用于旋转锥形钻头的腿部的前缘过渡表面上的耐磨损板材的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及钻地刀头，并且更具体地涉及那些具有可旋转切割器的钻地刀头(也被称为旋转锥形钻头)。
【背景技术】
[0002]参照图1和图2，其中，图1展示了现有技术的旋转锥形钻头10的等距图，并且图2展示了图1的现有技术的旋转锥形钻头10的一部分的横截面视图。腿部12从钻头尖10的主体部分14悬置。腿部12包括在朝下和径向朝内的方向上延伸的轴承轴16。轴承轴16包括圆柱形轴承表面18。切割器锥形件20被安装到轴承轴16并且被轴承表面18支撑来旋转。在替代实施方案中，切割器锥形件20被一组滚柱轴承支撑用于在轴承轴16上旋转。锥形件20的形状和构型以及其与轴承轴16的可旋转附贴在现有技术中是公知的。在密封式轴承实施方案中，在锥形件20与轴承轴16之间的轴承(轴颈或滚柱)是由润滑剂(例如润滑脂)来润滑的，该润滑剂以本领域技术人员所公知的方式来填充与该轴承邻近的区域以及在该旋转锥形钻头中的其他通道21。通过使用例如定位在靠近锥形件20的底锥的内圆柱形表面26与靠近轴承轴16的底座的外圆柱形表面28之间的密封压盖24中的呈O形环形式22的弹性密封件，将这种润滑剂保持在该旋转锥形钻头之内。润滑系统进一步包括安装在开口 29之内的压力补偿组件27，该开口形成在腿部12的上肩台表面25中。开口29被连接至通道21。图1和图2展示了一种实施方案，其中开口 29被唯一地形成在肩台表面25中。然而将理解的是，开口 29可以被部分地形成在肩台表面25中并且部分地形成在腿部12的外(规径(gage)或下摆)表面30中(在肩台表面25下方)。此外，开口 29可以形成在腿部的外表面30中。
[0003]腿部12的外表面30在接近锥形件20的半圆边缘32处终止。与表面30关联的腿部12的区域在本领域被称为“下摆区域”，并且边缘32在本领域被称为“下摆边缘”。在外规径或下摆表面30的终端部分过渡至内径向表面34的地方提供下摆边缘32，该内径向表面34平行于锥形件20的底锥(并且垂直于轴承轴16)取向并且在轴承轴16的基座处定位。
[0004]在该下摆区域中(在肩台表面25下方的)腿部12的外表面30侧向地在前缘下摆边缘50和后缘下摆边缘52处终止。在旋转锥形钻头10的运行期间，前缘下摆边缘50尤其易于磨损。现有技术教导了用于减缓前缘下摆边缘50的磨损的两种方法。图3展示了第一种方法，其中一层焊接表面硬化材料40被施加到沿前缘下摆边缘50的至少一部分延伸的表面30。该表面硬化材料通常是碳化钨硬性金属40的沉积。该材料通常是在镍焊接介质中携带的颗粒碳化钨。当该旋转锥形钻头在高磨蚀性岩层构造中运行时，这种解决方案不能很好地工作，因为表面硬化材料40磨损速度太快。这主要是由于该焊接介质(通常为镍)引起焊合材料的相对较差性能。图4展示了第二种方法，其中，碳化钨插入件42被压力配合到形成在表面30中靠近前缘下摆边缘50的多个孔44中。虽然这些插入件42提供更好的耐磨性(与使用表面硬化材料相比)，但这些插入件42不对前缘下摆边缘50提供保护。这是由于，这些孔44必须位于距前缘下摆边缘50某可观距离处以便使压力配合适当地起作用并且外围地使这些插入件42固位。举例而言，从孔44的边缘到前缘边缘50通常提供至少0.125英寸的间隔d2。因此，图4的方法的作用主要是保护邻近(但不精确地位于)前缘下摆边缘50的下摆区域。此外，为了被合适的固位，压力配合插入件42通常必须具有厚度t (以及孔44的对应深度)使得插入件的厚度与插入件的直径d’ (当插入件是圆形时)或插入件的宽度w (当插入件具有其他形状时)之比超过约0.5(即t/d’>0.5或 t/w ^ 0.5)。
[0005]尽管没有在图3和图4中明确示出，但是所示的保护机构可以被可替代地或另外地提供在腿部12的前缘侧表面54上。这个前缘侧表面54邻近腿部12在前缘下摆边缘50处的外表面30。
[0006]再次参照图1和图2，腿部12的肩台表面25侧向地在前缘肩台边缘51和后缘肩台边缘53处终止。在旋转锥形钻头10的运行期间，更确切地当钻头10从钻孔移除时，前缘肩台边缘51同样易于磨损。这是因为在钻孔很窄的情况下，肩台边缘51可能必须以类似切割或磨损方式来运行以移除构造材料。前缘肩台边缘51和肩台表面25还易于被从钻孔中下落的且必须被移除的构造材料损坏。前缘肩台边缘51和肩台表面25的磨损能够对开口 29以及安装在该开口 29之内的压力补偿组件27产生不利影响，这可能导致润滑系统的过早损坏。
【发明内容】
[0007]在一个实施例中，旋转锥形钻头包括:主体、从该主体悬置的腿部、从该腿部延伸的轴承轴以及安装到该轴承轴的锥形件。该腿部包括前缘过渡表面。在该硬质材料板被布置在底板表面上的位置中，将硬质材料板的底表面附贴到该腿部的基本一致的/保形的(conforming)表面，该底板表面形成在该腿部的该前缘过渡表面中或由该腿部的该前缘过渡表面形成。
[0008]在前述实施例中的任一项中，用于附贴该硬质材料板的材料可以包括插入在该硬质材料板的底表面与该腿部的底板表面之间的可流动粘合材料。该材料可以包括例如钎焊材料。
[0009]在前述实施例中的任一项中，该硬质材料板可以包括聚晶金刚石复合片，或可以由例如固体碳化钨的材料制成，或包括聚晶金刚石复合片、立方氮化硼压块、浸渍金刚石节段或陶瓷节段。
[0010]附图简述
[0011]参照以下附图，本发明的其他特征和优点在遵循多个非限制性实例的说明中将变得清楚，其中:
[0012]图1展示了现有技术的旋转锥形钻头的等距图；
[0013]图2展示了图1的现有技术的旋转锥形钻头的腿部的一部分的横截面视图；
[0014]图3展示了向腿部的下摆表面施加的硬化材料层；
[0015]图4展示了碳化钨插入件压力配合在腿部的下摆部分中的使用；
[0016]图5A展示了旋转锥形钻头的等距图，该旋转锥形钻头包括用于平坦前缘过渡表面的保护机构；
[0017]图5B是在图5A中所示的腿部和硬质材料板的轴向横截面；
[0018]图6展示了旋转锥形钻头的腿部的一部分的等距图，该旋转锥形钻头包括用于邻近下摆边缘的波状铣削表面的保护机构；
[0019]图7展示了腿部和布置在腿部的过渡边缘中形成的槽中的硬质材料板的轴向横截面；
[0020]图8A展示了旋转锥形钻头的腿部的等距图，该旋转锥形钻头包括用于弯曲的前缘过渡表面的保护机构，该弯曲的前缘过渡表面没有下摆表面的可识别边缘；
[0021]图8B是在图8B中所示的腿部和硬质材料板的轴向横截面，该硬质材料板被布置在没有可识别边缘的下摆区域的弯曲的前缘过渡表面上；并且
[0022]图9是根据本披露的实施例的具有圆形/修圆/圆角(rounded)表面的硬质材料板的等距图。
[0023]附图详述
[0024]现参照图5A和图5B，图5A展示了旋转锥形钻头的腿部100的等距图，图5B展示了正交于腿部100的轴截取的横截面。腿部100是头部的一部分并且在该头部的V形部(vee)(未示出)的下方延伸。三个头部的V形部被焊接在一起以形成旋转锥形钻头。每个腿部100支撑轴承轴112，旋转锥形件被安装在该轴承轴112上(参见图1和图2)。下摆或下摆表面114在上部末端处由肩台116来界定，并且在其下部末端处终止于下摆边缘118，该下摆边缘是弯曲的并且可以是半圆形的。
[0025]下摆表面114大致接近该钻头的外部周边(也被称为规径)并且是该腿部最接近钻孔的壁105的一个表面。这样，当由钻孔产生的切肩接触该腿部的下摆和其他表面，尤其是前缘表面时，该下摆表面将受到磨损。该腿部的前缘表面由该钻头的旋转方向117限定，当该钻头旋转以产生钻孔时该旋转方向是顺时针的。因此，图5A示出了腿部100的前缘侧。
[0026]下摆边缘118邻近在腿部100的前缘侧上的下摆波状铣削特征119。下摆波状铣削特征119是通过机加工掉边缘以产生遵循轴承轴112的外形的平滑表面而产生的表面。根据本披露的实施例，一个或多个硬质材料板124可以被至少部分地布置在下摆波状铣削特征119上以增加该腿部部分的耐磨性(参见图6)。
[0027]该腿部还包括前缘侧表面120。这个前缘侧表面120径向地在下摆表面114的内部并且不与下摆表面114 一样易于受到切肩磨损。而是，前缘侧表面120支撑执行镗孔操作的诸如旋转锥形件的部件。前缘过渡表面122被布置在前缘侧表面120与下摆表面114之间。因为前缘过渡表面122径向地在前缘侧表面120的外部，所以前缘过渡表面122也是钻头的腿部的受磨表面。
[0028]这样，根据本披露的实施例，由于切肩以与钻头旋转的方向IlZ相反的方向Ui接近前缘过渡表面122以及钻地钻头尖经受的其他腐蚀元素和机制而引起的损耗，硬质材料板124被固定在前缘过渡表面122上或该前缘过渡表面中以增加其耐磨性。
[0029]在特定实施例中，如在图5A中所示，前缘过渡表面122可以是单个的大致平坦的表面。在这种实施例中，存在使得前缘过渡表面122与下摆表面114分界的可识别过渡边缘126，硬质材料板124粘合到前缘过渡表面122。使得下摆表面114和前缘过渡表面122分界的过渡边缘还可以被称为下摆边缘。根据本披露的实施例，过渡边缘可以是倒圆角的或具有半径并且仍被认为是边缘。
[0030]在另一些实施例中，前缘过渡表面122可以是多个相邻的平坦表面。在另一些实施例中，前缘过渡表面122可以是大致不在边缘处终止的波状或圆形的表面，而是从下摆表面114到前缘侧表面120产生平滑过渡而不能将这类表面可识别地分开(参见图8A和图 8B) ο
[0031]在平坦的前缘过渡表面实施例的情况中，一个或多个前缘过渡边缘126可以被形成在前缘过渡表面122与下摆表面114(可以被称为下摆边缘)相交处、前缘过渡表面122与相邻前缘过渡表面相交处和/或前缘过渡表面与前缘侧表面120相交处。
[0032]在一些实施例中，硬质材料板124的一个边缘可以是与这些边缘中的一个或多个边缘同延的。在另一些实施例中，硬质材料板124可以被布置在一个或多个前缘过渡表面上，其中该硬质材料板的边缘与过渡边缘偏离使得该硬质材料板的该边缘不与腿部的过渡边缘同延。在另一些实施例中，可以形成槽或镗孔使得一部分镗孔形成在前缘过渡表面122中并且一部分镗孔形成在下摆表面