专利名称：转动钻头及其制造和修复方法
技术领域：
本发明总的涉及一种用于在地下钻井的转动钻头，具体地涉及制造和修复钻头的方法，该钻头具有一个或多个支撑臂以及安装到其上的切削刀具锥体的一体式钻头本体。
背景技术：
有多种类型的转动钻头或凿岩钻头可用来在地下钻孔。这种凿岩钻头的例子包括用于钻油井和天然气井的滚动锥形钻头或转动锥形钻头。一种典型的滚动锥形钻头包括一具有用来连接到钻井套管的上端的钻头本体。多个支撑臂、一般为三个，从钻头本体的下端悬出，并且各个支撑臂都具有一相对钻头本体的延伸的转动轴线径向向内和向下突出的轴。
传统的滚动锥形钻头一般由三部分构成。这些部分可用各部分间的一个焊接槽一起纵向定位。然后，这些部分采用传统技术焊接在一起以形成钻头本体。各部分还包括一从钻头本体上伸出的关联的支撑臂。一个加大的腔室或通道一般形成在钻头本体上以容纳来自钻井套管的钻孔流体。美国专利第4,054,772号、名为“用于凿岩钻头焊接的定位装置”揭示了一种用来由三个独立的部分构成三锥形转动凿岩钻头的方法和装置。美国专利第4054,772号在本申请中引用以作参考。
一个切削刀具锥体组件通常安装在各个轴上，并且可转动地支撑在轴和切削刀具锥体组件中的轴容纳腔室的内表面间的轴承上。一个或多个喷嘴壳体可形成在邻近支撑臂的钻头本体上。一个喷嘴一般位于各壳体中，以使来自钻井套管的钻孔流体向下穿过钻头本体引向正在形成的井孔底部。钻头流体一般由钻井套管提供，起到以下几个作用，将从井孔底部钻出的材料冲走、清洗切削刀具锥体组件以及在钻头本体外部和井孔壁之间的环道中将切削碎屑先是径向向外、然后向上地带走。美国专利第4,056,153号、名为“用于非常硬的地层的具有多排分布的转动凿岩钻头”和名为“凿岩钻头”的美国专利第4,280,571号都示出了传统的滚动锥形钻头的例子，这些钻头具有安装在从一支撑臂上伸出的轴上的切削锥形组件。美国专利第4,056,153号和美国专利第4,280,571号都引用在本申请中以作参考。
当用这些转动钻头或凿岩钻头钻孔时，切削屑和其它类型的碎屑由于受到制约的流体流作用而集中在深孔位置中。这种受到约束的流体流作用的位置例如包括邻近各个支撑臂的钻头本体的下部、钻头本体的外部和井孔相邻壁之间的环形区域。其它受到制约的流体流作用的区域可包括各个切削刀具锥体组件的背面、支撑臂部分和井孔壁。这些碎屑集中的结果是，为流体流动所提供的区域减少，甚至还导致通过这些区域的流体速度增加，并且相邻金属构件的腐蚀程度加大。随着腐蚀程度的加深，关键的构件、例如轴承和密封件可能都要暴露于钻孔流体和井中碎屑，这可引起所用的凿岩钻头过早地报废。
发明概述根据本发明，基本上可减少或避免现有凿岩钻头和转动锥形钻头所存在的缺陷和问题。本发明一方面包括一个整体式或单件式钻头本体，该本体具有安装到形成在钻头本体中的槽座中的诸支撑臂，从各个支撑臂上伸出的一轴上装有一切削锥形组件。在钻孔过程吕，钻头本体、支撑臂和所关联的切削锥形组件相互协作以在钻头本体和支撑臂外部提供加强的流体流，从而减少腐蚀，并且使从井底向井面去除切削屑和其它碎屑的效果更佳。
根据本发明示教，提供一种具有单件式钻头本体的转动锥形钻头、并且钻头本体具有安装到有关槽座上的诸支撑臂的重要技术优点包括凿岩钻头的制造和组装有了显著的改进。这种改进是由于支撑臂设计的标准化，并且制作各个支撑臂所需的原料总量的减少所导致的。同样的，钻头本体和支撑臂可以由不同材料制成，以提高所制成的钻头的钻孔性能，并且减少制造成本。支撑臂的形状和其所在的槽座相互协作，以将各个支撑臂焊到其槽座中之前，使支撑臂相对钻头对齐和适当定位。焊接槽或焊接表面可以形成在各个槽座的外部或周边上和安装到各个槽座的支撑臂的相邻部分之间。
本发明另一方面采用了与现有的转动锥形钻头相比重量轻和长宽比相对较大的支撑臂。同由于重量减轻以及外形较小，通过减少每根支撑臂的的船运费用、进行热加工和其它一次加工大量支撑臂的批量加工可节约成本。标准化所节约的成本包括减少为获得各个钻头的诸构件所需的准备时间、制造各个支撑臂所需的加工装备较少，并且当设计有变动时需要较少的图纸和制造文件。成本明显节约的一个方面是由于能够为客户提供同样宽广的钻头尺寸和偏移补偿的范围的能力，而大大减小了许多必须留在清单上以生产各个不同尺寸和类型钻头的构件数目。
本发明再一个方面是提供了一种转动锥形钻头，具有整体式钻头本体、支撑臂以及可方便地更换以修复有关钻头的切削刀具锥体组件。在钻孔后，根据所用钻头的情况，钻头本体、一个或多个支撑臂、和/或一个或多个切削刀具锥体组件可被更换，或者如合适的话，可再用于其它钻头上。如果一个切削刀具锥体组件被磨损了，该切削刀具锥体组件和相关的支撑臂可从相关的槽座中拆下，在支撑臂上放上一个新的切削刀具锥体组件，并且再与槽座焊在一起。相反，支撑臂和切削刀具锥体组件都可拆下，并且将一个完整的新支撑臂/切削刀具锥体组件焊到有关槽座上。根据本发明的示教可采用支撑臂和钻头本体的多种结合来修复或再制造一个钻头。
本发明又一方面是一个转动锥形钻头，具有整体式钻头本体，并且至少有三个支撑臂设置在形成在钻头本体外部的槽座中。各个支撑臂及其所用槽座的尺寸较佳地选择成这样的，即各个支撑臂的厚度的基本部分容纳在槽座中。对于一种应用情况而言，纵向焊接可在支撑臂的各边和槽座的相邻部分之间进行。纵向焊接的长度较佳地等于或大于有关支撑臂的宽度。
本发明其它重要技术优点在于由一整体式钻头本体形成一转动锥形钻头，该本体具有形成在其中的加大的流体腔室，以接纳来自装在钻头上的钻井套管的钻孔流体和其它流体。在钻头本体的制造过程中，整体式钻头本体和其流体腔室使流体喷嘴靠近钻头本体中心和/或任何其它所需的位置，而不是在转动锥形钻头已基本上组装成之后再形成必要的流体流动通道和喷嘴壳体。流体通道和其相关的喷嘴可位于钻头本体中，与普通转动锥形钻头所存在的焊缝无关，而使本发明的转动锥形钻头的制造工艺简化。所需的流体通道可在将支撑臂与整体式钻头本体装在一起之前就加工成。同样地，由于不需要焊接来制造整体式钻头本体，就可避免在钻孔操作过程中因焊缝和/或焊接孔隙腐蚀而带来的问题。
本发明再一个方面是制造一种具有整体式钻头本体的转动锥形钻头，该钻头本体具有形成在其外部上以将许多支撑臂和有关的切削刀具锥体组件安装到钻头本体上的槽座。对于一种应用而言，在将支撑臂与有关的槽座边缘焊接在一起之前，一个激励装置或其它弹性装置可设置在各个支撑臂和其有关的槽座之间。一个焊接夹具也可用来与激励装置协作，以保证支撑臂和其有关的切削刀锥形组件具有钻头所需的外径和总的几何形状。在起初制造钻头和其后修复钻头的过程中，当需要所制成的钻头的几何形状具有高精度和重复性，与激励装置结合的焊接夹具可调节各个支撑臂和其有关的切削刀具锥体组件的位置。对于一些应用而言，多次焊接可在各个支撑臂和其有关的、在整个槽座周边及支撑臂相邻部分之间进行。
附图的概述为了完整地理解本发明和其优点，以下结合附图进行描述，其中；
图1是具有本发明的特点的转动锥形钻头装到井孔中钻井套管一端时的带有部分断开的纵向立体示意图；图2是本发明转动锥形钻头一个实施例的局部分解立体图；图3是本发明的整体式钻头本体、支撑臂和切削刀具锥体组件的局部分解的截面图；图4是图3中所示的钻头本体的侧视图；图5是一截面示意图，示出了形成在本发明另一个实施例中整体式钻头本体的槽座中心线和相关钻头转动预定的轴线之间的偏移；图6是一截面图，示出了本发明另一个实施例的槽座和支撑臂的另一种形状；图7是放大截面图，示出了本发明另一个实施例的支撑臂；图8是图7中所示支撑臂的立体图；图9从一个方向示出了制造图7中所示的支撑臂的锻件的一个立体图；图10从另一个方向示出了制造图7中所示支撑臂的锻件的一个立体图；图11是一截面示意图，示出了本发明一实施例的、且其上装有一支撑臂的整体式钻头本体；图12是部分拆除的放大截面图，示出了图11中所示钻头本体和支撑臂的另一个视图；图13是部分拆除的纵向示意图，示出了图11中钻头本体和支撑臂的另一个视图；图14是一截面示意图，示出了按照本发明的另一个实施例将支撑臂装到整体式钻头本体上的另一种结构；图15是截面示意图，示出了体现本发明一个实施例的具有支撑臂和切削刀具锥体组件的整体式钻头本体，并且设置在用来将支撑臂焊接到钻头本体上的夹具内；以及图16是图15中所示夹具钻头本体、切削刀具锥体组件的侧视图。
本发明的详细描述参照图1-16，可最好地理解本发明较佳实施例及其优点。各个图中相同的标号用来表示相同的构件和相应的部分。
如用作说明本发明的附图所示，本发明体现于一种在地下钻孔所用的转动锥形钻头20之中。该转动锥形钻头20通常可称为“转动钻头”或“凿岩钻头”。转动锥形钻头20较佳地包括将钻头20与钻井套管22装在一起的带螺纹的连接部或销44。带螺纹连接部44和钻井套管22上的相应带螺纹连接部(末示)用来使钻头20相应于井面上的钻井套管22的转动而转动。
如图1中所示的，钻头20可装到钻井套管22上，且设置在井孔24中。环道26形成在钻井套管22的外部和井孔24的内表面或壁28之间。除了转动钻头20以外，钻井套管22经常用来提供一个管道以将钻孔流体和其它流体从井面运到井孔24底部的钻头20。这些钻孔流体可从钻井套管22被引流到各个设置在钻头20上的喷嘴60。由钻头20形成的切屑和任何在井孔24底部的其它碎屑可与由喷嘴60排出的钻孔流体混合，并且再通过环道26返回到井面。
对于转动锥形钻头20而言，当切削刀具锥体组件100由于钻井套管22的转动而绕井孔24底部滚动时，发生切削作用或钻孔作用。由壁28所形成的井孔24的内径近似与切削刀具锥体组件上00的外径或直径规格对应。切削刀具锥体组件100相互协作，相应于钻头20的转动而形成井孔24的壁28。切削刀具锥体组件100有时可称为“转动锥形切削刀”或“滚动锥形切削刀”。
如图1、2和3所示的，各个切削刀具锥体组件100包括具有突出的嵌入件104的切削刃102，嵌入件相应于施加到来自钻井套管22的钻头20上的重力和转动而抓挖和掘挖井孔24的侧面和底面。用于各个切削刀具锥体组件100，切削刀102和嵌入件104的位置可以改变，以提供所需的深孔切削作用。其它类型的切削刀具锥体组件也可令人满意地用于本发明，包括(并不限于此)具有代替嵌入件104的铣齿的切削刀具锥体组件。由钻头20所产生的切屑和其它碎屑可以由从喷嘴60排出的钻孔流体从井孔24的底部带到井面上。携带流体的碎屑一般从钻头20下部径向向外流动，然后通过环道26向上到达井面。
钻头20较佳地包括单件式或整体式钻头本体40，其上部42具有用来将钻头20与钻井套管22下端固定在一起的带螺纹的连接部或销44。三个支撑臂70较佳地装到本体40上，并纵向地从本体上与销44相反的方向伸出。各个支撑臂70较佳地包括轴82，此轴连接到各个支撑臂70上、并从其内表面76伸出。本发明的一个重要特征是可以用大致圆柱体形的原材料或杆块(未示)制造整体式钻头本体40，该原材料或杆块近似地具有制成的钻头体40所需的长度和外径。同样地，支撑臂70可用具有近似所需形状和主要尺寸的锻件制成，这可减少生产各支撑臂70和钻头20所关联的总制造成本。
钻头本体40包括下部46，该下部具有形成于其上的大致拱形的外表面48。拱形表面48的尺寸和切削刀具锥体组件100的位置都可以选择，以使钻头本体40的下部46和切削刀具锥体组件100之间的流体流动最佳。如下文中将较详细描述的，切削刀具锥体组件100相对下部46的位置可以通过调节有关的支撑臂70的长度以及各个支撑臂70在钻头本体40外部上的间隔而改变。
如图1，2和3所示的，钻头本体40包括设置在上部42和下部46之间的中部52。纵轴线或中心轴线50伸过钻头本体40，并且大致与钻头20延伸的转动轴线对应。中部52较佳地呈大致圆柱形，槽座54形成于其外部，并且相互径向隔开。槽座54的数量可选择成对应于安装于其上的支撑臂70的数量。在中部52的外部的槽座54的间隔可选择成对应于支撑臂70和其有关的切削锥形组件100之间所需的间隔对应。同样地，任何在支撑臂70和其有关的切削刀具锥体组件100之间相对纵轴线50和钻头20预定的转动轴线所需的偏距可通过改变各个槽座54相对于纵轴线50的位置而形成。
各个支撑臂70有一伸过其中的纵轴线72。支撑臂70较佳地位于它们各自的槽座54中，各个槽座的纵轴线72基本上相互平行并且与钻头本体40的纵轴线50基本平行。各个槽座54的后壁64与相关的支撑壁70的内表面76协作，以形成对应于纵轴线50的纵轴线72的所需的对齐关系。如下文将详细描述的，在各个支撑臂70的内表面76上可设置多种机构，以在钻头20的制造过程中协助各个支撑臂70在其有关的槽座54中的定位和对齐。
对于一种应用而言，各个支撑臂70的一部分通过一系列形成在各个槽座54的外部或周边与相关支撑臂70的相邻部分之间的焊缝而较佳地焊在其有关的槽座54中。各个槽座邻近钻头本体40外部的周边可以修改，以提供焊接表面和/或焊接槽，以协助将各个支撑臂70安装到有关的槽座54中。
图3是一分解图，它示出了钻头本体、一个支撑臂70和有关切削刀具锥体组件100之间的关系。各个切削刀具锥体组件100可以基本上相同的方式形成和安装在其有关的轴82上。各个支撑臂70较佳地以基本相同的方式形成和安装到其有关的槽座54中。因此，仅详细描述一个支撑臂70和切削刀具锥体组件100，因为对于其它两个支撑臂70和其有关的切削刀具锥体组件100而言内容大致相同。
支撑臂70相对于纵轴线72大致呈矩形。根据按照本发明示教的相关槽座54的形状和支撑臂可结合的其它特点，支撑臂70可有多种垂直于纵轴线72的横截面。支撑臂70包括顶面74、内表面76、底边78和外表面80。支撑臂70还包括侧边84和86，它们较佳地是基本上平行于纵轴线72延伸。
本发明的多个特点可以体现为内表面76、外表面80和侧面84和86的部分。各个支撑臂70可选择各个尺寸以与有关的槽座54相一致。如图2和3所示，可以确定包括上端或顶面74和内表面76的邻近部分以及侧面84和86的每个支撑臂70的一部分的尺寸，使其配合在槽座54内。当需要本发明的不同特点时，基本上可以在顶面74和底边78之间改变内表面76的形状。内表面76和外表面80可以在支撑臂70的底边78上是相接的。相邻底边78形成的外表面80的部分经常称为衫摆表面88。
对于图3中所示的本发明的一个实施例，第一开口75和第二开口77可形成在各个支撑臂70的内表面76上。第一个柱塞或榫钉53和第二个柱塞或榫钉55可设置在各个槽座54的后壁64中。在组装钻头20的过程中，柱塞53和54从各后壁64径向延伸出，以分别与第一开口75和第二开口77协作，以将各个支撑壁70定位和对齐在其有关的槽座54中。
对于本发明的一个实施例而言，第一开口75较佳地包括一从顶面74伸出的纵向槽，并且其尺寸定得可将第一柱塞53容纳于其中。第二开口77较佳地通常为圆形，以在其内接纳第二柱塞。第一开口75较佳地形成为一纵向槽，以补偿支撑臂70和其有关槽座54之间尺寸变动，包括第一开口75、第一开口77和相关的第一柱塞53和第二柱塞54的相对位置。另外，柱塞或榫钉53和54可一开始就设置在支撑臂70的内表面76中，并且从其上伸出，并且适当的开口设置在相关槽座54的后壁64中。第二开口77和第二柱塞55的位置较佳地选择成可防止与形成在槽座54的周边和支撑臂70相邻部分之间的焊缝相互干扰。如图3所示的第二开口77与在支撑臂70的内表面76上的焊接槽79纵向隔开。
在制造和/或修复钻头本体20的过程中，第一开口75和第二开口77以及柱塞53和54的形状是尤其有用的。例如，一个支撑臂70可从其槽座54中拆除，并且将一个新支撑臂70安装于其中，甚至该新支撑臂70可与原来的支撑臂70的尺寸不同。如下文中将详细讨论的，激励装置342或344和焊接夹具200还可相互结合，以补偿在钻头20的制造和修复过程中的误差变化。
轴82较佳地相对支撑臂70的纵轴线72和钻头20预定转动轴线向下和向内成角度。轴82导致了在钻孔操作中切削刀具锥体组件100的外部与井孔24的侧部和底部接触。对于某些应用情况而言，根据需要将各个支撑臂70和其有关的轴与切削刀具锥体组件100定位成与钻头20的预定转动轴线有一偏距。所需的偏距可方便地通过将钻头本体40的外表面中形成有关的槽座54与钻头本体40的纵轴线50有一相应偏距而获得。偏差量可以在钻头20的转动方向上从零度变到五度或六度，或者零变到二分之一英寸或更多。
如图1，2和3所示的，各个切削刀具锥体组件100较佳地包括从其上伸出的带锥形壳体或尖端106的基部108。在一些应用情况下，基部108包括一截头圆锥形外表面110，它在与壳体106角度相反的方向上形成角度。基部108还包括背面112，它可邻近相关支撑臂70的内表面76的部分设置。基部108较佳地包括开口120，腔室114从该开口120伸出。腔室114较佳地从基部108伸入尖端106。开口120和腔室114的尺寸可选择成可将各个切削刀具锥体组件100安装在其相关轴82上。一个或多个轴承件122可较佳地安装在轴上，并设置在腔室114中的支承壁和轴82上的环形支承表面81之间。一种传统的滚珠保持系统124可用来将切削刀具锥体组件100固定到轴82上。
切削锥形组件100可由任何可淬硬的钢材或其它高强度的工程合金制成，该工程合金具有相当高的强度、刚度和耐磨性以耐受深孔钻井时严峻的情况。对可使切削刀具锥体组件100转动的、在腔室114中的轴承件122和其它任何支承进行保护可延长钻头20的使用寿命。一旦钻孔碎屑可渗入切削刀具锥体组件100和轴82之间的支承表面之间，钻头20就会很快失效。本发明在钻头22和相关的支撑臂70和切削刀具锥体组件100周围提供了加强的流体流，有助于防止碎屑进入各个切削刀具锥体组件100和其相关的轴82的多个支承表面之间。经常地，在切削刀具锥体组件100和其相关轴的支承表面之间的缝隙中可以设置弹性密封、例如密封件116。然而，一旦密封件116失效，钻孔流体和其它碎屑就会很快地通过切削刀具锥体组件100和轴82之间的间隙污染支承表面。
一些应用情况下，钻头本体40可用大致圆柱形的、实心原材料(未示)制造或加工成，而使制成的钻头20具有所需的金属学特性。AISI8620合金钢就是这样一种可以用来制造钻头本体40的材料的例子。
螺纹连接部44可用传统的制造螺纹的工艺，形成在钻头本体40的上部42。在决定钻头本体40中部52的外径时一个首要的要求是形成带螺纹连接部44所需的材料厚度。以下的滚动钻头连接部的API表示出了钻头的多种尺寸和所需的销的尺寸。
滚动钻头连接部1 2 3 4钻头尺寸 转动销钉连 钻头分斜钻头分斜英寸 接部的尺寸和形角直径±1/64 角直径式 英寸(Bit Sub (Bit SubBevel Dia.Bevel Dia.
±1/64inche ±1/64inches)s)3 3/4-4 1/2，包含 2 3/8 REG 3 3/64 3 5/644 5/8-5，包含 2 7/8 REG 3 39/64 3 11/645 1/8-7 3/8，包含 3 1/2 REG 4 7/64 4 9/647 1/2-9 3/8，包含 4 1/2 REG 5 21/64 5 23/649 1/2-14 1/2，包含 6 5/8 REG 7 23/64 7 25/6414 5/8-18 1/2，包含 7 5/8 REG 8 15/32 8 1/218 5/8及更大 8 5/8 REG 9 35/64 9 37/64钻头20的尺寸一般由具有三个切削刀具锥体组件100的最大外径或直径规格所决定。各个切削刀具锥体组件100和其结合直径规格相对钻头20的预定的转动轴线的位置是槽座54和其相关的支撑臂70与分别安装于其上的切削刀具锥体组件100的尺寸的函数。具有不同尺寸切削刀具锥体组件100的支撑臂70可安装到槽座54上，为钻头20提供所需的直径规格或尺寸。
轴82的尺寸可较佳地选择成可适应将安装在支撑臂70上的最大的和最小的切削锥形组件100。因此，适用于7 1/2英寸钻头的具有螺纹连接部44的同样的整体式钻头本体40也可用于9 3/8英寸钻头或这两间之间的任何尺寸钻头。特别需要注意的是钻头尺寸从7 1/2英寸增加到9 3/8英寸，钻头本体40的中部52的外径可以保持基本相同。因此，在钻头本体40外部和井孔24壁28之间的环道26中的流动区域在9 3/8英寸钻头情况下必须比7 1/2英寸钻头大大加强。
最好见图4所示，各个槽座54包括后壁64和一对侧壁66和68。后壁64和侧壁66及68的尺寸可选择成与相关的支撑臂70的相邻内壁76和侧壁84及86相容。同样，各个槽座54较佳地包括成为其一个整体部分的上表面65，以与相关支撑臂70的顶面74配合。各个槽座的宽度(Wp)选择成适应所用的支撑臂70。本发明一个实施例的一个重要特点在于限制支撑臂70的宽度。通过限制支撑臂70的宽度，可以在相邻支撑臂70之间提供足够空间160，以在支撑臂70和钻头本体40的下部46上的拱形表面48之间提供加强的流体流动。
本发明另一个重要特点在于具有改变支撑臂70长度的能力，以在安装于各个支撑臂70上的切削刀具锥体组件100和钻头本体40下部46上的拱形表面48之间提供所需的流体流动。在一种应用情况下，支撑臂70从顶面74到底边78的长度较佳地选择成至少是支撑臂70宽度的三倍。经常地，需要在各个切削刀具锥体组件100的上部与拱形表面48的相邻部分之间提供至少二分之一英寸的间隙。
如图3所示的，一个加大的腔室56可形成在钻头本体40的上部42中。开口58设置在上部42中以运输钻井套管22和腔室56之间的流体。腔室56较佳地具有大致均匀的内径，该内径从开口58伸到钻头本体40中部52的中间位置。在一些应用情况下，腔室56可设置成与钻头本体40的纵轴线50同心。
由于钻头本体40较佳地由单件原材料或块料制成，加大的腔室56可由适当的镗孔和/或钻削工艺制成。在现有的由三个部分相互焊在一起而制成的钻头中，相应的流体腔室一般包括在通向喷嘴的流体流动通道中的一个或多个焊缝。通过提供一单件式或整体式钻头本体，可避免由于焊缝中的焊接孔隙或孔而腐蚀的可能性。
一个或多个流体通道62可形成于在腔室56和钻头本体40的下部46上的拱形表面48之间延伸的钻头本体40中。开口61可设置在各个邻近拱形表面48的流体通道62中。多个槽63较佳地设置在各个开口61中，以在各个流体通道62中安装各种类型的喷嘴或喷嘴嵌入件60。可设置其它的元件(未示)、如卡环和/或O形密封圈以将各喷嘴嵌入件60固定在槽63中。
各种可用的工艺都可令人满意地将各个喷嘴60安装在其有关的开口61中。一个出入孔(未示)可设置在钻头本体40中靠近各个开口61处，以便安装锁定螺钉或销(未示)和/或卡环和螺纹(未示)，而将喷嘴60保持在其有关的开口61中。在一些应用情况下，喷嘴嵌入件60可由碳化钨或其它合适的材料制成，以阻止流过其中的流体的腐蚀。各个流体通道62的长度和直径在一种应用情况下可选择成在腔室56和各个喷嘴60之间提供至少局部的层流。较大的直形通道62使湍流最小，因而喷嘴62受到的腐蚀或侵蚀最小。
本发明一个重要特点在于具有改变流体通道62和有关喷嘴60在钻头本体40中的位置的能力，而不会影响槽座54的位置和有关的支撑臂70。在安装支撑臂70和切削刀具锥体组件100之前，腔室56和具有适当尺寸的开口61的一个或多个流体通道62可形成在钻头本体40中。这样，本发明可优化制成带螺纹连接部44的上部42、带槽座54的中部52、带拱形表面48的下部46以及具有有关流体通道62的腔室56的制造工序，因而加工工序有效、成本低。
在图4中示出了钻头本体40的侧视图，它具有三个槽座54和三个流体通道62，并且具有在钻头本体40的周边上，径向相互隔开的的各个开口61。对于在图4中示出的这一具体例子而言，流体通道62相互间在径向隔开120°。以相同方式，各个支撑槽座54与一相邻槽座54径向隔开近似120°。图5中所示的钻头本体40所代表的本发明另一个实施例包括流体通道162，它基本上与有关的钻头本体140的纵轴线50平行和同心地延伸。具有一个或多个出口孔59的喷嘴60设置在流体通道162中，贴近钻头本体140的有关拱形表面48和纵轴线50的交叉处。
本发明一个重要的优点是具有改变各个流体通道62位置的能力，以引导从腔室56出来的钻孔流体经过各个通道62和从钻头本体140伸出的相邻切削刀具锥体组件100之间。可以选择多种流体通道的位置，而不需对钻头本体40的外表面上的槽座54的位置作任何改变。将喷嘴60和其有关的流体通道62定位在较靠近纵轴线50处可使流体排出喷嘴60和携带切削屑的返固流体流之间的干扰最小。而用三个部分制成现有的钻头本体的焊接工艺则基本上限制了可用来安装流体喷嘴的位置数量。
如前所述的，本发明另一个实施例由图5中所示的钻头本体140所代表。除了以下所述及的以外，钻头本体40和钻头本体140基本上具有相同的特征。对于钻头本体140而言，各个槽座154包括后壁164和一对侧壁166和168。后壁164及侧壁166、168的尺寸可选择成适应于例如图14中所示的相关的支撑臂170的相邻内表面和侧面。各个槽座的宽度(Wp)由有关侧壁166和168之间的距离决定。本发明一个实施例的一个重要特点包括将槽座154的总宽度限制成小于钻头本体140的圆周长的二分之一。通过限制槽座154的宽度，可以在相邻支撑臂之间提供足够的空隙，以用于在支撑臂和钻头本体140的下部46的拱形表面48之间增强流体流动。
本发明的一个优点是具有通过改变槽座54相对钻头本体40和/或140的纵轴线50的径向间隔、来改变支撑臂70和其各自的切削刀具锥体组件100相对有关钻头本体20的预定转动轴线的径向间隔的能力。
在图5中，所示的半径线150从对应于纵轴线50的钻头本体140的中心径向伸出。各个槽座154的中心线155与各个半径线150平行并偏离距离(D0)。一般地，偏离量(D0)选择成与所需的角度方向或径向间隔对应，与有关支撑臂和切削刀具锥体组件100的纵轴线50呈0至5°或6°。当各个槽座154的中心线155与各个半径线150重叠时，有关切削刀具锥体组件100和所制成的钻头的预定转动轴线之间不存在偏离。根据钻头本体140的外径，偏离量(D0)可从零至二分之一英寸之间变化，以对有关的切削刀具锥体组件100提供所需的偏离。如前所述的，本发明的一个重要特点在于在安装有关支撑臂之前可以在有关钻头本体140中加工具有所需偏离量的槽座。
本发明的另一个实施例由图6中所示的钻头本体240和支撑臂270所代表。为了图示清楚，在图6中仅示出了一个支撑臂270和其有关的槽座254。根据本发明，一般地三个支撑臂270和其有关的切削刀具锥体组件100将安装在钻头本体上。除了下述特征外，具有支撑臂70和支撑臂270的钻头本体40和钻头本体240具有相同的特征。所示的钻头本体240具有基本上与纵轴线50平行并同心的流体通道262。所示的槽座254的中心线294与从纵轴线50伸出的、与中心线294平行的半径线250偏置。
槽座254包括后壁264以及相对后壁264近似成45°角延伸的侧壁66和68。所示的安装到槽座254上的支撑臂270部分具有由内表面276、侧面84和86以及外表面280部分形成大致八角形横截面。内表面276包括中心表面242、倾斜表面244和倾斜表面246。表面242、244和246纵向从支撑臂270的顶边伸出、经过槽座254的长度。支撑臂270的侧面84和86基本上相互平行、并且近似垂直于内表面276的中心表面242。表面244和246相对中心表面242形成一角度，大致对应于侧壁66、68和后壁264之间形成的角度。如下文中将详细介绍的，与槽座54和支撑臂70相比，槽座254和支撑臂270之间的一些不同点包括用键槽282、284和键286代替柱塞53和54。
内表面276的尺寸可选择成与相应的槽座254的后壁264和侧壁66、68相适应。支撑臂270的大致八角形横截面与槽座254的成锐角的侧壁66、68结合以提供空隙271和273，它可有助于将支撑臂270焊接在其有关的槽座254中。同样地，槽座254的形状可与有关的支撑臂270的尺寸增加或减少相适应，以由相同尺寸的钻头本体240制造出多种直径规格的钻头。
对于图6中所示的本发明的实施例而言，键槽282形成在后壁264中，并且键槽284形成在内表面274中。所示的键286设置在键槽282和284中，在将支撑臂270的部分与槽座254边缘焊接在一起之前，有助于将支撑臂270在有关槽座254中作适当定位和对齐。键槽282和284的长度和键286的长度受到限制以防止与支撑臂270和靠近拱形表面48的槽座254部分之间形成的焊缝的任何干扰。可用键与键槽的多种结合来分别将支撑臂70和70对齐和定位在槽座54和254中。
槽座54、154和254仅仅是可令人满意地与本发明一起使用的各种槽座结构和形状中一小部分。在钻孔过程中，槽座54、154和254为设置在各个槽座中的支撑臂提供了基本上横向的支撑。在一些情况下，将各个支撑臂的大多数厚度安装在其有关槽座中是较佳地。在另一些情况下，又必须仅将支撑臂的二分之一厚度嵌入其有关的槽座中。本发明根据所要进行的深孔钻孔情况，为所要制成的钻头选择最佳的槽座和其有关的支撑臂的结构。
与本发明的一个实施例结合的支撑臂70更详细地示出在图7和8中。支撑臂70的内表面76较佳地包括中心表面142，以及一对分别从中心表面142伸到侧面84和86的成角度表面144和146。成角度表面144和146基本上起到与前面所述的支撑臂270的成角度表面244和246有相同的作用。支撑臂70的结构对于槽座54是特别有利的。侧面84和86较佳地基本上相互平行、并同时平行于纵轴线72。因此，如前面就支撑臂270和槽座254所述的那样，一焊接槽形成在腔室54的壁66、68和支撑臂70的侧面84、86的相邻部分之间。
顶面74的一部分、外表面80和相邻侧面84、86已从支撑臂70的上部拆除以提供开口126和腔室90，在其中安装润滑剂池或容器92。润滑剂容器92呈大致圆柱形，以与润滑剂腔室90相适应。润滑剂容器92包括封闭端192，该端具有从中伸过的润滑剂开口194。润滑剂容器92的另一相对端有一带凸缘的肩部196，以支撑一软的弹性隔膜198，它将润滑剂容器92与有关的钻头的外部密封开。盖子93盖住隔膜198，并且使来自支撑臂70的外部的流体压力经过开口126对隔膜198发生作用。卡环199或另一种合适的机构可用来将盖93、隔膜198及容器92安装在腔室90中。盖子93中的开口193使外部流体压力与隔膜198连通。润滑剂容器92和润滑剂腔室90可经支撑臂70边上的一个充液口(未示)而充入一种合适的润滑剂。润滑剂容器92和润滑剂通道94结合以为设置在轴82的外部和有关切削刀具锥体组件100的腔室114之间的轴承件提供润滑。
通过插入多个滚珠轴承124、经从支撑臂70的外表面80上延伸的滚珠通道96，再经轴82、轴82中的滚珠滚道98，切削刀具锥体组件100可保持在其有关的轴82上。一匹配的滚珠滚道一般可设置在切削刀具锥体组件100的腔室114中。一旦插入，与滚珠滚道结合的滚珠轴承124将防止切削刀具锥体组件100与轴82脱离。滚珠通道96可随后通过焊接或其它众所周知的技术堵塞。在一些应用情况下，一个滚珠插塞(未示)也可放在通道96中。
在一种应用情况下，腔室90可沿着支撑臂70的纵轴线72形成，并且开口126伸到有关的凿岩钻头20的外部。润滑剂通道94较佳地形成在支撑臂70中，以作为腔室90的一部分，以便于将润滑剂从腔室90传送到滚珠通道96和设置在滚珠滚道98中的滚珠轴承124。本发明可在用相同工具的相同加工过程中，同时形成腔室90和通道94。在相同时间内镗孔加工腔室90和通道94不需要单独的机械调整和单独的塞焊，这些一般用来在现有的钻头中形成润滑剂通道。由于通道94的一端在腔室90处，并且通道94的另一端在滚珠通道96处，所以在形成润滑剂通道94时不可能出现塞焊渗漏或冲掉一个或多个塞焊缝。
附加的通道(未示)可形成在轴82中，而为轴承组件122和任何附加的与切削刀具组件100和轴82有关的轴承提供润滑剂流动通道。通过形成基本上与有关的支撑臂70的纵轴线72平行的腔室90，在钻孔操作过程中，可较好地通过增加盖子93和井孔24壁28之间的距离来保护润滑剂池92和有关的盖子93。
较佳地在靠近轴82的内表面76的外部上形成有大致圆的平加工区85。加工区85有时可以称为支撑臂70的“最后加工表面”。较佳地在靠近轴82处的内表面76上设置有一喉状凹凸区87，并从其上向上伸出。该喉状凹凸区87基本上减小和/或避免了在此表面上的磨损，这种磨损一般是由相关的切削刀具锥体组件100的后面与其有关的支撑臂70的下部之间的磨损颗粒和流体流动而引起的。这些细的磨损颗粒当切削刀具锥体组件100在钻孔操作过程中转动时，将磨损下部，诸如有关支撑臂70的衫摆88。当此磨损增加时，轴82和切削刀具锥体组件100之间的密封表面可能磨损，而有关的密封失效。
在图9和10中示出了用来制造支撑臂70的锻件170。由于制成钻头20中任何所需的的偏移较佳地都是通过改变槽座54相对有关的钻头本体40的纵轴线50的位置或偏移而形成的，所以相同的支撑臂70可用于具有不同偏移量的不同钻头本体20。由于本发明使支撑臂70标准化，锻件170可用来基本上减小用于制造各个支撑臂70的成本和时间。
如图9和10所示的，锻件170较佳地具有与支撑臂70的所需最终结构和尺寸适应的大体结构和总体尺寸。较佳地在各个锻件170的下部设有凸台182，该凸台182从其上以一近似对应于轴82的所需角度而向内伸出。锻件170的顶面174近似对应于支撑臂70的顶面74。开口126较佳地设置锻件170中，以用于加工润滑剂腔室90和润滑剂通道94。锻件170的侧壁184、186大致对应于加工成的支撑臂70的侧面84和86。同样地，一凹凸区187可设置在锻铁件170的内表面上以大致对应于支撑臂70的喉状凹凸区87。制造各个支撑臂70所需的加工成本和调整时间基本可通过起用具有与加工成的支撑臂70所需的大体结构和总体尺寸近似的锻件170而减小。
图11示出了具有焊接在其相关的槽座154中的支撑臂170的钻头本体140。为了图示清楚，在图11中未示出钻头本体140中的流体通道162。由于同样的原因，在图11中钻头本体140仅示出具有一个槽座154和一个安装于其上的支撑臂170。如前所述的，在焊接之前，柱塞53、55可用来使支撑臂70、170定位和对齐在槽座54、154中。同样地，后壁164和上表面65与支撑臂170的内表面176和上端74结合，以通过关联的切削刀具锥体组件100的限定而形成钻头20所需的外径。
图11、12、13提供了其它的视图，示出了形成在槽座154周边和支撑臂170的相邻部分之间的多条焊缝130。焊缝130较佳地包括一横伸在槽座154的上边74和上表面65之间的支撑臂170的顶部的第一部分132。一对纵向焊缝134和136在槽座154的多个部分和支撑臂170的各个侧壁84、86的相邻部分之间延伸。焊缝130的部分138在支撑臂170的内表面176和在与拱形表面48相交处的槽座154相邻周边之间延伸。
槽座154的周边可加工成所需要的形式，以提供一个或多个焊接槽以利于形成多个焊缝132。在一种应用情况下，一个半径较小的或J形的槽49可形成在槽座154和拱形表面48的相交处，以为支撑臂70与其有关的槽座54的连接提供一焊接槽。一个半径较小或J形槽79可设置在支撑臂170的内侧176。本发明的一个重要特点包括提供多条焊缝130的能力，这些焊缝130在支撑臂170的相邻部分之间的各个槽座154的整个周边上延伸。在图3、7、8中所示的焊接槽79在支撑臂70的内表面76上。在一种应用情况下，焊缝134、136较佳地与设置在有关槽座154中的支撑臂170部分的宽度相等或比其长。
仅为了图示的目的，在图14中示出的钻头本体340具有两个不同类型的槽座154和254。所示的支撑臂170设置在槽座154中，支撑臂270设置在槽座254中。激励装置342较佳地设置在支撑臂170的内表面176和槽座154的后壁164之间。激励装置344较佳地设置在支撑臂270的内表面276和槽座254的内后壁264之间。激励装置342可由具有足够弹性特性的弹性材料或其它材料制成，以使支撑臂170在有关槽座154中受到有限的径向运动。以一类似的方式，激励装置344可由弹性材料或任何其它合适的材料制成，它可使支撑臂270在槽座254中受到有限的径向运动。如果需要的话，激励装置342和344还可由小弹簧或Bellville垫圈制成。
在一种应用情况下，激励装置344可设置在键槽282、284中，它们可用来使支撑臂280与其有关的槽座254定位和对齐。如下文中将详细讨论的，激励装置342、344可用来保证有关的支撑臂/切削刀具锥体组件相对有关的具有用于制成的钻头的所需直径规格的钻头本体设置。在将各个支撑臂焊接到其有关的槽座上之前，激励装置342或344与焊接夹具200结合，以将切削刀具锥体组件100保持在所需的测量直径处。
如图15、16所示的焊接夹具200可用于在钻头本体20的最初制造过程中以及在钻孔操作之后修复钻头20。焊接夹具200呈大致的中空圆柱体，其尺寸定得可将钻头20容纳于其中。焊接夹具200包括一第一部分或下部201以及上部或第二部分202。第一部分201较佳地具有内径211，该内径对应于钻头本体40的中部52的所需直径规格。第二部分202较佳地具有与制成的钻头20的切削刀具锥体组件100的所需直径规格相对应的内径221。第二部分202较佳地包括开口203，它将便于在各个支撑臂70与其有关的插座54焊在一起之前，钻头本体40、支撑臂70和其有关的切削刀具锥体组件100插在夹具200中。较佳地，第一部分201和第二部分202相互同心对齐。
第一切削刀具锥体组件100较佳地安装在其有关的轴82上。采用如前所述的，然后可利用柱塞53、55与开口75、77结合或键槽282、284与键282结合，将各个支撑臂70定位和对齐在其有关的槽座中。柱塞53和开口75或键槽282和284较佳地与槽座54的周边离开一段足够的距离，以避免与焊缝130发生干扰。激励装置342可设置在各个支撑臂70和有关的槽座54的后壁64之间。在一些应用情况下，激励装置344可用来代替激励装置342。窗口204、206设置在第二部分202的多个位置上，以便于在各个槽座54的周边和有关支撑臂70的邻近部分进行点焊。
三个定位螺钉208较佳地设置在窗口204和206之间的第二部分202中。钻头20可位于焊接夹具200中，这样各个支撑臂70和其有关的槽座54都设置得与各自的窗口204和206靠近。同样地，各个支撑臂70较佳地靠近其有关的调节螺钉208定位。与激励装置342协作的调节螺钉208可用来使有关支撑臂70和切削刀具锥体组件100定位在需要的位置上以使制成的钻头200具有所需的直径规格。例如，通过旋紧在有关支撑臂70的外表面80上的调节螺钉208，各个激励装置342将被压缩，而使各个切削刀具锥体组件100相对纵轴线50径向向内运动。以一类似方式，调节螺钉208可在相反方向转动，而使有关的激励装置342膨胀，并将各个支撑支撑臂70和切削刀具锥体组件100相对纵轴线50径向向外移动。因此与焊接夹具200结合的激励装置342、包括调节螺钉208而使各个支撑臂70和其有关的切削刀具锥体组件100定位，以使制成的钻头20具有所需的钻头直径和所需的几何形状。
在足够的点焊已置于各个槽座54周边和支撑臂70的相邻部分之间之后，钻头20可从焊接夹具200上移走。然后采用传统的焊接技术，将多个焊缝130形成在槽座54的整体周边上和支撑臂70的相邻部分上。在一些应用情况下，也可用液压和/或气压驱动的夹紧装置来代替调节螺钉208。焊接夹具200可以有多种形式以适应槽座54和支撑臂70的较大体积的自动焊接。
在与槽座54、支撑臂70和切削刀具锥体组件100有关的特定尺寸中，与焊接夹具200结合使用的激励装置342和/344可有较大的容许偏差。例如，可以加工这些构件，其制成的尺寸导致当支撑臂70安装在其有关的槽座54中时，钻头直径小于所需尺寸。通过将激励装置342放在各个支撑臂70和其有关后壁64之间，各个支撑臂70相对有关槽座54径向向外伸出一有限距离。焊接夹具200和调节螺钉208可用来压缩激励装置342，并将各支撑臂70和切削刀具锥体组件100定位在合适的位置，以确保所需钻头直径以及保持切削刀具锥体组件100同心度。由于槽座54和有关的支撑臂70的形状，调节螺钉208将引起支撑臂70和其有关的切削刀具锥体组件100仅在相对纵轴50的径向运动。从而，可获得所需的钻头直径，而不要兼顾任何相对纵轴线50的所需的偏移。
在一些应用情况下，焊接夹具20可用来将支撑臂70点焊在其有关的槽座54中，而不用激励装置342。在此情况下，调节螺钉208可旋紧，以提供削刀具锥体组件100的所需同心，关系和由槽座54和支撑臂70的制造尺寸而形成的直径规格。另外，可在后壁64和内表面76之间放置一补偿的或类似的机构以改变与调节螺钉208结合的有关支撑臂70的径向位置。
一个或多个支撑臂70和有关的切削刀具锥体组件100可从钻头本体40上拆除，而用相同的钻头本体40修复钻头20，和/或用拆下来的支撑臂70和切削刀具锥体组件100去修复另一个钻头。根据钻头已用于钻孔操作之后各个构件的各自情况，本发明可使得钻头本体、支撑臂和/或切削刀具锥体组件重复使用。
钻头20可通过从其有关的槽座54上拆下一个或多个支撑臂70而修复。一种碳弧或其它适当的方法都可用来切割多条焊缝130，以将各个支撑臂70从其有关槽座中松出。各个支撑臂70或170和切削刀具锥体组件100可根据需要替换。如果钻头本体40或140受到损伤，各个支撑臂70或170和切削刀具锥体组件100可从其上拆除，并且安装到另一个钻头本体40或140上。在各个支撑臂的外表面上的开口126和槽座54、154或254的形状为在各个支撑臂和其有关槽座之间切割焊缝130提供了参照点。同样地，设置在各个切削刀具锥体组件100和拱形表面48之间的间隙便于切割焊缝130，而不会损伤各个切削刀具锥体组件100。虽然已经对本发明及其优点作了详细描述，但应当理解，在不脱离本文所附的权利要求书所限定的发明实质和范围，还可作出多种变化、替换和变更。
权利要求
1.一种制造用于钻孔的转动锥形钻头的方法，其步骤包括形成一具有为转动所述钻头用来与一钻井套管连接的一上部的一整体式钻头本体；在所述钻头本体的中部形成多个槽座，以将相应数量的支撑臂安装到所述钻头本体上；在所述钻头本体的下部形成一大致拱形的外表面；形成具有一内表面的各个支撑臂，所述内表面上连接有一轴，并且相对其关联的支撑臂大体上向下和向内伸出；以及将一切削刀具锥体组件安装在所述各个分别从所述支撑臂伸出的轴上，从而所述钻头本体的所述下部的拱形外表面在所述切削刀具锥体组件和所述钻头本体的所述下部之间使流体流动增强。
2.如权利要求1所述的方法，还包括下列步骤在所述钻头本体的所述上部形成一带螺纹的滚动钻头连接部；以及形成具有一外径的所述钻头本体的中部，这外径近似地对应于在所述钻头本体的所述上部上的所述带螺纹滚动钻头连接部所需的最小直径。
3.如权利要求1所述的方法，还包括下列步骤形成各个具有从其中贯穿的纵轴线的所述支撑臂；以及将所述各个支撑臂定位在所述一个槽座中，并且各个支撑臂的所述纵轴线大致平行于相邻支撑臂的所述纵轴线，并且大致平行于所述钻头本体的所述纵轴线。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括用一锻件制成所述各个支撑臂。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述钻头本体的所述上部形成一放大的腔室，并且在所述腔室中提供一开口，以传送所述钻井套管和所述腔室之间的流体；以及在将所述支撑臂安装到所述钻头本体上之前，在所述钻头本体中至少形成一个流体通道，所述通道在所述腔室和所述钻头本体的所述下部之间延伸。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述钻头本体的所述上部中形成一放大腔室，并且在所述腔室中提供用来在所述钻井套管和所述腔室之间传送流体的一开口；在将所述支撑臂安装到所述钻头本体上之前，在所述钻头本体中形成至少一个流体通道，所述流体通道在所述腔室和所述钻头本体的所述下部之间延伸；在靠近所述钻头本体的所述下部处在各个所述流体通道中形成第二个开口；以及在所述流体通道的所述各个第二个开口中安装一个喷嘴。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括形成所述流体通道，所述流体通道以与所述钻头本体的所述纵轴线成一角度的关系在所述钻头本体中延伸；以及将所述喷嘴定位在所述流体通道中，以在所述切削刀具锥体组件之间引导流体流动。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括形成一个腔室的步骤，该腔室内径通常均匀，并且从所述开口沿所述钻头本体的所述纵轴线到达所述钻头本体的所述中部的一中间位置处。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤形成一流体通道，所述流体通道大致平行于所述钻头本体的所述纵轴线，从所述腔室伸出；以及将一喷嘴定位在所述流体通道中，靠近所述钻头本体的所述下部。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤；将各个所述支撑臂定位在其相关的槽座中；将带有所述支撑臂和切削刀具锥体组件所述钻头本体放置在一焊接夹具中；以及将所述支撑臂的诸部分与所述槽座点焊在一起。
11.一种用来形成一具有侧壁和底部的井孔的转动锥形钻头的制造方法，它包括形成具有一上部、一中部和一下部的一整体式钻头本体；在所述上部上形成一带螺纹的连接部，以将所述钻头连接到一钻井套管上，以使所述钻头转动；在所述钻头本体的中部形成多个槽座，用来将相应数量的支撑臂安装到所述钻头本体上；在所述钻头本体的下部形成一大致拱形的外表面；形成各个具有一内表面的各支撑臂，并且具有连接到其上的轴，该轴相对其有关的支撑臂大致向下和向内伸出；形成作为各个槽座整体一部分的一上表面和后壁；在各个支撑臂上形成一顶面和一内表面；将一切削刀具锥体组件安装在所述各个分别从所述支撑臂伸出的轴上；以及将各个支撑臂的一部分定位在其有关的槽座中，并且所述支撑臂的所述顶面接触所述上表面，所述支撑臂的所述内表面邻近所述后壁设置，从而在所述钻头本体的所述下部上的所述拱形外表面在所述切削刀具锥体组件和所述钻头本体的所述下部之间使流体流动加强。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括在各个所述支撑臂的侧面和所述有关的槽座的相邻部分之间形成一纵向焊缝的步骤，各个纵向焊缝的长度等于或大于所述支撑臂的宽度。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括在各个支撑臂和其有关的槽座这间形成多个焊缝的步骤，并且所述焊缝在所述槽座的整个周边及所述支撑臂的所述相邻部分上延伸。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括提供一锻件，它具有一顶面、外表面和一底部，并且有一凸起部从其上伸出；将所述锻件加工成为具有可用于所述支撑臂的所述顶面、所述内表面和所述外表面；以及将所述凸起部加工成为具有用来将所述有关切削刀具锥体组件安装于其上的所述轴。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括将一激励装置放置在各个支撑臂的内表面和其有关的后壁之间的步骤。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤形成各个所述具有从其中贯穿的一纵轴线的支撑臂；将各个所述支撑臂定位在一个所述槽座中，各个支撑臂的所述纵轴线近似平行于相邻支撑臂的纵轴线，并且近似平行于所述钻头本体的所述纵轴线；以及在所述钻头本体的所述中部形成多个槽座，并且各个所述槽座具有一中心线，对于各所述槽座的所述中心线相对于从所述钻头本体的所述纵轴线伸出的半径线偏置。
17.一种用来形成具有一侧壁和底部的井孔的转动锥形钻头，它包括一整体式钻头本体，该本体具有用来将所述钻头连接到使所述钻头转动的一钻井套管上的上部；多个安装到所述钻头本体上的径向隔开的支撑臂，并且与所述上部反向伸出，各个所述支撑臂具有与一轴相连接的一内表面，各个轴大体上相对其相关的支撑臂向下和向内伸出；多个切削刀具锥体组件，其数量与所述支撑臂相等，并且所述切削刀具锥体组件分别安装在各个轴上，用来与所述井孔的所述侧壁和底部在钻孔时相接触；所述钻头本体具有一下部，该下部具有一拱形表面，并且一个空隙形成在所述拱形表面和所述切削刀具锥体组件之间；一设置在所述钻头本体的所述下部和所述上部之间的中部，所述中部为大致圆柱形；以及多个径向隔开的槽座形成在所述钻头本体的所述中部的外部，并且具有用来将所述支撑臂安装到钻头本体上的后壁，所述槽座的数量与所述支撑臂的数量相等。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，它还包括在各个槽座的周边和设置在所述槽座中的所述支撑臂的相邻部分之间形成一焊接槽；以及在所述焊接槽中形成多条焊缝，所述焊接槽在各个支撑臂和其有关的槽座之间，并且所述多条焊缝在各个槽座的整体周边上和所述支撑臂的相邻部分上延伸。
19.如权利要求17所述的钻头，其特征在于，还包括一设置在所述各个支撑臂的所述内表面的一部分和其有关的槽座的所述后壁之间的激励装置。
20.如权利要求17所述的钻头，其特征在于，还包括一形成在所述支撑臂的各个所述侧面和所述槽座的相邻部分之间的纵向焊缝，并且各个纵向焊缝的长度大于所述支撑臂的宽度。
21.如权利要求17所述的钻头，其特征在于，还包括；所述钻头设置在一具有第一部分和第二部分的焊接夹具中；所述第一部分具有与所述钻头本体的所述中部的外径对应的内径；所述第二部分具有与所述钻头的所述切削刀具锥体组件的一测量直径对应的内径；以及多个形成在所述第二部分中的窗口，用于各个支撑臂与其有关的槽座的焊接部分。
22.一种用于形成一转动锥形钻头的焊接夹具，该钻头具有一整体式钻头本体以及多个槽座和数量与槽座数量相同的支撑臂，一切削刀具锥体组件安装在一从各个支撑臂上伸出的轴上，并且各个所述支撑臂设置在所述槽座中的一个中，该夹具包括一个大致圆柱形的、中空的第一部分，此第一部分连接到一个大致圆柱形的中空的第二部分；所述第一部分具有与所述钻头本体的一直径规格对应的第一内径；所述第二部分具有在安装到所述钻头本体上时与所述切削刀具锥体组件的直径规格对应的第二内径；以及所述第一内径小于所述第二内径。
23.如权利要求22所述的焊接夹具，其特征在于，它还包括多个贯穿所述第二部分中延伸的窗口，用来将各个支撑臂的诸部分与其有关的槽座进行焊接；以及用来相对其有关的槽座调节各个支撑臂位置的装置。
24.如权利要求23所述的焊接夹具，其特征在于所述调节装置还包括一贯穿邻近所谓窗口的所述第二部分而延伸的调节螺钉。
25.如权利要求23所述的焊接夹具，其特征在于还包括；一设置在各个支撑臂和其有关的槽座之间的激励装置，用来限制所述支撑臂相对所述调节装置的运动。
26.一种修复一转动锥形钻头的方法，该钻头具有一整体式钻头本体，该钻头本体带有一用来连接到一钻井套管上的上部、多个形成在所述钻头本体中部的槽座、多个数量与槽座相等的支撑臂，以及安装在各个支撑臂上的切削刀具锥体组件，并且各个支撑臂通过多条焊缝安装到一个所述槽座上，它包括在所述一个支撑臂和其有关的槽座之间切割焊缝；以及从其有关的槽座中拆除所述支撑臂。
27.如权利要求26所述的修复转动锥形钻头的方法，其特征在于，还包括将另一个其上安装有一切削刀具锥体组件的支撑臂安装到所述有关的槽座中的步骤。
28.如权利要求26所述的修复转动锥形钻头的方法，其特征在于，还包括将所述切削刀具锥体组件从所述一个支撑臂中拆除；将一个新的切削刀具锥体组件安装在所述一个支撑臂上；以及将所述一个支撑臂安装在其有关的槽座中。
29.如权利要求26所述的修复转动锥形钻头的方法，其特征在于，还包括下列步骤切割各个所述支撑臂和所述有关的槽座之间的焊缝；将各个支撑臂从其有关的槽座中拆除；以及将一个带有一安装于其上的新切削刀具锥体组件的新的支撑臂安装到各个所述槽座中。
30.如权利要求26所述的修复转动锥形钻头的方法，其特征在于，还包括下列步骤切割在各个所述支撑臂和所述有关槽座之间的所述焊缝；将各个支撑臂从其有关的槽座中拆除；将各个切削刀具锥体组件从其有关的支撑臂上拆除；将一个新切削刀具锥体组件安装在各个支撑臂上；以及将带有新的切削刀具锥体组件有各个支撑臂安装到所述槽座中的一个上。
31.一种用来制造形成一井孔的转动锥形钻头的方法，它包括下列步骤形成一整体式钻头本体，该钻头本体具有用来连接到使所述钻头转动的钻井套管的上部以及与所述上部相反方向的一下部；在所述钻头本体中部形成多个槽座，以将相应数量的支撑臂安装到所述钻头本体上；在所述钻头本体的所述上部中形成一放大的腔室，并且在所述腔室中提供一开口，以在所述钻井套管和所述腔室之间传送流体；形成各个具有一内表面支撑臂，有一轴连接于其上，并且此轴相对其有关的支撑臂大致向下和向内伸出；将一切削刀具锥体组件安装在各个所述分别从各个支撑臂上伸出的轴上；以及在所述钻头本体中形成至少一个流体通道，在将所述支撑臂安装到所述钻头本体上之前，该流体通道在所述腔室和所述钻头本体的所述下部之间延伸。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤在所述钻头本体的所述上部形成一个带螺纹的滚动钻头连接部；以及形成所述钻头本体的所述中部，它具有一外径，该外径近似与在所述钻头本体的所述上部上形成所述螺纹滚动钻头连接部所需的最小直径相对应。
33.如权利要求31所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤形成各个所述具有贯穿其内的纵轴线的支撑臂；以及将各个所述支撑臂定位于一个所述槽座中，并且各个支撑的的纵轴线近似平行于相邻支撑臂的所述纵轴线，并且近似平行于所述钻头本体的纵轴线。
34.如权利要求31所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤在各个所述流体通道中靠近所述钻头本体的所述下部形成一第二开口；以及将一个喷嘴安装在所述流体通道的所述第二开口中。
35.如权利要求31所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤形成与所述钻头本体所述纵轴线成一角度地、伸过所述钻头本体的所述流体通道；以及将所述喷嘴定位在所述流体通道中，以在所述切削刀具锥体组件之间引导流体流动。
36.如权利要求31所述的方法，其特征在于，还包括形成一腔室的步骤，该腔室具有从所述开口沿所述钻头本体的纵轴线到达所述钻头本体的所述中部的一中间位置处的大致均匀的内径。
37.如权利要求31所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤形成一个流体通道，该通道从所述腔室基本上平行于所述钻头本体的所述纵轴线延伸；以及将一喷嘴定位在相邻所述钻头本体所述下部的所述流体通道中。
38.一种用于制造用于形成一具有侧壁和底部的井孔的转动锥形钻头的方法，包括形成一整体式钻头本体，具有上部、中部和下部；在所述上部上形成一带螺纹的连接部，用来将所述钻头连接到用于使所述钻头转动的钻井套管上；在所述钻头本体的所述中部形成多个槽座，用来将相应数量的支撑臂安装到所述钻头本体上；形成具有内表面的支撑臂，并且具有连接到其上并相对其有关的支撑臂大体向下和向内伸出的轴；形成各个槽座整体的一部分的上表面和后壁；在各个支撑臂上形成顶面和内表面；将一切削刀具锥体组件安装到各个所述分别从所述支撑臂上伸出的轴上；以及将各个支撑臂的一个部分定位在其有关的槽座中，并且所述支撑臂的所述顶面接触所述上表面，所述支撑臂的所述内表面靠近所述后壁。
39.如权利要求38所述的方法，其特征在于，还包括在支撑臂的各边和所述有关的槽座的相邻部分之间形成纵向焊缝，各条纵向焊缝的长度等于或大于所述支撑臂的宽度。
40.如权利要求38所述的方法，其特征在于，还包括在各个支撑臂和其有关的槽座之间形成多条焊缝的步骤，并且所述焊缝在所述槽座的整个周边上和所述支撑臂的相邻部分上延伸。
41.如权利要求38所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤提供一锻件，它具有一顶面、一外表面和一底部，并且一凸起部从其上伸出；将所述锻件加工成具有用于所述支撑臂的所述顶面、所述内表面和所述外表面；以及将所述凸起部加工成所述轴，用来将所述有关的切削刀具锥体组件安装于其上。
42.如权利要求38所述的方法，其特征在于，还包括将一激励装置放置于各个支撑臂的内表面和其有关的后壁之间的步骤。
43.如权利要求38所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤形成具有贯穿其中的纵轴线的各个所述支撑臂；将各个所述支撑臂定位于一个所述槽座中，并且各个支撑臂的纵轴线近似平行于所述相邻支撑臂的所述纵轴线，并且近似平行于所述钻头本体的所述纵轴线；以及在所述钻头本体的所述中部形成多个槽座，并且各个槽座具有一中心线，所述各个槽座的中心线相对于从所述钻头本体的所述纵轴线伸出的一半径线偏置
全文摘要
一具有一整体式钻头本体(40)的转动钻形钻头(20)，该本体具有一有拱形外表面(48)的下部(46)以及用来连接到一钻井套管(22)上的上部(42)。多个支撑臂(70)安装到形成钻头本体(40)中的槽座(54)上，并且从其上悬出。各个支撑臂(70)有一内表面(76)，并带有连接到其上的一轴(82)和一外衫摆表面(88)。各个轴(82)相对有关支撑臂的纵轴线向内和向下伸出。一个切削刀具锥体组件(100)安装在各个轴(82)上。在钻头本体的周边上的支撑臂的径向间隔和其长度和宽度都选得使安装在各自支撑臂上的锥体组件和钻头本体下部之间的流体流动得到增强。
文档编号B23K37/053GK1155317SQ95194610
公开日1997年7月23日 申请日期1995年8月8日 优先权日1995年8月8日
发明者艾伦·迪·赫夫斯图特勒 申请人:德莱塞工业股份有限公司