专利名称：铣成齿切割刀具的规准面和制法的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及钻井技术、特别涉及对铣成齿锥形转动钻头的切割刀具作出改进。
在石油和天然气勘探和生产中用来钻井的转动钻头通常为锥形转动钻头。这种钻头包括可转动地装在从该钻头各臂伸出的支承轴上的多个锥形滚动刀具或称为锥形转动刀具。这些刀具装在相对于钻头轴线向下、向里伸展的支承轴上，从而刀具的锥面在井底上滚动并接触岩层。铣成齿在钻井时其接触井底和井壁的部位会磨损。
把碳化钨粒子渗入铣成齿的某些易磨损部位可提高刀具的寿命。这一工艺称为“表面硬化”。1981年4月21发表的美国专利No.4,262,761公开了把表面硬化材料加到铣成齿上，其全部内容作为参考资料包括在本发明中。可使用表面硬化法形成耐磨或耐腐蚀结构而产生自锐利齿形。
由于钻头的使用条件极为恶劣，因此较之其它各类机器、钻头的各部件反复受到比制成这些部件的材料所能承受的应力高得多的应力，此外，钻头必须不管在何种岩层中都能正常工作，而钻头的几何形状必须形成一均衡的切割刀具。有限空间的有效使用也是极重要的。各刀具之间的关系使得任何一个刀具的形状或大小都会影响到其它刀具，锥体形状或外形的确定也至关重要。
按照本发明，可大为减少或消除现有铣成齿锥形滚动切割刀具的缺点和问题。按照本发明的一个方面，提供了一种铣成齿切割刀具，它能更好地承受该刀具在恶劣环境中反复使用而受到的应力。按照本发明第二个方面，提供了一种规准引导肋，它有助于把合适数量的表面硬化材料加到铣成齿切割刀具的一定部位上。
本发明铣成齿包括一顶面、一根部、两个伸展在顶面和根部之间的相对侧面、两侧面之间的前面和与前面相对的背面。该背面包括上部和下部，背面的该上部相对于该下部下凹。一规准引导肋沿着背面的该下部的一边伸展。
按照本发明，可把一层表面硬化材料加到该铣成齿上而使该层表面硬化材料在该背面上与该规准引导肋大致齐平。由于背面的上部相对于下部下凹，因此该层表面硬化材料在背面上部部位最厚。
对于每一个铣成齿来说，由于在铣成齿前刃处用一下凹部形成较厚的一层表面硬化材料，因此提高了铣成齿、从而该钻头的有效寿命。由顶面和背面上部构成的刃即为铣成齿的前刃。正是铣成齿的这一前刃在钻井时接触井底和井壁，因此加上一表面硬化层可防止这一部位过早磨损或腐蚀。加上该层表面硬化材料提高了铣成齿的寿命并防止铣成齿以及钻头或钻杆组的其它部件的过早磨损。
此外，规准引导肋可用来确定加到铣成齿上的表面硬化材料的合适数量，从而使加到每个铣成齿上的表面硬化材料的厚度相同。由于加到每个铣成齿上的表面硬化材料的厚度都相同，因此可预知钻井直径且钻井时应力均匀分布到各铣成齿上。由于有了规准引导肋后不会把过量的表面硬化材料加到各铣成齿上，因此本发明还使制造成本下降。
从结合附图的下述说明可更清楚了解本发明及其优点，附图中
图1为按本发明构作的锥形转动钻头的立体图；图2为图1钻头的仰视图；图3为表示一支撑臂与其上有按本发明构作的铣成齿的本发明锥形切割组件之间的连接的局部剖视的放大图；图4为本发明锥形切割组件的局部剖视的侧视图；图5为按本发明构作的一铣成齿在未加表面硬化材料时的立体图；图6为把一层表面硬化材料加到图5铣成齿上的立体图；图7为图6铣成齿的侧视图。
从图1-7中可最清楚地看出本发明优选实施例及其优点，各附图中的相同和对应部件用同一标号表示。
图1中示出总的用标号10表示的一铣成齿锥形转动钻头。钻头10包括一钻头体12，该钻头体以其轴部或螺纹部14与一转动钻杆组(未示出)底端连接。螺纹部14和钻杆组的相应螺纹连接部设计成钻头10可随井面(未画出)处的钻杆组的转动而转动。钻头体12中有一通道(未画出)供在钻杆组中向下流动的钻井泥浆向下流动。钻井泥浆从喷嘴16喷出后被引导到井底后在井壁与钻杆组之间的环隙中向上流动，随后带走切割下和钻下的碎屑。
在钻头体12上下悬有三个大致相同的臂18，每一臂18的底端部装有一支承轴或心轴34。每一臂18可转动地支撑一一般为锥形的切割组件20，每一锥形切割组件20有一转动轴线，该锥形切割组件围绕该轴线转动。
图2为钻头10的仰视图。在每一锥形切割组件20上沿着每一锥体的锥面形成一排24的铣成齿23。每一锥形切割组件20上最靠近支撑臂18的一排称为后排或规准排30。规准排30上的铣成齿称为规准排铣成齿22。规准排30的所有规准排铣成齿22的大小或规格一般都相同。此外，锥形切割组件20还包括一鼻部26。一锥形切割组件20上的铣成齿23与其它相对的锥形切割组件20上的铣成齿23相配。一锥形切割组件20的在排24中的铣成齿离开鼻部26的距离较之其它锥形切割组件20稍有不同，从而使该锥形切割组件20的铣成齿23位于相邻锥形组件20的铣成齿23之间的长槽或凹槽28中。
锥形切割组件20有时可称为“锥形转动切刀”或“锥形滚动切刀”。当锥形切割组件20随着钻杆组的转动而在井底上流动时，钻头10就进行切割或钻孔。钻出的井的内径大致等于各锥形切割组件20的组合外径或规准直径。
图3为一锥形切割组件20与其支撑臂18的连接剖面图。每一臂18都装在该臂18与钻头体12相反一端上的一心轴34。锥形切割组件20即装在心轴34上。图3还示出锥形切割组件20的规准排30的规准排铣成齿22。当钻头10转动时，每一锥形切割组件20中的规准排30中连续的各规准排铣成齿22切割出钻孔的内径。规准排30的规准铣成齿22的主要切割动作由规准排铣成齿22的前刃32实现。按照本发明，规准排30的每个规准排铣成齿22上都加上一层表面硬化材料33。
图4为支撑臂18与锥形切割组件20的连接剖面图。每一个规准排铣成齿22包括一顶面36、一背面或规准面38、一前面40和一根部42。由于背面或规准面38是该切割齿最靠近锥形切割组件20后部或背部的表面，因此其上如图所示做出标记。
如图所示，规准排30的规准排铣成齿22的背面38上有一层表面硬化材料33。锥形切割组件20由一由许多排列在滚珠座圈46上的滚珠轴承44构成的常见滚珠支承装置支承在心轴34上。
图5示出按本发明构作的规准排铣成齿22的齿形。图5所示规准排铣成齿22只是位于每一锥形切割组件20的规准排30上的若干铣成齿中的一个。每一规准排铣成齿22有一顶面36和一前面40。顶面36可以是平面。每一规准排铣成齿22有两个相对的侧面而构成转动方向上的先导工作面或先导侧面48以及与转动方向相反的后面或后侧面50，每一规准排铣成齿22有一根部42。一通道70把每一规准排铣成齿22与相邻的规准排铣成齿22分开。
背面或规准面38包括一上部背面58、一下部背面60，此两表面之间形成一刃62。背面38包括一邻接下部背面60的规准引导肋64。上部背面58相对下部背面60下凹。在本发明一实施例中，上部背面58位于一与下部背面60大致平行、但相对下部背面60下凹0.020-0.100英寸的平面中。规准引导肋64包括一后面66以及一把后面66连至背面38的下部背面60的引导面68。引导面68可与后面66垂直。
如图6和7所示，表面硬化材料33焊接到每一规准排铣成齿22的顶面36、前面40、先导侧面48、后侧面50、上部背面58的下部背面60上。表面硬化材料33通常为碳化钨粒子和钢的混合物，用手工焊接到每一规准排铣成齿22上。表面硬化材料不焊接到规准引导肋64的后面66上。加到下部背面60上的表面硬化材料的厚度等于规准引导肋64的引导面68的高度，从而加到背面38上的表面硬化材料层72的表面与规准引导肋64的后面66大致齐平。表面硬化层72的厚度最好约为0.100英寸，但这一厚度的变化范围可为0.015-0.150英寸。
此外，如图6和7所示，由于加到下部背面60上的表面硬化材料层72的表面与规准引导肋64的后面66大致齐平，因此加到上部背面58上的表面硬化材料层74比加到下部背面60上的表面硬化材料层72厚，这样就提高了规准排铣成齿22的前刃32的耐磨性。加到上部背面58上的表面硬化层74最好比加到下部背面60上的表面硬化层72厚0.020-0.100英寸。因此表面硬化层74的最佳厚度为0.035-0.250英寸。
加到规准排铣成齿22其它表面，例如顶面36、先导侧面48和后侧面50上的表面硬化材料33的厚度与下部背面60的厚度大致相同。
加到相对下部背面60下凹的上部背面58上的超厚表面硬化材料可保护前刃32在钻井从而锥形转动组件20的转动过程中免受极大的应力。此外，加到上部背面58上的超厚表面硬化材料33可防止发生规准圆化或规准不足的现象，这种现象出现在规准排铣成齿22的前刃32发生磨损而使钻头钻出的井的直径变小并转而造成规准排30以及整个钻头受到更大应力之时。
规准引导肋64为焊工提供了基准，从而可把所需数量的表面硬化材料33焊到每一个规准排铣成齿22上。若无规准引导肋64，焊工在把表面硬化材料33焊到规准排铣成齿22上时就无法确定表面硬化材料33的准确用量，结果不是太厚就是太薄。由于不会把过量的表面硬化材料33加到规准排铣成齿22上，因此可降低表面硬化材料的成本并从而降低生产成本。
本发明规准排铣成齿22的优良设计使得可在该规准排铣成齿22所受应力最大部位加厚表面硬化材料层。此外，由于有规准引导肋64的存在，因此可在所有规准排铣成齿22上均匀地焊上一层厚度最佳的表面硬化材料，从而可预先确定钻开的规准直径，表面硬化材料的均匀焊接还使得各规准排铣成齿22的磨损更为均匀，从而加长了钻头10的向下钻进时间。
尽管上面详述了本发明及其优点，但应指出，在后附权利要求书限定的本发明精神和范围内可作出种种改动、替代和变动。
权利要求
1.一种具有至少一排铣成齿的锥形转动钻头，每一个铣成齿包括一顶面；一根部；从所述顶面伸展到所述根部的两相对侧面；在所述两侧面之间从所述顶面伸展到所述根部的一前面；在所述两侧面之间而与所述前面相对的一背面，该背面包括一从所述顶面开始伸展的上部背面；一在所述上部背面与所述根部之间的下部背面，所述上部背面相对所述下部背面下凹；以及沿着所述下部背面的一边垂直伸展的一规准引导肋以及加到所述顶面、两侧面、前面、上部背面和下部背面上的一层表面硬化材料，使得所述下部硬化表面与所述规准引导肋齐平，而所述表面硬化材料层在所述上部背面的所述部位最厚。
2.按权利要求1所述的锥形转动钻头的铣成齿，其中，所述规准引导肋包括一大致与所述下部背面平行的后面；以及一连接所述后面与所述下部背面的引导面。
3.按权利要求1所述的锥形转动钻头的铣成齿，其中，加到所述下部背面上的所述表面硬化材料层的厚度为0.015-0.150英寸。
4.按权利要求1所述的锥形转动钻头的铣成齿，其中，加到所述上部背面上的所述表面硬化材料层比加到所述下部背面上的所述表面硬化材料层厚0.020-0.100英寸。
5.按权利要求1所述的锥形转动钻头的铣成齿，其中，所述规准引导肋的所述引导面的深度约为0.100英寸。
6.按权利要求1所述的锥形转动钻头的铣成齿，其中，所述上部背面与所述下部背面大致平行。
7.按权利要求1所述的锥形转动钻头的铣成齿，其中，所述顶面分别与所述前面、所述两侧面和上部背面的相连处构成尖刃。
8.按权利要求1所述的锥形转动钻头的铣成齿，其中，所述顶面大致为平面。
9.按权利要求1所述的锥形转动钻头的铣成齿，其中，所述前面包括一与所述两侧面之一连接的先导侧面；以及一与另一所述侧面连接的后侧面。
10.锥形转动钻头上的一铣成齿，包括一根部；一顶面；一从所述顶面伸展到所述根部的先导侧面；一与所述先导侧面相对并从所述顶面伸展到所述根部的后侧面；一位于所述先导侧面与所述后侧面之间并从所述顶面伸展到所述根部的前面；一位于所述先导侧面与所述后侧面之间并从所述顶面开始伸展的上部背面；一位于所述先导侧面与所述后侧面之间并从所述上部背面伸展到所述根部的下部背面，所述上部背面相对所述下部背面下凹；一具有一位于所述先导侧面与所述下部背面之间的后面并沿着所述下部背面的一边伸展的规准引导肋；以及加到该铣成齿上的一层表面硬化材料，该层表面硬化材料在下部背面上与规准引导肋的后面齐平，而在上部背面处最厚。
11.根据权利要求10所述的铣成齿，其中，所述规准引导肋的所述后面与所述下部背面大致平行；所述规准引导肋还包括一连接所述后面与所述下部背面的引导面。
12.按权利要求10所述的铣成齿，其中，所述规准引导肋的所述引导面的深度为0.015-0.150英寸。
13.按权利要求10所述的铣成齿，其中，加到所述上部背面上的所述表面硬化材料层的厚度为0.035-0.250英寸。
14.按权利要求10所述的铣成齿，其中，所述上部背面与所述下部背面大致平行；所述顶面分别与先导侧面、后侧面、前面和上部背面的互连处构成尖刃。
15.按权利要求10所述的铣成齿，其中，所述前面包括一与所述两侧面之一连接的先导侧面；以及一与另一所述侧面连接的后侧面。
16.一种制作锥形转动钻头的铣成齿的方法，包括下列步骤形成一根部；形成一顶面；形成从所述顶面伸展到所述根部的两相对侧面；形成一连接在所述两侧面之间并从所述顶面伸展到所述根部的前面；形成一从所述根部向着所述顶面方向伸展的下部背面；形成一从所述下部背面伸展到所述顶面的上部背面，所述上部背面相对所述下部背面下凹；形成一沿着所述下部背面的一边伸展且位于所述下部背面与所述两相对侧面之一之间的规准引导肋，所述规准引导肋包括一与所述两相对侧面之一连接的后面；以及把一层表面硬化材料加到该铣成齿上，使得加到下部背面上的表面硬化材料的表面与规准引导肋的后面大致齐平，而加到该铣成齿上的该层表面硬化材料在上部背面部位最厚。
17.按权利要求16所述的铣成齿制作方法，其中，施加一层表面硬化材料的步骤包括以0.015-0.150英寸的厚度把所述表面硬化材料层加到所述下部背面上。
18.按权利要求16所述的铣成齿制作方法，其中，施加一层表面硬化材料的步骤包括以0.035-0.250英寸的厚度把所述表面硬化材料层加到所述上部背面上。
19.按权利要求16所述的铣成齿制作方法，其中，形成前面的步骤包括形成一与所述两侧面之一连接的先导侧面；以及形成一与另一所述两侧面连接的后侧面。
20.按权利要求16所述的铣成齿制作方法，其中，所述上部背面构作成大致与所述下部背面平行。
21.按权利要求16所述的铣成齿制作方法，其中，在所述顶面与所述两侧面、前面和上部背面互连处形成各尖刃，所述顶面大致做成平面。
全文摘要
一种铣成齿(22)，其包括由一上部背面(58)和一下部背面(60)组成的背面(38)，上部背面(58)下方有一顶面(36)。上部背面(58)相对下部背面(60)下凹。规准引导肋(64)伸展在下部背面(60)的一边上。把一层表面硬化材料(33)加到该铣成齿(22)上，使得加到下部背面(60)上的该层表面硬化材料(72)的表面与规准引导肋(64)齐平，而在上部背面(58)部位的表面硬化材料层(74)的厚度最厚。
文档编号B23P15/28GK1139175SQ9610537
公开日1997年1月1日 申请日期1996年6月3日 优先权日1995年6月5日
发明者杰伊·S·伯德 申请人:德雷瑟工业公司