钻头的制作方法
【专利摘要】配置成用于钻岩石的钻头，它们是如下的类型，包括被支撑在凹处中多个齿部，这些凹处在被驱动以旋转的切削面上。这些凹处配置成允许齿部在凹处中被动地旋转。本实用新型公开内容提供了一种在这些凹处周围具有表面硬化部的钻头和相关的方法。
【专利说明】幸占
[0001]本申请案作为以美国本土公司维米尔制造公司(被指定为除了美国以外的所有国家的 申请人:)以及美国公民 Randy R.Runquist、Keith Hoelting 和 Chris Fontana (被指定为仅美国的 申请人:)的名义于2011年11月30日提交的PCT国际专利申请案，并且要求了 2010年12月I日提交的美国临时专利申请案系列号N0.61/418，772的优先权，其通过参考的方式在此并入。
【技术领域】
[0002]本发明公开内容提供一种在位于切削面上的旋转齿部周边具有硬化表面的钻头以及一种制造该钻头的方法。
【背景技术】
[0003]用于地下钻孔的某些钻头，例如水平方向钻井或钻孔的某些钻头，被设计成钻穿包括岩石的多种地面条件。这种钻头还设计成在钻孔操作期间被操纵。在现有技术中需要提供有效的钻孔、耐用的、可重新构建并且还可操纵的钻头。
[0004]某些现有技术的钻头包括多个被固定的碳化物金属球和/或硬化表面的切割表面用于钻穿岩石。例如，参考US6196338和US7343990。可以认为，这些现有技术钻头没有提供与本公开的钻头一样的有效钻孔、耐用、可重新构建以及可以操纵的钻头。例如，这些依赖用于切割动作的固定的碳化物金属球的钻头通常很难重新构建。作为实际应用的问题，一旦碳化物金属球磨损，钻头的使用寿命结束。此外，因为碳化物金属球通常不可移动地固定至钻头头部，这种钻头不具有与允许钻头头部和碳化物切割件之间的相对旋转的钻头相关的钻孔效率的优点。
【发明内容】
[0005]配置成用于钻岩石的钻头，它们是这样的类型，包括被支撑在切削面上的凹处中多个齿部，这些齿部被驱动以旋转。这些凹处配置成允许齿部被动地旋转，同时连接在凹处。本发明公开内容提供了一种在这些凹处周围具有硬化表面的钻头和相关的方法。
[0006]根据本发明的一方面，提供一种钻头，包括:
[0007]远切削端；和
[0008]近安装端；
[0009]其中所述远切削端包括多个凹处，每个凹处配置成支撑切削齿部以使得所述齿部能够围绕所述齿部的纵向轴线相对于所述远切削端自由旋转，
[0010]其中所述远切削端限定切削面，并且其中在基本上整个切削面上设置硬化表面。
[0011]根据本发明的一方面，所述硬化表面覆盖所述切削面的至少百分之七十五。
[0012]根据本发明的一方面，所述硬化表面覆盖所述切削面的至少百分之九十。
[0013]根据本发明的一方面，钻头还包括至少三个切削齿部，每个齿部被连接在所述多个凹处中的一个内，使得所述齿部能够相对于钻头的所述远切削端自由地旋转。[0014]根据本发明的一方面，钻头还包括倾斜表面，所述倾斜表面在所述倾斜表面和所述远切削端之间的交界处限定前沿边缘，所述倾斜表面朝向安装端径向向外延伸。
[0015]根据本发明的一方面，所述多个凹处中的一个包括前沿凹处，所述前沿凹处配置成支撑切削齿部，使得齿部伸过由所述倾斜表面所限定的平面。
[0016]根据本发明的一方面，所述切削面的前沿边缘和所述前沿凹处的周边边缘之间的最小尺寸小于0.5英寸。
[0017]根据本发明的一方面，所述多个凹处中的一个包括前沿凹处，所述前沿凹处配置成支撑邻近所述倾斜表面的切削齿部，其中所述切削面的前沿边缘和所述前沿凹处的边缘之间的最小尺寸小于0.5英寸。
[0018]根据本发明的一方面，所述倾斜表面的百分之十五至二十五由硬化表面覆盖。
[0019]根据本发明的一方面，钻头还包括齿部，所述齿部被支撑在凹处内以使得所述齿部能够围绕所述齿部的纵向轴线自由旋转，其中所述齿部的最大横截面尺寸比所述凹处的最大横截面尺寸小至少1/16英寸。
[0020]根据本发明的一方面，钻头还包括齿部，所述齿部被支撑在凹处内以使得所述齿部能够围绕所述齿部的纵向轴线自由旋转，其中所述凹处包括前圆柱形部分和后圆柱形部分，其中所述齿部包括远端圆柱形部分和近端圆柱形部分，其中所述凹处的所述前圆柱形部分的直径比所述远端圆柱形部分的直径大至少1/32英寸，并且其中所述后圆柱形部分的直径比所述近端圆柱形部分的直径大不超过1/32。
[0021]根据本发明的一方面，提供一种钻头，包括:
[0022]远切削端；和
[0023]近安装端；
[0024]在所述远切削端上的多个凹处，其中每个凹处包括前圆柱形部分和后圆柱形部分，并且其中所述前圆柱形部分具有比所述后圆柱形部分的直径大的直径；
[0025]被支撑在所述远切削端上的多个齿部，每个齿部包括前圆柱形部分和后圆柱形部分并且其中所述前圆柱形部分具有比所述后圆柱形部分的直径大的直径；
[0026]其中每个齿部被支撑在凹处中以使得齿部的后圆柱形部分被容纳在凹处的后圆柱形部分中并且所述齿部的所述前圆柱形部分的至少一部分被容纳在所述凹处的所述前圆柱形部分中；
[0027]其中所述齿部的所述前部分的直径比所述凹处的所述前部分的直径小至少1/32，其中所述齿部的后部分的直径比所述凹处的所述后部分的直径小不超过1/32 ；
[0028]其中所述钻头配置成在钻孔操作期间在所述凹处中自由地被动旋转；以及
[0029]其中所述远切削端包括直至所述凹处的周边边缘的硬化表面。
[0030]根据本发明的一方面，钻头还包括倾斜表面，所述倾斜表面在所述倾斜表面和所述远切削端之间的交界处限定前沿边缘，所述倾斜表面朝向安装端径向向外延伸，其中所述多个凹处中的一个包括前沿凹处，所述前沿凹处配置成支撑切削齿部，使得齿部伸过由所述倾斜表面所限定的平面。
[0031]根据本发明的一方面，所述切削面的前沿边缘和所述前沿凹处的周边边缘之间的最小尺寸小于0.5英寸。
[0032]根据本发明的一方面，硬化表面的至少部分在所述多个凹处中的一个的周边边缘的1/32英寸内。
[0033]根据本发明的一方面，所述倾斜表面邻近切削面的部分包括在其上的硬化表面。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1是根据本发明公开内容的原理的一种钻头的立体图；
[0035]图2是图1的钻头移除可旋转齿部后的立体图；
[0036]图3是图1的钻头的端视图；
[0037]图4是图1的钻头的局部剖面图，显示齿部凹处内的插塞；
[0038]图5是图1的钻头的局部剖面图，显示插塞已从齿部凹处移除；
[0039]图6是图1的钻头的局部剖面图，显示齿部凹处内的齿部；
[0040]图7是图1中所示的钻头的一种替换实施例的立体图；
[0041]图8是图1的钻头的侧视图；
[0042]图9是图1中的钻头的在与图8所示的不同的方位条件下的侧视图；和
[0043]图10是图1中所示的钻头沿与钻头上的倾斜表面平行地取向时的端视图。
【具体实施方式】
[0044]本发明公开内容指向配置用于钻岩石的钻头。钻头10包括远切削端12和近安装端14。安装端14被配置成安装至驱动钻头10绕其中心轴线AA旋转的部件(例如探头外壳、引导/导向钻杆、钻杆等)。
[0045]在所描述的实施例中，远切削端12包括多个凹处16、18、20，每个凹处被配置成支撑切削齿部22、24、26，使得齿部自由地围绕齿的纵向轴线BB被动地旋转(参见图6)。换言之，齿部随着切削端12围绕轴线AA旋转，并且齿部还自由地相对于切削端围绕轴线BB被动地旋转。在所描述的实施例中，远切削端12包括三个凹处和三个齿部。然而，应该理解的是，可以有许多其它配置。
[0046]在所描述的实施例中，远切削端12限定切削面28，切削面28在其上具有硬化表面(图1和2中的六边形表示硬化表面)。在所描述的实施例中，切削面28为具有由直线30、32和曲线34和36所限定的周边的大体圆顶形的部分环状件。然而，应该理解的是，还可以有许多其它切削面配置。
[0047]在所描述的实施例中，钻头10包括倾斜表面38，其在倾斜表面38和远切削端12之间的交界处限定前沿边缘40。在所描述的实施例中，倾斜表面38朝向安装端径向向外延伸。在所描述的实施例中，当钻柱沿顺时针方向旋转时，凹处16为前沿凹处。前沿凹处16配置成支撑切削齿部，使得齿部22延伸通过由倾斜表面38所限定的平面(图9和10)。换言之，前沿凹处16布置并配置成使得齿部22的一部分在钻头的其它部分接合钻孔介质之前接合钻孔介质(例如石头)。所描述的配置提供一种有效钻孔并且相对容易操纵的钻头。
[0048]在所描述的实施例中，前沿边缘40和前沿凹处16的周边边缘之间的最小距离小于0.5英寸(例如,0.33英寸)。在一个所描述的实施例中,表面硬化部分或硬化表面设置在前沿边缘40和前沿凹处16之间的最窄部分中。应该理解的是，还可以有许多其它配置。
[0049]在所描述的实施例中，表面硬化部分或硬化表面基本设置在整个切削面28上(例如，该面的至少百分之七十五、切削面的至少百分之九十、等等)。切削面28上的硬化表面避免还要在其上设置硬质合金粒或碳化物粒42的要求。在所描述的实施例中，硬质合金粒或碳化物凸点粒42围绕钻头10的侧表面44设置。然而，应该理解的是，在备选的实施例中，更少的切削面28可以由表面硬化部或硬化表面覆盖和/或硬质合金粒或碳化物凸点粒42还可以设置在切削面28上。
[0050]在所描述的实施例中，表面硬化部或硬化表面设置在凹处16、18、20的边缘附近。在所描述的实施例中，至少一些表面硬化部或硬化表面设置在自凹处的周边边缘的三十二分之一英寸内。例如,直到凹处的边缘(如图3、4、5和6中所示的零偏移；小于1/32、小于1/64偏移，等)。
[0051]本发明公开内容还提供一种制造钻头的方法。该方法包括将插塞46插入多个凹处16、18、20中的步骤。通过防止表面硬化处理材料进入凹处，插塞有利于表面硬化处理过程，否则会在齿部22、24、26和凹处16、18、20之间带来障碍并且阻碍齿部在凹处中时的被动旋转。
[0052]在所描述的实施例中，插塞的使用允许表面硬化部或硬化表面直到凹处16、18、20的周边边缘并且围绕凹处16、18、20的周边边缘，其也是插塞的边缘。在一些实施例中，通过表面硬化处理直到插塞的整个周边边缘并且围绕插塞的整个周边边缘，表面硬化部或硬化表面被设置成围绕凹处的整个周边边缘。在所描述的实施例中，插塞被紧贴地装配到凹处中。例如，插塞包括在凹处的最大横截面尺寸的十六分之一英寸(1.59毫米)内的最大横截面尺寸。在所描述的实施例中，插塞包括第一圆柱形部分48和第二圆柱形部分50，第一圆柱形部分48具有大于第二圆柱形部分50的直径。在所描述的实施例中，插塞包括黄铜外部分，这便于在表面硬化处理后将它们从凹处移除。
[0053]在所描述的实施例中，插塞在表面硬化处理过程后被从钻头移除，而这些齿部被插入到多个凹处中。这些齿部包括较大圆柱形部分52和较小圆柱形部分54。插塞的较大圆柱形部分52的直径在比齿部的较大圆柱形部分的直径大十六分之一英寸到三十二分之一英寸之间。在所描述的实施例中，插塞的第二圆柱形部分50的直径比齿部的较小圆柱形部分的直径大十六分之一和六十四分之一之间。这种配置在凹处和齿部在其临近表面硬化部的远端之间提供较大的间隙，而在凹处和齿部在其近端之间提供减小的间隙。这种配置允许在操作期间齿部相对于切削面旋转。这种旋转导致更有效的钻孔以及齿部的更均匀的磨损。
[0054]上述说明、实例和数据提供了本发明的组成的制造和使用的完整描述。虽然在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以实现本发明的多种实施例，但是本发明归于以下所附的权利要求中。
【权利要求】
1.一种钻头,包括: 远切削端；和 近安装端； 其中所述远切削端包括多个凹处，每个凹处配置成支撑切削齿部以使得所述齿部能够围绕所述齿部的纵向轴线相对于所述远切削端自由旋转， 其中所述远切削端限定切削面，并且其中在基本上整个切削面上设置硬化表面。
2.根据权利要求1所述的钻头，其中所述硬化表面覆盖所述切削面的至少百分之七十五。
3.根据权利要求1所述的钻头，其中所述硬化表面覆盖所述切削面的至少百分之九十。
4.根据权利要求1所述的钻头，还包括至少三个切削齿部，每个齿部被连接在所述多个凹处中的一个内，使得所述齿部能够相对于钻头的所述远切削端自由地旋转。
5.根据权利要求1所述的钻头，还包括倾斜表面，所述倾斜表面在所述倾斜表面和所述远切削端之间的交界处限定前沿边缘，所述倾斜表面朝向安装端径向向外延伸。
6.根据权利要求5所述的钻头，其中所述多个凹处中的一个包括前沿凹处，所述前沿凹处配置成支撑切削齿部，使得齿部伸过由所述倾斜表面所限定的平面。
7.根据权利要求6所述的钻头，其中所述切削面的前沿边缘和所述前沿凹处的周边边缘之间的最小尺寸小于0.5英寸。
8.根据权利要求5所述的钻头，其中所述多个凹处中的一个包括前沿凹处，所述前沿凹处配置成支撑邻近所述倾斜表面的切削齿部，其中所述切削面的前沿边缘和所述前沿凹处的边缘之间的最小尺寸小于0.5英寸。
9.根据权利要求5所述的钻头，其中所述倾斜表面的百分之十五至二十五由硬化表面覆盖。
10.根据权利要求1所述的钻头，还包括齿部，所述齿部被支撑在凹处内以使得所述齿部能够围绕所述齿部的纵向轴线自由旋转，其中所述齿部的最大横截面尺寸比所述凹处的最大横截面尺寸小至少1/16英寸。
11.根据权利要求1所述的钻头，还包括齿部，所述齿部被支撑在凹处内以使得所述齿部能够围绕所述齿部的纵向轴线自由旋转，其中所述凹处包括前圆柱形部分和后圆柱形部分，其中所述齿部包括远端圆柱形部分和近端圆柱形部分，其中所述凹处的所述前圆柱形部分的直径比所述远端圆柱形部分的直径大至少1/32英寸，并且其中所述后圆柱形部分的直径比所述近端圆柱形部分的直径大不超过1/32。
12.—种钻头,包括: 远切削端；和 近安装端； 在所述远切削端上的多个凹处，其中每个凹处包括前圆柱形部分和后圆柱形部分，并且其中所述前圆柱形部分具有比所述后圆柱形部分的直径大的直径； 被支撑在所述远切削端上的多个齿部，每个齿部包括前圆柱形部分和后圆柱形部分并且其中所述前圆柱形部分具有比所述后圆柱形部分的直径大的直径； 其中每个齿部被支撑在凹处中以使得齿部的后圆柱形部分被容纳在凹处的后圆柱形部分中并且所述齿部的所述前圆柱形部分的至少一部分被容纳在所述凹处的所述前圆柱形部分中； 其中所述齿部的所述前部分的直径比所述凹处的所述前部分的直径小至少1/32，其中所述齿部的后部分的直径比所述凹处的所述后部分的直径小不超过1/32 ； 其中所述钻头配置成在钻孔操作期间在所述凹处中自由地被动旋转；以及 其中所述远切削端包括直至所述凹处的周边边缘的硬化表面。
13.根据权利要求12所述的钻头，还包括倾斜表面，所述倾斜表面在所述倾斜表面和所述远切削端之间的交界处限定前沿边缘，所述倾斜表面朝向安装端径向向外延伸，其中所述多个凹处中的一个包括前沿凹处，所述前沿凹处配置成支撑切削齿部，使得齿部伸过由所述倾斜表面所限定的平面。
14.根据权利要求13所述的钻头，其中所述切削面的前沿边缘和所述前沿凹处的周边边缘之间的最小尺寸小于0.5英寸。
15.根据权利要求1所述的钻头，其中硬化表面的至少部分在所述多个凹处中的一个的周边边缘的1/32英寸内。
16.根据权利要求5所述的钻头，其中所述倾斜表面邻近切削面的部分包括在其上的硬化表面。
【文档编号】E21B10/54GK203729886SQ201190001008
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2011年11月30日 优先权日:2010年12月1日
【发明者】兰迪·R·兰奎斯特, 基思·艾伦·霍汀, 克里斯·丰塔纳 申请人:维米尔制造公司