专利名称：旋转钻头中备用切削件插入件的制作方法
技术领域：
本申请通常涉及具有钻头本体的固定切削齿旋转钻头，更特别地，
背景技术：
旋转钻头通常用于在土层中钻井眼或钻井。 一种类型的旋转钻头 是固定切削齿钻头(经常称为"刮刀钻头，，)，其通常包括固定到钻头 本体的面区域上的多个切削件。 一般地，在一些实例中，固定切削齿 型钻头的切削件或者具有盘形形状，或者具有更细长的基本上圆筒形 形状。切削表面包括硬的超研磨材料(比如用于形成所谓"金刚石台" 的聚晶金刚石的相互约束的颗粒)可以设在每个切削件的基底的基本 圆形端表面上。这种切削件经常称为"聚晶金刚石复合"(PDC)切削 件或切削齿。通常，PDC切削件与钻头本体分别制造并被固定在形成 于钻头本体的外表面中的凹窝内。粘结材料(比如粘合剂)或者，更
通常地，黄铜合金可以用于将切削件固定到钻头本体上。
旋转钻头的钻头本体通常固定到具有美国石油学会(API)的螺 紋连接件的硬化钢柄上，所述螺紋连接件用于将钻头连接到钻柱上。 钻柱包括在钻头和其他地面钻井设备之间端对端地连接的管状管和设 备段。诸如转盘或顶部驱动装置的设备可以用于旋转井眼内的钻柱和 钻头。替代地，钻头的柄可以直接连接到井下马达的驱动轴上，然后，其可用于使钻头旋转。
参照图1，传统的固定切削齿旋转钻头10包括钻头本体12，所述 钻头本体一般具有径向突出的并且轴向延伸的翼片或刀片14，所述翼 片或刀片被从钻头本体的面20上的通道延伸的排屑槽16分隔开。多 个PDC切削齿18设在在钻头本体12的面20上延伸的刀片14上。钻 头本体12的面20包括构造成接合被钻地层的刀片14的表面，以及在 通道内的钻头本体12的外表面和排屑槽16。多个PDC切削齿18可 以沿着形成在其旋转前缘内的凹窝22内的每一片刀片14设置，而且 PDC切削齿18被可以与钻头本体12整体形成的支撑壁(buttress) 24从后面支承。
钻头10还可以包括用于将钻头10连接到钻柱(未显示)上的API 螺紋连接部分30。此外，纵向孔(未显示)纵向延伸穿过至少一部分 钻头本体12，而且内部的流体通道(未显示)提供纵向孔和喷嘴32 之间流体连通，所述喷嘴32设在钻头本体12的面20处并且开口入导 向排屑槽16的所述通道。
在钻井操作过程中，钻头IO被放置在井眼孔的底部并被旋转，与 此同时，钻井流体被泵送穿过纵向孔、内部流体通道和喷嘴32到达钻 头本体12的面20。在钻头10旋转时，PDC切削齿18横向刮切掉下 面的土层。地层钻屑与钻井流体混合并且悬浮在钻井流体内，穿过排 屑槽16并向上穿过井眼壁和钻柱外表面之间的环形空间流到土层地 面。
固定切削齿旋转钻头10的钻头本体12可以由钢成。这种钢钻头 本体通常通过机械加工(使用传统的机械加工工艺，例如包括车、铣 和钻)钢坯来形成刀片14、排屑槽16、凹窝22、支撑壁24、内部纵 向孔和流体通道(未显示)，以及钻头10的其他特征。
图2是刀片14的放大透视图，显示出其上的多个PDC切削齿18 被安装在凹窝22内并且被支撑壁24从后面支承。如在此看到的，PDC 切削齿18可以包括在圆筒形基底38的基本上平面的端表面上形成的 聚晶金刚石复合台36，基底38由硬质金属材料(比如碳化鴒)制成。通常，PDC切削齿18被其基底38通过铜焊、焊接或使用高强度粘合 剂粘接而固定在凹窝22内。
为了提高钻头10的切削作用和/或防止钻头IO的磨损，希望在一 个或多个刀片14上提供旋转到至少 一些主PDC切削齿18的后面的额 外"备用"切削齿18'。
在钻头10中提供这种备用切削齿18'的原因包括由于机械加 工设备或钻头IO的切削件与钻头IO的其他特征(比如相邻的刀片14) 之间的干涉，很难使用传统的机械加工设备和技术(例如，比如多轴 铣床)来对备用切削齿18'的凹窝22'进行机械加工，因此很难加工 钢钻头本体12。规定的另一种方式为，在机械加工设备和钻头10之 间的干涉可以用允许对备用切削齿18'的凹窝22'进行机械加工的 方式来排除机械加工设备的位置，特别是钻头的切削件的位置。此外， 很难在对钻头10的不打算加工的其他区域不进行机械加工的情况下 来加工备用切削齿18'的凹窝22'。
Sherwood， Jr.等的美国专利7,070,011公开了一种具有设在切削 齿凹窝形凹槽中的主切削件的钢本体的旋转钻头，所述凹窝形凹槽部 分地由切削齿支撑件限定。支撑件在钻头的制造过程中附连到钢本体 上。每个切削件本体的至少一部分被固定到钢钻头本体的表面上，而 且每个切削件本体的至少另一部分匹配地接合支撑件中的一个的表 面。然而，美国专利7,070,011未描述、教导或建议使用在此公开的支 撑件将备用切削齿固定到具有钢本体的旋转钻头上。
因此，现有技术需要有一种便于将备用切削齿放置在旋转钻头上 的方法以及需要一种包括备用切削齿的旋转钻头。
发明内容
在一些实施例中，本发明包括用于固定切削齿旋转钻头的切削齿 插入件。所述切削齿插入件具有切削齿插入件本体，所述切削齿插入 件本体包括用于在切削齿插入件本体中限定切削齿凹槽的至少 一个表 面。切削齿凹槽可以构造成在其中接收备用切削件的至少一部分。在另外的实施例中，本发明包括用于钻地下地层的固定切削齿旋 转钻头。用于保持备用切削齿的至少 一个切削齿插入件可以被可拆卸 地附连到旋转到主切削齿的切削凹窝后面的钻头本体的面上。切削齿 插入件可以包括限定其中的切削齿凹槽的至少 一个表面，所述切削齿
凹槽构造成在其中接收备用切削齿的至少一部分(例如，比如PDC切 削件)。备用切削齿的后倾量和暴露量可通过适当地构造切削齿凹槽 的位置和方向而容易地进行调整。
在另 一个实施例中，本发明包括一种制造固定切削齿旋转钻头的 方法。所述方法包括提供具有构造成在钻井过程中接合地下地层的面 的钻头本体(其可以具有多个刀片)。至少一个切削齿插入件凹槽形成
在旋转到切削齿凹窝后面的钻头本体的面(例如，在刀片的面)中， 所述切削齿凹窝构造成在其中接收主切削件。可以提供包括切削齿插 入件本体的 一个或多个切削齿插入件，所述切削齿插入件本体具有其 中限定的切削齿凹槽的至少一个表面。切削齿凹槽构造成在其中接收 备用切削件的至少一部分。所述一个或多个切削齿插入件的每一个可 以至少部分地固定在钻头本体面上的切削齿插入件凹槽内，而且至少 一个备用切削齿可以至少部分地固定在所述一个或多个切削齿插入件 的切削齿凹槽内。所述一个或多个切削齿插入件可以可拆卸地固定在
的拆卸和修理。
结合附图阅读本发明的下列描述，可以很容易地确定由说明书和 权利要求书一起决定(特别是权利要求指出并明确提出的)的本发明 所视为的发明的各个特征和优点，其中
图l是示例性的固定切削齿旋转钻头的透视图2是与图1所示相同的固定切削齿旋转钻头的放大图，显示了 根据本发明的一个实施例安装在刀片上的备用切削齿；
图3A是可用于将备用切削齿安装在旋转钻头的刀片上的切削齿插入件的一个实施例的透视图3B是图3A所示的切削齿插入件的另一个透视图3C是图3A所示的切削齿插入件的俯视图3D是图3C所示的切削齿插入件的侧视图4是可用于将备用切削齿安装在旋转钻头的刀片上的切削齿插 入件的另一个实施例的透视图5A-5F说明了 一种使用与图3A-3D所示相同的插入件将备用切 削齿安装在旋转钻头的刀片上的方法；
图6是固定切削齿旋转钻头的端视图，显示了使用与图3A-3D所
上；5 、 ' " '、、 、
图7显示了图6所示的固定切削齿旋转钻头的切削齿的轮廓。
具体实施例方式
在 一 些实例中，在此提出的说明不是任何特别的切削件的插入件、 切削件、或钻头的实际视图，而只是用来描述本发明的理想化表示。 另外，图之间的共同元件可以保持相同的数字标记。
可用于将备用切削齿18'固定在旋转钻头10 (图1)(其可以具有 钢钻头本体)的面上的切削齿插入件50如图3A-3D所示。参照图3A, 切削齿插入件50可以包括大致圆筒形切削齿插入件本体52，所述切 削齿插入件本体具有设在其一端的切削齿凹槽54。例如，切削齿插入 件本体52可以包括钢合金、碳化鵠、或任何其他足够硬且耐磨的材料。 作为另一个实例，例如，切削齿插入件本体52可以包括颗粒基 (particle-matrix)复合材料，比如一种包括用金属基材料(例如，钴 或钴基合金)粘合在一起的碳化鴒颗粒的材料。
参照图3B-3C,切削齿插入件本体52可以具有大致圆筒形横向侧 表面60和两个相对的基本为平面的且平行的端表面61A，在图3A、 3B和3C中仅一个端表面可见。在一些实施例中，切削齿插入件本体 52还可以具有一个或多个另外的基本为平面的平坦表面61B，其可以与一个相对于平行的端表面61A成小于90度(90°)的锐角的平面共 面并位于该平面中。切削齿凹槽54可以具有的尺寸和形状构造成在其 中至少部分地接收备用切削齿18'(图2)。在一些实施例中，切削齿 凹槽54可以具有的尺寸和形状构造成在其中基本全部接收备用切削 齿18'，使得备用切削齿18'不会从切削齿插入件本体52横向突出来 而超出大致圆筒形横向侧表面60，如图3D所示。换句话说，备用切 削齿18'仅可以竖直向外突出来而超出上端表面61A，如图3D所示。 通过实例的方式但不局限于此，切削齿凹槽54可以具有与部分右 端圆筒体相应的形状，而且可以由切削齿插入件本体52的大致圆筒形 的、弓形表面56和切削齿插入件本体52的大致平坦的表面58限定而 成，弓形表面56在大致平坦的表面58处终止。换句话说，弓形表面 56与平坦的表面58相交并且可以从该平坦的表面基本横向延伸。在 一些实施例中，大致平坦的表面58还可以设在相对端表面61A中的 一个或两个都成小于90度(90°)的锐角67的平面中，和/或相对切 削齿插入件本体52的纵轴Al成小于90度(90。)的锐角68的平面中。 切削齿凹槽54可以与平表面61B、；镜向侧表面60和端表面61A中的 一个或多个相交，如图3B所示。而且，切削齿凹槽54可以沿凹槽轴 线Ar延伸，所述凹槽轴线相对切削齿插入件本体52的纵轴Al成小 于90度(90。)的锐角69。如在此所使用的，术语"凹槽轴线，，指切削 齿凹槽54的形状关于其基本对称的任何轴线。在一些实施例中，凹槽 轴线可以与用于形成切削齿凹槽54的钻轴线或机械加工轴线重合。在 这种构造中，凹槽轴线AR还可以相对横向侧表面60成小于90度(90。) 的锐角。例如，备用切削齿18'(比如PDC备用切削齿18')可以至 少部分地接收在切削齿插入件本体52的切削齿凹槽54内，如图3D 所示。
如图3D所示，切削齿凹槽54可选择地定位在切削齿插入件本体 52内，使得位于其中的备用切削齿18'的切削面19相对切削齿插入件 本体52的侧表面60成选定角66,所述侧表面60与切削齿插入件本 体52的纵轴Al平行。当切削齿插入件50固定到钻头10 (图1)的面20上而且备用切削齿18 '位于切削齿插入件50的切削齿凹槽54内时， 选定角66可以用于限定备用切削齿18'的选定后倾角。类似地，切削 齿插入件本体52中的切削齿凹槽54的深度D可以被调整以便当切削 齿插入件50固定到钻头10(图l)的面20上而且备用切削齿18'位于 切削齿插入件50的切削齿凹槽54内时，为备用切削齿18'提供选定的 暴露量。
如图3D所示，切削齿插入件本体52可^皮构造成使得备用切削齿 18'可以被主要地或基本上在切削齿凹槽54内被固定到切削齿插入件 本体52上。换句话说，备用切削齿18'不是明显地直接结合到备用切 削齿18'安装在其上的钻头本体的刀片14的任一表面上。
可选地，切削齿插入件50可以包括一个或多个定位特征，其构造 成便于以选定方向、以侧倾方式将切削齿插入件50放入钻头IO(图1) 的钻头本体12内。通过实例的方式而且不局限于此，切削齿插入件 50可以包括旋转定位销62，其可以部分地插入形成在切削齿插入件本 体52的表面60中的相应孔64中。旋转定位销62可用于以选定的旋 转方向将切削齿插入件50放在钻头10的钻头本体12内，从而在切削 齿插入件50被固定到钻头IO(图1)的面20上的刀片14上而且备用 切削齿18'位于切削齿插入件50的切削齿凹槽54内时，限定出备用切 削齿18'的选定的侧倾角。
切削齿插入件50的另一个实施例如图4所示。如在此所看到的， 切削齿插入件本体52可以包括大致平面的对准表面或平面68，其可 形成在切削齿插入件本体52的横向侧表面60中并与其相交。对准表 面或平面68可用于以选定旋转方向将切削齿插入件50放入钻头10 (图1)的钻头本体12内，旋转定位销62的位置如图3A-3D所示。 在另外一个实施例中，切削齿插入件50可以包括限定在切削齿插入件 本体52的表面中的对准标记(比如线或槽)，其可以与设在钻头IO(图 1)的钻头本体12上的相应标记(或其他特征)对准。
现在将参照图5A-5F描述一种使用如图3A-3D所示的切削齿插入 件50将备用切削齿18'固定到与图1所示相同的旋转钻头10的面20上的方法。
图5A是与图1所示相似的固定切削齿旋转钻头10的刀片14的 放大的局部透视图，所述固定切削齿旋转钻头具有钢钻头本体12。图 5A显示了在已经在其中形成切削齿凹窝22之后并且在将主PDC切削 齿18 (图2)固定在其中之前时的刀片14。切削齿凹窝22已经邻近 刀片14的前表面26形成。前表面26通常指与在钻进过程中向前旋转 的或与钻头本体12的旋转方向相关的前端的刀片14的侧面。如在图 5A中看到的，切削齿插入件凹槽70设在刀片14的面20上，且处于 在其上希望提供备用切削齿18'的所需位置处。例如，切削齿插入件凹 槽70可以设在旋转到同一刀片上的切削齿凹窝22后面的刀片14的面 20中，所述切削齿凹窝构造成在其中接收主PDC切削齿18。切削齿 插入件凹槽70可以具有构造成在其中接收切削齿插入件50 (图 3A-3D)的尺寸和形状。通过实例的方式但不局限于此，切削齿插入 件凹槽70可以是大致圆筒形的而且可以具有比切削齿插入件50的大 致圆筒形的切削齿插入件本体52的直径大2.54厘米(一英寸)的百 分之几的直径D，以便允许切削齿插入件50被焊接或铜焊在刀片14 的切削齿插入件凹槽70内。在其他实施例中，切削齿插入件凹槽70 可以具有比切削齿插入件50的大致圆筒形的切削齿插入件本体52的 直径大2.54厘米(1英寸)的百分之几直径D，以便允许切削齿插入 件504皮压入配合或者收缩配合到刀片14的切削齿插入件凹槽70中。
通过实例的方式但不局限于此，例如，通过使用配有平底圆筒形 切削件的传统的钻床或铣床在刀片14中钻切削齿插入件凹槽70而在 刀片14中形成切削齿插入件凹槽70。
参照图5B，可以通过基本上沿钻轴80向刀片14钻进而形成切削 齿插入件凹槽70。通过实例的方式但不局限于此，钻轴80可以大致 垂直于平面82，所述平面82与刀片14的面20在形成切削齿插入件 凹槽70的位置处基本上相切。通过以这种方式允许钻出切削齿插入件 凹槽70，传统的钻孔设备和技术可以用于钻出切削齿插入件凹槽70 而不会遇到先前描述的干涉问题，当试图对位于钻头10的刀片14中的并且构造成将备用切削齿18'(图2)直接接收到钻头10的刀片14 中的切削齿凹窝22'进行机械加工时，可能发生干涉问题。
参照图5C，从切削齿插入件凹槽70延伸的并且构造成在其中接 收切削齿插入件50 (图3A-3D)的定位销60的定位销凹槽72可以设 在刀片14中。通过实例的方式但不局限于此，例如，通过使用配有圆 底的圆筒形切削件的传统铣床在刀片14中铣出定位销凹槽72而在刀 片14中形成定位销凹槽72。
如前所述，定位销凹槽72可以设在绕切削齿插入件凹槽70的圆 周边缘74的选定位置处，使得当切削齿插入件50插入切削齿插入件 凹槽70中并且定位销92设在定位销凹槽72内时，切削齿插入件50 以选定旋转方位位于切削齿插入件凹槽70内。以这种方式，可以选择 性地限定位于设在切削齿插入件凹槽70中的切削齿插入件50内的备 用切削齿18'的侧倾角。
参照图5D,在刀片14中形成切削齿插入件凹槽70和定位销凹槽 72之后，切削齿插入件50可以对准并插入切削齿插入件凹槽70，使 得定位销62设在放入定位销凹槽72中。
在将切削齿插入件50插入切削齿插入件凹槽70之后，切削齿插 入件50可以被固定在切削齿插入件凹槽70内(如果切削齿插入件50 尚未压入配合或收缩配合到切削齿插入件凹槽70中，或者如果希望用 除了压入配合或收缩配合之外的其他方法来将切削齿插入件50固定 在切削齿插入件凹槽70内)。如前所述，在切削齿插入件凹槽70内， 将铜焊材料或粘合材料可选地设在切削齿插入件50和刀片14的周围 表面之间的界面处。在这种构造中，如果切削齿插入件50损坏，其可 以相对容易地拆卸下来以便更换。
参照图5E，除了先前所述的用于将切削齿插入件50固定在切削 齿插入件凹槽70内的装置之外或者作为其替代物的是，可以沿着切削 齿插入件50和邻近切削齿插入件凹槽70的刀片14的区域之间的至少 一部分界面设置焊道78。再者，这种将切削齿插入件50固定在切削 齿插入件凹槽70内的方法便于切削齿插入件50的拆卸和修理。而且，削齿插入件50的选定区域、焊道78、刀片 14的周围区域上或周围可以选择性地施加表面硬化材料(图5E中未 显示)。这种表面硬化材料是现有技术公知的，常常包括散布在整个金 属合金基材料中的硬颗粒(例如，比如碳化鴒材料的颗粒)，而且所述 表面硬化材料可用于防止底层结构磨损。特别地，在结合本发明制造 钻头时，不需要钻头本体的其他热循环。
在已经将切削齿插入件50插入并固定在切削齿插入件凹槽70内 之后，备用切削齿18'可以被插入并固定在切削齿插入件50的切削齿 凹槽54内，如图5F所示。通过实例的方式但不局限于此，在此以与 先前所述的将切削齿插入件50固定在切削齿插入件凹槽70内类似的 方式，使用铜焊材料或粘合材料可以将备用切削齿18'固定在切削齿凹 槽54内。在另外的方法中，可以在将切削齿插入件50插入和/或固定 在切削齿插入件凹槽70内之前将备用切削齿18'插入并固定在切削齿 凹槽54内，尽管热约束条件可能规定不能采用这种方法，例如，由于 如果用焊接将切削齿插入件50固定在刀片14上，可能破坏备用切削 齿18'的金刚石台。
虽然在此已经描述和说明了备用切削齿18'包括PDC切削齿，在 另外的实施例中，备用切削齿18'可以包括现有技术已知的任何类型或 构造的超研磨切削齿或其他切削齿，例如，比如包括硬质材料(比如 碳化钨)但不包括其上的金刚石台的柱头螺栓。此外，迄今虽然在此 仅描述了和在附图中说明了单个切削齿插入件50和单个备用切削齿 18',然而钢本体的钻头10可以设有多个切削齿插入件50和多个备用 切削齿18'。
本发明的固定切削齿旋转钻头90的端视图如图6所示。如在此所 看到的，如前所述，在此多个备用切削齿18'可以使用切削齿插入件 50 (图6中未显示)而被固定在钻头90的至少一个刀片14上。每一 个备用切削齿18'可以包括PDC备用切削齿18'。在一些实施例中， 每一个备用切削齿18'具有的直径可以小于主切削齿18的直径。例如， 每一个备用切削齿18'具有的直径小于设在同一刀片14上并且在其上向前旋转的主切削齿18的直径。在另外的实施例中，每一个备用切削 齿18'具有的直径可以等于或大于设在同一刀片14上并且在其上向前 旋转的主切削齿18的直径。此外，在此至少一个备用切削齿18'可以 设在钻头90的每一个主刀片14 (如在此所使用的，术语"主刀片，，是 指基本上延伸到钻头中心的刀片)上，如图6所示。在另外的实施例 中， 一个或多个备用切削齿18'可以设在钻头90的每一个刀片14上。
如在图6中所看到的，钻头90的至少一个刀片14可以包括在备 用切削齿18'位置处的一个或多个支承结构94。每一个支承结构94可 以包括包含硬质材料(例如，比如碳化鵠)的柱头螺栓和衬垫。每一 个结构94可以具有构造成在钻进过程中接合地下地层表面的至少一 个支承表面95。此外，每一个支承结构94可以包括覆盖其至少一部 分支承表面95的金刚石台、金刚石孕镶材料、或者任何包括构造成用 于增加支承结构94的耐磨性的一个或多个金刚石的其他结构和材料。
图7说明了图6所示的钻头卯的"切削齿轮廓"是现有技术所已知 的，其显示了一个刀片14的横截面。重叠的圆中的每一个表示如果主 切削齿18和备用切削齿18'绕钻头90的纵轴沿圆周旋转到如图7所示 的刀片14位置处，主切削齿18和备用切削齿18'将在刀片14上占据 的位置。在一些实施例中，备用切削齿18'可以主要沿着其上安装有各 个备用切削齿18'的每个刀片14的肩部区域(在图7中通常表示为96) 设置。在另外的实施例中，至少一个备用切削齿18'设在其上安装有各 个备用切削齿18'的每个刀片14的锥形区域(通常表示为98)内、在 鼻形区域(通常表示为100)内、或者在刻度(gage)区域(通常表 示为102)内。在一些实施例中，备用切削齿18'可构造成相对主切削 件18相对暴露不足。换句话说，备用切削齿18'可以从刀片14的面 20向外延伸的距离小于位于同一刀片上向前旋转的主切削齿18从该 刀片14的面20向外延伸的距离。在另外的实施例中，备用切削齿18' 可以构造成相对主切削件18相对过度暴露、或者具有相对主切削件 18基本上相等的暴露量。换句话说，备用切削齿18'从刀片14的面20 可以向外延伸的距离等于或大于位于同一刀片上向前旋转的主切削齿18从该刀片14的面20向外延伸的距离。
根据本发明制造具有钢本体和六个刀片的旋转钻头。以前述的与 参照图5A-5F的切削齿插入件50和备用切削齿18'相关的基本类似的 方式，使用切削齿插入件在刀片肩部区域中将两到三个备用切削齿固 定到每个刀片上的钻头面上。然后，使用钻头进行四次试运行，在两 种不同的地下地层中的每一种中进行其中两次试运行。试运行包括钻 井眼孔和和为先前钻好的井眼孔扩孔。进行的四次试运行的操作参数 为最大钻压(WOB)范围为从大约66,723牛顿到大约133,447牛顿(从 大约15,000磅到大约30,000磅)、最大转据范围为从大约4,881牛顿.米 到大约10,169牛顿.米(大约3,600英尺-磅到大约7,500英尺-磅)、 最大钻进速度(ROP )在大约30.5米/小时到大约76.0米/小时之间(大 约100英尺/小时到大约250英尺/小时之间)。
在进行试运行之后，用视觉和借助磁粉检测(MPI)方法检测备 用切削齿，以便确定备用切削齿和切削齿插入件是否经历了不可接受 的磨损量。备用切削齿和切削齿插入件未出现不可接受的磨损量。如 上所述，本发明可以便于在具有刚本体的旋转钻头上使用备用切削齿， 其可以便于制造呈现改进的耐久性和/或稳定性的刚本体旋转钻头。
如上所讨论的，本发明具有与具有包括钢的钻头本体的旋转钻头 相关的实用性。最近，用于形成具有包括颗粒基复合材料的钻头本体 的旋转钻头的新方法经过努力已经开发出，从而改进了 土钻旋转钻头 的性能和耐久性。这种方法已经在2005年11月10日提交的未决美国 专利申请11/271,153和也在2005年11月10日提交的未决美国专利申 请11/272,439中公开。
与传统的渗透方法相比(其中，硬质颗粒(例如碳化鴒))被熔融 的液体金属基材料(例如铜基合金)渗透到耐火模具内，这些新方法 通常涉及压制粉末混合物以形成粉末压实的生坯，并且烧结该粉末压 实的生坯以形成钻头本体。如必要的或希望的，可以在烧结粉末压实 的生坯之前，使用与那些用于形成钢钻头本体相同的传统机械加工技 术对其进行机械加工。此外，在将粉末压实的生坯烧结为部分烧结的部分烧结(brown)状态之后、和/或在将粉末压实的生坯烧结为想要 的最终密度之后，可以进行另外的机械加工过程。例如，希望在钻头 本体处于生坯、部分烧结、或完全烧结状态时，在用这种方法形成的 钻头的一个或多个刀片14上机械加工备用切削齿18'(图1)的凹窝 22'。然而，由于钢本体钻头，干涉问题可能阻止形成希望的凹窝22'。 因此，本发明的实施例还可用于将备用切削齿18'固定到具有包括颗粒 基复合材料的钻头本体的钻头面上。
通过实例的方式但不局限于此，如图5A-5B所示的切削齿插入件 凹槽70可以设在包括处于生坯、部分烧结、或完全烧结状态的颗粒基 复合材料的刀片14的面20中。可选地，与图5C所示类似的定位销 凹槽72也可以设在刀片14中。然后，与图3A-3D所示相似的切削齿 插入件50可以固定在切削齿插入件凹槽22内，如图5D所示。在一 些实施例中，切削齿插入件50通过共同烧结刀片14(或钻头本体) 和切削齿插入件50而固定到刀片14上。在这种实施例中，当切削齿 插入件50位于切削齿插入件凹槽22内时，切削齿插入件50可以包括 生坯或部分烧结结构，而且当切削齿插入件50与刀片14一起共同烧 结并且固定到所述刀片14上时，切削齿插入件50可以被烧结到希望 的最终密度。在另外的实施例中，在将切削齿插入件50定位于切削齿 插入件凹槽70内之前，切削齿插入件50可以具有希望的最终密度。 在另外的实施例中，可以直到刀片14和钻头本体已经烧结到希望的最 终密度后，将切削齿插入件50插入切削齿插入件凹槽70中。然后， 备用切削齿18'可以被插入并固定在切削齿插入件50的切削齿凹槽54 内，如前根据图5F所述的一样。
虽然在此根据某些优选实施例已对本发明进行了描述，所述领域 的技术人员将意识到且理解本发明不限于此。而是在不偏离如下文权 利要求书所提出的本发明的范围的情况下，可以对优选实施例进行添 加、删除和修改。另外，如发明人所预期的， 一个实施例的特征与另 一个实施例的特征相结合仍包含在本发明的范围内。更进一步地，本 发明对于不同和各种钻头轮廓以及切削齿类型和构造都具有实用性。
权利要求
1. 一种用于固定切削齿旋转钻头的切削齿插入件，所述切削齿插入件包括细长的切削齿插入件本体，所述切削齿插入件本体具有用于在其中限定切削齿凹槽的至少一个表面，所述切削齿凹槽沿着相对切削齿插入件本体的纵轴线成小于90度的锐角定向的凹槽轴线延伸到切削齿插入件本体中。
2. 根据权利要求1所述的切削齿插入件，其中，限定切削齿凹槽 的所述至少一个表面包括切削齿插入件本体的平坦表面；以及切削齿插入件本体的弓形表面，所述弓形表面与所述平坦表面相 交并从该平坦表面处延伸。
3. 根据权利要求2所述的切削齿插入件，其中，切削齿插入件本 体的平坦表面以相对于切削齿插入件本体的纵轴线成小于90度的锐 角定向。
4. 根据权利要求3所述的切削齿插入件，其中，细长的切削齿插 入件本体基本上为圓筒形并且包括在两个基本为平面的端表面之间延 伸的基本上圆筒形的横向侧表面。
5. 根据权利要求l所述的切削齿插入件，其中，限定切削齿凹槽 的切削齿插入件本体的所述至少一个表面包括至少一个部分圆筒形表 面。
6. 根据权利要求1所述的切削齿插入件，其中，切削齿插入件包 括构造成便于将切削齿插入件旋转定位在旋转钻头面上的至少 一个定 位特征。
7. —种用于钻地下地层的固定切削齿旋转钻头，所述钻头包括 钻头本体，其包括在其面上延伸的多个刀片，每一个刀片包括邻近每个刀片的前边缘的、且被构造成在其中接收主切削件的多个主切 削齿凹窝；至少一个切削齿插入件，所述切削齿插入件附连到所述多个刀片的刀片上并处于插入件凹槽内，所述插入件凹槽延伸到旋转到所述多 个主切削齿凹窝后面的刀片的面中，所述至少 一个切削齿插入件包括 切削齿插入件本体，该切削齿插入件本体具有其中限定切削齿凹槽的 至少 一个表面，所述切削齿凹槽构造成在其中接收备用切削件的至少 一部分。
8. 根据权利要求7所述的旋转钻头，其中，所述切削齿插入件包 括其中具有切削齿凹槽的大致圆筒形切削齿插入件本体，所述切削齿 凹槽至少部分由切削齿插入件本体的平坦表面和切削齿插入件的弓形 表面限定，所述弓形表面与平坦表面相交并从该平坦表面处延伸。
9. 根据权利要求8所述的旋转钻头，其中，切削齿插入件本体的 平坦表面以相对切削齿插入件本体的纵轴线成小于90度的锐角定向。
10. 根据权利要求9所述的旋转钻头，其中，所述切削齿插入件 包括细长的切削齿插入件本体，所述切削齿凹槽沿着相对于细长切削 齿插入件本体的纵轴成小于90度的锐角定向的凹槽轴线延伸到所述 细长切削齿插入件本体中。
11. 根据权利要求7所述的旋转钻头，其中，所述至少一个切削 齿插入件附连到多个刀片的刀片上，使得切削齿插入件本体的纵轴线 基本上垂直于刀片的面定向。
12. 根据权利要求11所述的旋转钻头，其中，所述至少一个切削 齿插入件和刀片组合构造而成，以便为将接收在切削齿凹槽中的备用 切削件提供选定的侧倾角。
13. 根据权利要求7所述的旋转钻头，还包括至少一个备用切削 件，该至少 一个备用切削件至少部分地设在所述至少 一个切削齿插入 件的切削齿凹槽内。
14. 根据权利要求13所述的旋转钻头，其中，所述至少一个备用 切削件主要地直接结合到切削齿凹槽内的至少一个切削齿插入件上。
15. —种用于制造固定切削齿旋转钻头的方法，所述方法包括 提供包括多个刀片的钻头本体，所述多个刀片中的每一个具有面； 在多个刀片的至少一个刀片的面中、在旋转到构造成在其中接收主切削齿的所述至少一个刀片的切削齿凹窝后面的位置处形成至少一个切削齿插入件凹槽；提供至少 一 个包括切削齿插入件本体的切削齿插入件，所述切削 齿插入件本体具有在其中限定切削齿凹槽的至少 一个表面，所述切削 齿凹槽构造成在其中接收备用切削件的至少 一部分；将至少 一个切削齿插入件至少部分地固定在至少 一个切削齿插入 件凹槽内；以及将至少一个备用切削齿至少部分地固定在所述至少一个切削齿插 入件的切削齿凹槽内。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，提供包括切削齿插入件 本体的至少一个切削齿插入件的步骤包括将切削齿插入件本体形成为大致圓筒形；以及平坦表面和切削齿插入件的弓形表面，弓形表面与平坦表面相交并从 该平坦表面处延伸，平面表面和弓形表面中的每一个至少部分地限定 所述切削齿凹槽。
17. 根据权利要求16所述的方法，还包括使切削齿插入件本体的 平坦表面相对于切削齿插入件本体的纵轴线成小于90度的锐角定向。
18. 根据权利要求15所述的方法，其中，提供包括切削齿插入件 本体的至少 一个切削齿插入件的步骤包括将切削齿插入件本体形成为细长形；以及槽轴线对中切削齿凹槽，所述凹槽轴线相对于细长切削齿插入件本体 的纵轴线成小于90度的锐角定向。
19. 根据权利要求15所述的方法，其中，在至少一个刀片的面中 形成至少一个切削齿插入件凹槽的步骤包括对在至少一个刀片的面中 的至少 一个基本上圆筒形切削齿插入件凹槽进行机械加工。
20. 根据权利要求19所述的方法，其中，对在至少一个刀片的面 中的至少 一个基本上圆筒形切削齿插入件凹槽进行机械加工的步骤包括基本上沿着方向基本上垂直于至少一个刀片的面的钻轴、在至少一 个刀片的面与钻轴相交处在至少一个刀片的面中钻孔。
全文摘要
一种旋转钻头的切削齿插入件包括具有构造成在其中接收备用切削齿(18)的切削齿凹槽(54)的切削齿插入件本体(50)。一种用于钻地下地层的旋转钻头包括附连到刀片(14)上的至少一个所述切削齿插入件，其旋转到主切削齿的切削齿凹窝的后面。一种用于制造所述钻头的方法包括提供具有多个刀片(14)的钻头本体(12)。切削齿插入件(50)被提供并固定在形成在刀片(14)面中的切削齿插入件凹槽(54)内。备用切削齿(18)固定在切削齿插入件的切削齿凹槽(54)内。
文档编号E21B10/573GK101427000SQ200780014274
公开日2009年5月6日 申请日期2007年2月21日 优先权日2006年2月23日
发明者T·施韦费, T·甘茨 申请人:贝克休斯公司