求和冲蚀风险，一直是钻头设计当中的重点和难点。传统的喷嘴设计方法是根据水力学计算公式和一些经验系数完成初始设计，然后通过性能试验来校核。这种方法计算精度低，可靠性差，并且周期长，成本高。在喷嘴设计完成以后，通常是通过螺纹连接将喷嘴紧固在钻头体的喷嘴孔内，并采用O型圈密封，有些设计还在喷嘴孔口增加一个挡圈防止喷嘴掉出；或是通过钎焊的方式将喷嘴直接焊接在喷嘴孔内，从而无需螺纹、密封圈和挡圈；或是直接利用钻头体上的喷嘴孔来提供射流，而不安装喷嘴，这样节约了成本但是射流速度较大时，对喷嘴孔的冲蚀也会很严重。为了进一步提升喷嘴的排屑和冷却齿面的能力，一些设计提出采用非圆形截面的喷嘴。如专利CN2127427Y针对刮刀钻头，提出了采用椭圆形截面的水力喷嘴，以增加射流对井底的冲击宽度和压力梯度，从而起到更强的辅助破岩和冲刷井底的作用。专利CN204552623U针对PDC钻头，提出的串状喷嘴，并且提及了可以进一步变为椭圆形的喷嘴。专利CN204552622U针对PDC钻头，提出了采用扁长的水孔。使得水孔出流扇形角覆盖区域比传统圆形喷嘴大大增加。专利CN208168805U针对PDC钻头和其他钻头，提出了出口截面为长条形的喷嘴，以增加出口射流覆盖切削齿的范围。专利US5358063提出一种出口截面为椭圆的渐扩式水孔，以降低水孔出流的速度，减少冲蚀。专利CN107405687A提出了采用金属增材制造方法加工制作带有水孔的PDC钻头体的工艺方法，喷嘴依然要单独安装。

上述各专利中，对钻头水力喷嘴的改进思路基本上是类同的，即通过将圆形改成椭圆或者长条，来增加射流出流的宽度，从而起到更好的排屑、冷却效果。但是包含如下一些具体的缺点：1.扁长型CN204552622U和长条形CN208168805U，或者串珠形CN204552623U水孔或者喷嘴，由于给钻头体开了一个长槽，在一定程度上降低了钻头抗扭的强度，长度方向越长，这种强度的降低越严重；2.上述设计的开槽，如果宽度方向太窄，则造成泥浆中的大颗粒不易从喷嘴排出，容易造成喷嘴的堵塞，限制喷嘴的流量，从而造成排屑不畅和冷却不力；3.对于进口窄出口宽的水孔和喷嘴US5358063CN204552622U，截面积从进口到出口如果是逐渐放宽的，则水力能量会明显下降，不利于排屑和冷却，尽管对减弱冲蚀有帮助；4.对于采用椭圆形喷嘴的设计专利CN2127427Y，由于喷嘴仍然是独立的零件，安装时需要调整其长轴方向使得与布齿方向平行或呈一定角度，这就需要在喷嘴和水孔之间设计额外的定位机构，带来额外成本；5.对于最新公布的采用增材制造技术制作的带水孔的钻头体CN107405687A，其喷嘴仍然是传统的独立零件，需要单独安装。总体来说，上述的现有的各专利，在提出改进喷嘴设计的同时，带来了一些新的问题，主要包括：喷嘴在一个维度方向加长后，尽管能增加射流宽度，但是会引起钻头体强度的下降；为了保持出流面积恒定，喷嘴在另一个维度方向必然缩小，于是就增加了喷嘴被钻井液中颗粒物堵塞的风险；非圆形截面的硬质合金喷嘴，制造成本增加，同时不容易定位等问题。

发明内容

本发明针对现有技术中冲洗、冷却能力不足，因喷嘴宽度增加而造成钻头体的强度降低，喷嘴容易被拥堵，喷嘴安装困难，制造成本高，制造周期长等问题；提供了一种集成喷嘴结构的钻头及其制造的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种集成喷嘴结构的钻头，钻头包含胎体，胎体内部设有腔体，胎体上设有喷嘴，喷嘴与腔体连通；其特征在于，喷嘴包括喷嘴流道、喷嘴内孔口、喷嘴外孔口，喷嘴外孔口为椭圆形，喷嘴和胎体一体化制造。

可选的，胎体和喷嘴采用增材制造的方式，包括选择性激光烧结、激光熔融，电子束熔融等方式。

可选的，胎体和喷嘴的材料采用镍基合金粉末加碳化钨颗粒。

可选的，45wt％～72wt％的碳化钨粉体；28wt％～55wt％的镍基粉体。

可选的，碳化钨粉体的粒度为80目～400目，镍基粉体的粒度为150目～350目。

可选的，镍基粉体包括1.5wt％～2.5wt％的B，3wt％～4wt％的Si，余量为Ni。

可选的，胎体设置刀翼，切削齿设置在刀翼上。

进一步，切削齿为PDC切削齿。

可选的，喷嘴设置一个或多个。

可选的，刀翼设置一个或多个。

可选的，刀翼上的切削齿设置一个或多个。

可选的，刀翼和喷嘴间隔设置。

可选的，为了保证总的喷嘴出流面积的恒定，椭圆形喷嘴外孔口的面积应当和传统的正圆形喷嘴外孔口的面积相当。假设按照传统正圆形喷嘴的设计方法，得到正圆形喷嘴外孔口的内直径为d，则本发明的椭圆形喷嘴外孔口的长轴2a和短轴2b应当满足如下面积恒定的限制条件：

式中，a为同面积椭圆形喷嘴外孔口的长轴半径，b为同面积椭圆形喷嘴外孔口的短轴半径，d为同面积正圆形喷嘴外孔口的内直径。

进一步，为了保证不会降低钻头体的强度，椭圆形喷嘴外孔口的长轴不能取值过大。由于喷嘴和胎体一体化制造，所以椭圆形喷嘴外孔口的长轴2a不超过同面积的传统正圆形喷嘴外孔口的外直径D，即：

d≤2a≤D (2)

式中，D为同面积正圆形喷嘴外孔口的外直径。

根据公式(1)可以确定短轴2b的取值范围：

进一步，需要限定短轴2b的最小取值为t，从而根据公式(3)进一步得到：

式中，t为短轴2b的最小取值范围。

进一步，t的取值范围为2mm-5mm。

可选的，椭圆形喷嘴外孔口长短轴的比例k不易太大，k的取值范围如下：

式中，k为椭圆形喷嘴外口径长短轴的比例。

可选的，在喷嘴流道的流线方向上，喷嘴内孔口为正圆形，喷嘴流道接近喷嘴内孔口的部分保留传统正圆形截面的设计，喷嘴流道的截面形状沿喷嘴流道的中心线由正圆形向椭圆形光滑过渡。

进一步，光滑过渡中保持椭圆截面的范围c可选择为喷嘴流道的靠近喷嘴外孔口的c＝b～3b距离处。

可选的，喷嘴流道的中心线可以是直线，或是任意的光滑曲线，可以根据钻头体的喷嘴位置进行调整，充分利用增材制造的制造优势。

一种钻头的制造方法：根据公式(2)：d≤2a≤D，选用最大可能的

根据公式(1)：

得到

式中，a为同面积椭圆形喷嘴外孔口的长轴半径，b为同面积椭圆形喷嘴外孔口的短轴半径，d为同面积正圆形喷嘴外孔口的内直径，D为同面积正圆形喷嘴外孔口的外直径。

可选的，根据公式(4)：

判断是否出现计算所得的2b小于t的情况；如果的确小于t，则取2b＝t，即b＝t/2；式中，t为短轴2b的最小取值。

进一步，t的取值范围2mm-5mm。

可选的，根据公式(5)：

如果k>4，需进一步增大b值，或者进一步减小a值并重新计算b，直到满足k<＝4；式中，k为椭圆形喷嘴外口径长短轴的比例。

可选的，根据公式(5)：

如果出现k<1.25，或者需要在保证钻体强度足够的条件下选择适当放大D值，或者需要在保证水力功率够用的情况下选择适当缩小d值；式中，k为椭圆形喷嘴外口径长短轴的比例。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1.本发明采用了椭圆形截面的喷嘴，在相同的横截面积情况下，椭圆形截面喷嘴比传统的正圆形截面喷嘴，能使同样强度的射流，分布范围变得更宽，当其射流长轴方向与所在刀翼的切削面方向平行时，喷嘴射流能更好的清洗切削齿，更快的冷却切削面，从而提高机械钻速同时延长切削齿和钻头的使用寿命。

2.由于喷嘴是采用增材制造的方法直接与钻头体一起打印成型的，相比采用传统的独立的硬质合金喷嘴，能精确的摆正喷嘴长轴的位置，以及喷嘴的角度。

3.由于喷嘴和钻头体是一体式的，所以无需加工单独的喷嘴，也无需通过螺纹或者钎焊进行喷嘴的安装，节省了制造成本和生成周期。

4.由于喷嘴和钻头体是一体式的，不存在钻井过程中喷嘴掉落井底的风险，增强了钻头的可靠性和安全性。

5.椭圆形喷嘴的面积应当和传统的圆形喷嘴的出口面积相当，可以保证总的喷嘴出流面积的恒定。

6.由于对喷嘴截面的椭圆形长轴最大值做了限定，从而保证了钻头体的强度不会减弱。

7.由于对喷嘴截面的椭圆形短轴最小值做了限定，从而保证了喷嘴出口不易被钻井液所含颗粒堵塞。

8.由于对喷嘴截面的椭圆形长短轴之比做了限定，防止当长短轴比例太大时，容易造成喷嘴孔两端尖点处应力集中，从而减少了喷嘴孔开裂的风险。

附图说明

图1为现正圆形喷嘴的结构图。

其中，D为同面积正圆形喷嘴外孔口的外直径，d为同面积正圆形喷嘴外孔口的内直径。

图2为本发明的集成椭圆形喷嘴结构的钻头的结构图。

图3为本发明的集成椭圆形喷嘴结构的钻头的剖面图。

其中，1：胎体、2：喷嘴、3：腔体、2-3：喷嘴流道、2-2：喷嘴内孔口、2-1：喷嘴外孔口、4：刀翼、5：切削齿、c是喷嘴流道2-3保持椭圆截面的范围。

图4为本发明实施例a的喷嘴结构数值模拟效果图。

图5为本发明实施例b的喷嘴结构数值模拟效果图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

结合图1至图3，本发明的一些实施例中，提供一种集成喷嘴结构的钻头，钻头包含胎体1，胎体1内部设有腔体3，胎体1上设有喷嘴2，喷嘴2与腔体3连通；其特征在于，喷嘴2包括喷嘴流道2-3、喷嘴内孔口2-2、喷嘴外孔口2-1，喷嘴外孔口2-1为椭圆形，喷嘴2和胎体1一体化制造。

在一些实施例中，胎体1和喷嘴2采用增材制造的方式，包括选择性激光烧结、激光熔融，电子束熔融等方式。

在一些实施例中，胎体1和喷嘴2的材料采用镍基合金粉末加铸造碳化钨颗粒。

在一些实施例中，45wt％～72wt％的碳化钨粉体；28wt％～55wt％的镍基粉体。

在一些实施例中，碳化钨粉体的粒度为80目～400目，镍基粉体的粒度为150目～350目。

在一些实施例中，镍基粉体包括1.5wt％～2.5wt％的B，3wt％～4wt％的Si，余量为Ni。

实施例1：将粒度为80目的WC粉体、粒度为150目的镍基粉体按照质量比为65:35的比例进行混合。测试本发明实施例1制备得到的样品的硬度、压缩强度、压缩断裂形变率、抗弯强度、相对耐磨性和相对耐蚀性，测试结果为，本发明实施例1制备得到的硬度为HRA78，压缩强度为1774MPa，压缩断裂变形率为14.3％，抗弯强度为1302MPa，相对耐磨性为78.5，相对耐蚀性为28.4。

实施例2：将粒度为80目的WC粉体、粒度为150目的镍基粉体按照质量比为70:30的比例进行混合。测试本发明实施例2制备得到的样品的硬度、压缩强度、压缩断裂形变率、抗弯强度、相对耐磨性和相对耐蚀性，测试结果为，本发明实施例2制备得到的硬度为HRA85.5，压缩强度为1833MPa，压缩断裂变形率为15.1％，抗弯强度为1267MPa，相对耐磨性为82.7，相对耐蚀性为30.7。

实施例3：将粒度为80目的WC粉体、粒度为150目的镍基粉体按照质量比为72:28的比例进行混合。测试本发明实施例3制备得到的样品的硬度、压缩强度、压缩断裂形变率、抗弯强度、相对耐磨性和相对耐蚀性，测试结果为，本发明实施例3制备得到的硬度为HRA82.5，压缩强度为1873MPa，压缩断裂变形率为14.1％，抗弯强度为1291MPa，相对耐磨性为77.4，相对耐蚀性为28.2。

在一些实施例中，胎体1设置刀翼4，切削齿5设置在刀翼4上。

进一步，切削齿5为PDC切削齿。

在一些实施例中，喷嘴2设置一个或多个。

在一些实施例中，刀翼4设置一个或多个。

在一些实施例中，刀翼4上的切削齿5设置一个或多个。

在一些实施例中，刀翼4和喷嘴2间隔设置。

在一些实施例中，刀翼4的数量设置为6个，喷嘴2的数量也设置为6个。

在一些实施例中，为了保证总的喷嘴出流面积的恒定，椭圆形喷嘴外孔口2-1的面积应当和传统的正圆形喷嘴外孔口的面积相当。假设按照传统正圆形喷嘴的设计方法，得到正圆形喷嘴外孔口的内直径为d，则本发明的椭圆形喷嘴外孔口2-1的长轴2a和短轴2b应当满足如下面积恒定的限制条件：

式中，a为同面积椭圆形喷嘴外孔口的长轴半径，b为同面积椭圆形喷嘴外孔口的短轴半径，d为同面积正圆形喷嘴外

孔口的内直径。

在一些实施例中，为了保证不会降低钻头体的强度，椭圆形喷嘴外孔口2-1的长轴不能取值过大。由于喷嘴2和胎体1一体化制造，所以椭圆形喷嘴外孔口2-1的长轴2a不超过同面积的传统正圆形喷嘴外孔口的外直径D，即：

d≤2a≤D (2)

式中，D为同面积正圆形喷嘴外孔口的外直径。

根据公式(1)可以确定短轴2b的取值范围：

在一些实施例中，考虑到短轴方向太窄，容易造成颗粒物堵塞喷嘴，所以需要限定短轴2b的最小取值为t，从而根据公式(3)进一步得到：

式中，t为短轴2b的最小取值范围。

进一步，t的取值范围为2mm-5mm。

在一些实施例中，当长短轴比例太大时，容易造成喷嘴孔两端尖点处应力集中，增加开裂的风险，因此椭圆形喷嘴外孔口2-1长短轴的比例k不易太大，规定比例k的取值范围如下：

式中，k为椭圆形喷嘴外口径长短轴的比例

在一些实施例中，在喷嘴流道2-3的流线方向上，为了不降低钻头体的强度，喷嘴内孔口2-2为正圆形，喷嘴流道2-3接近喷嘴内孔口2-2的部分保留传统正圆形截面的设计，喷嘴流道2-3的截面形状沿喷嘴流道的中心线由正圆形向椭圆形光滑过渡。

进一步，光滑过渡中保持椭圆截面的范围c可选择为喷嘴流道2-3的靠近喷嘴外孔口2-1的c＝b～3b距离处。即在c范围内，保持椭圆形截面(参考图3)。

在一些实施例中，喷嘴流道2-3的中心线可以是直线，或是任意的光滑曲线，可以根据钻头体的喷嘴位置进行调整，充分利用增材制造的制造优势。

本发明的一些实施例中，提供一种钻头的制造方法：根据公式(2)：d≤2a≤D，选用最大可能的

根据公式(1)：

得到

式中，a为同面积椭圆形喷嘴外孔口的长轴半径，b为同面积椭圆形喷嘴外孔口的短轴半径，d为同面积正圆形喷嘴外孔口的内直径，D为同面积正圆形喷嘴外孔口的外直径。

在一些实施例中，根据公式(4)：

判断是否出现计算所得的2b小于t的情况；如果的确小于t，则取2b＝t，即b＝t/2；式中，t为短轴2b的最小取值。

进一步，t的取值范围2mm-5mm。

在一些实施例中，根据公式(5)：

如果k>4，则说明b的数值太小，需进一步增大b值，或者进一步减小a值并重新计算b，直到满足k<＝4；式中，k为椭圆形喷嘴外口径长短轴的比例。

在一些实施例中，根据公式(5)：

如果出现k<1.25，则说明d和D非常接近，不易将正圆形喷嘴外孔口变形为同面积的椭圆形喷嘴外孔口，或者需要在保证钻体强度足够的条件下选择适当放大D值，或者需要在保证水力功率够用的情况下选择适当缩小d值；式中，k为椭圆形喷嘴外口径长短轴的比例。

实施例a：方案一为传统正圆形喷嘴(大口径)，方案二为正传统圆形喷嘴(小口径)，方案三为以方案二为对照设计的椭圆形喷嘴(小口径)，其中方案二中的D＝20mm、d＝9mm，方案三中的a＝6.75mm、b＝3mm。

参照图4，对实施例a中的方案一、方案二、方案三都采用CFD(计算流体动力学)进行流场的数值模拟可以看出：方案一的冲刷速度最高值为14m/s，方案二的冲刷速度最高值为19m/s，方案三的冲刷速度最高值为18m/s；方案一的速速剖面在20-50mm之间，方案二的速度剖面在10-50mm之间，方案三的速度剖面在20-70mm之间。

实施例b：方案一为传统正圆形喷嘴(大口径)，方案二为正传统圆形喷嘴(小口径)，方案三为以方案二为对照设计的椭圆形喷嘴(小口径)，其中方案二中的D＝16mm、d＝8mm，方案三中的a＝6mm、b＝2.67mm。

参照图5，对实施例b中的方案一、方案二、方案三都采用CFD(计算流体动力学)进行流场的数值模拟可以看出：方案一的冲刷速度最高值为13m/s，方案二的冲刷速度最高值为20m/s，方案三的冲刷速度最高值为18m/s；方案一的速速剖面在20-50mm之间，方案二的速度剖面在20-50mm之间，方案三的速度剖面在20-70mm之间。

从实施例a和实施例b中都可以看出，无论是正圆形还是椭圆形喷嘴，采用方案二、方案三中的小口径以后，PDC齿表面的冲刷速度得到很大提高。但是方案二中的正圆形喷嘴的速度剖面的峰比较陡，水力能量比较集中，而且都靠近钻头中心，对工作负荷比较重的钻头鼻部的切削齿冷却不够。而方案三中的椭圆形喷嘴，其速度剖面的峰比较宽，覆盖范围较广，且明显比圆形喷嘴外移，能很好的覆盖切削负荷比较重的鼻部的各个切削齿。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种集成喷嘴结构的钻头，钻头包含胎体，胎体内部设有腔体，胎体上设有喷嘴，喷嘴与腔体连通；其特征在于，喷嘴包括喷嘴流道、喷嘴内孔口、喷嘴外孔口，喷嘴外孔口为椭圆形，喷嘴和胎体一体化制造；椭圆形喷嘴外孔口的长轴2a和短轴2b应当满足如下面积恒定的限制条件：

式中，a为同面积椭圆形喷嘴外孔口的长轴半径，b为同面积椭圆形喷嘴外孔口的短轴半径，d为同面积正圆形喷嘴外孔口的内直径。

2.根据权利要求1所述的集成喷嘴结构的钻头，其特征是：胎体和喷嘴采用增材制造的方式。

3.根据权利要求1所述的集成喷嘴结构的钻头，其特征是：胎体和喷嘴的材料采用镍基合金粉末加碳化钨颗粒。

4.根据权利要求3所述的集成喷嘴结构的钻头，其特征是：45wt％～72wt％的碳化钨粉体；28wt％～55wt％的镍基粉体。

5.根据权利要求3所述的集成喷嘴结构的钻头，其特征是：碳化钨粉体的粒度为80目～400目，镍基粉体的粒度为150目～350目。

6.根据权利要求3所述的集成喷嘴结构的钻头，其特征是：镍基粉体包括1.5wt％～2.5wt％的B，3wt％～4wt％的Si，余量为Ni。

7.根据权利要求1所述的集成喷嘴结构的钻头，其特征是：在喷嘴流道的流线方向上，喷嘴内孔口为正圆形，喷嘴流道接近喷嘴内孔口的部分保留传统正圆形截面的设计，喷嘴流道的截面形状沿喷嘴流道的中心线由正圆形向椭圆形光滑过渡。

8.根据权利要求7所述的集成喷嘴结构的钻头，其特征是：光滑过渡中保持椭圆截面的范围c选择为喷嘴流道的靠近喷嘴外孔口的c＝b～3b距离处。

9.根据权利要求1所述的集成喷嘴结构的钻头，其特征是：胎体设置刀翼，切削齿设置在刀翼上。

10.根据权利要求1所述的集成喷嘴结构的钻头，其特征是：椭圆形喷嘴外孔口的长轴2a不超过同面积的传统正圆形喷嘴外孔口的外直径D，即：

d≤2a≤D (2)

式中，D为同面积正圆形喷嘴外孔口的外直径。

11.根据权利要求1所述的集成喷嘴结构的钻头，其特征是：根据公式(1)可以确定短轴2b的取值范围：

需要限定短轴2b的最小取值为t，从而根据公式(3)进一步得到：

式中，t为短轴2b的最小取值范围。

12.根据权利要求11所述的集成喷嘴结构的钻头，其特征是：t的取值范围为2mm-5mm。

13.根据权利要求1所述的集成喷嘴结构的钻头，其特征是：椭圆形喷嘴外孔口长短轴的比例k的取值范围如下：

式中，k为椭圆形喷嘴外口径长短轴的比例。

Images