[发明专利]一种主副水路型金刚石钻头水路系统的设计方法

说明书

本发明公开了一种主副水路型金刚石钻头水路系统的设计方法，包括如下步骤为1)确定冲洗液的沿环壁上返流速V₁和水眼流速V₂的范围：2)根据流量守恒定律，计算冲洗液流过水眼总流量,3)计算主副水眼总面积之和；4）计算水口面积与钻头唇面投影面积之比；5)获得水路系统的设计公式；6）计算磨削长度比，7）计算优选获得主、副水眼半径和水口宽度。本发明考虑了主副水路进行设计时唇面面积的改变，解决了底面唇面面积随水眼数量变化的问题，能提高设计的钻头的使用寿命，且保证取芯效率和质量；本发明便于操作，不再需要依靠工程修正设计参数，提高了设计效率。

技术领域

本发明涉及一种主副水路型金刚石钻头水路系统的设计方法。

技术背景

钻头水路系统影响着钻头的使用寿命、取芯质量和取芯效率。主副水路型钻头为特殊的底喷钻头，存在主副两种水路，副水路可以辅助主水路排粉和冷却厚壁钻头胎体的中心部分。在相同水眼数下，主副水路型钻头比底喷型钻头唇面面积大，唇面面积增大有利于增加钻头的使用寿命和碎岩效率。

目前，主副水路型钻头水路系统参照底喷钻头设计，在现有技术对底喷钻头水路设计时，需要设计卡簧座与钻头刚体之间的环状间隙，此间隙称为隔水间隙。此间隙设计时，是根据环状间隙内流动液体的压力降公式计算得出的，具体式为：

其中：为隔水间隙中所产生的压力降(kg/cm²)；μ为粘度(P)；L为环状间隙中液体流动的长度(cm)；q为流过间隙的冲洗液量(cm³/s)；d卡簧座外径(cm)；Δα为环状间隙(cm)；

在底喷钻头水路系统中，将以往钻头从水槽通过的冲洗液的绝大部分改为从底部水眼通过，因此水眼的设计更加重要。而目前设计水眼及水口时，借用常规方法对钻头水眼的过水面积进行计算，常规钻头不存在水眼，全部冲洗液从隔水间隙往水口截面经过。在底喷钻头设计时，水眼和水口过水面积确定后，没有考虑地层改变水眼数量增加后会使得唇面面积和水口面积的变化。因此，目前的方法中，没有考虑到副水路引起唇面面积的改变，且钻头的水眼大小、数量、水口大小、唇面面积之间的没有合理的计算方法。目前方法会影响钻头的使用寿命，且取芯效率和质量效果不稳定，依靠工程修正效果慢，成本大。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种考虑到副水路引起唇面面积的改变，能保证钻头取芯效率和质量，操作方便的主副水路型金刚石钻头水路系统的设计方法。

本发明采用的技术方案是：一种主副水路型金刚石钻头水路系统的设计方法，包括以下步骤：

1)确定冲洗液的沿环壁上返流速V₁和水眼流速V₂的范围：

2)根据流量守恒定律，计算冲洗液流过水眼总流量,冲洗液流过水眼总流量等于沿钻头与孔壁环隙流量之和，即所流过截面的速度与截面积的乘积，计算公式如下：

其中：S_T为水眼总过水面积；

D₁为孔壁直径；

D₂为钻杆直径；

3)计算主副水眼总面积之和，其计算公式为：

其中r₁、r₂分别为主、副水眼半径；

n为主副水眼个数，

4)计算水口面积与钻头唇面投影面积之比，其计算公式为：