专利名称：具有倾斜液力推力支承的岩土钻头的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及滚锥岩土钻头，并且尤其涉及在牙轮轴和锥体 之间具有推力面的岩土钻头， 一个推力面相对于另一个至少部分地倾 斜。
背景技术：
用于钻出石油和天然气井的一种岩土钻头具有带有至少一个(通 常为三个)滚锥的钻头体。每个锥体安装在从钻头体的牙轮钻头巴掌 向下且向内悬挂的圆柱形牙轮轴上。环形推力面形成于牙轮轴上和锥 体腔中用于反抗向下的推力。牙轮轴推力面处于一个名义上垂直于牙 轮轴轴线的平面中。锥体推力面形成于一个名义上垂直于锥体旋转轴 线的平面中。最初，所述推力面彼此平行。润滑剂从润滑剂贮存器供 应至牙轮轴和锥体之间的空间。在钻头钻进时，所述推力面通常不会彼此精确地平行。牙轮轴稍 微偏转，因为其从牙轮钻头巴掌悬挂。而且，由于锥体的圆柱形部分 和牙轮轴之间存在着公差，锥体就能相对于牙轮轴稍微竖起。锥体轴分离的空间，这是有益的，因为其能在推力面之间形成液力润滑压力 从而有助于支撑负栽。然而，支承失准也集中了推力支承接触负载， 这是有害的。发明内容在本发明中，滚锥钻头具有牙轮轴和锥体，它们都具有配合的推 力面。锥体或牙轮轴的推力面形成有至少一个相对于其轴线倾斜的部 分。这在推力面之间限定了其后跟随有会聚间隙区域的分离间隙区域以改善润滑剂膜。倾斜部分可包括整个推力面。可选地，其可仅包括一部分，并且 推力面的其余部分垂直于旋转轴线。倘若如此，推力面的倾斜部分相 对于推力面的其余部分或平行部分成非常小的角度。在优选实施例中， 倾斜推力面定位于牙轮轴上。
图l是示出具有根据本发明构造的推力面的岩土钻头的一部分的 一四分之一垂直剖浮见图。图2是图1中牙轮轴的放大侧视图，示出为倾斜面放大。 图3是具有可选实施例的推力面的牙轮轴的端视图。 图4是图3中牙轮轴的侧视图。图5是图3中牙轮轴的推力面沿着图3中线5-5截取的放大剖视图。图6是图3中牙轮轴的推力面沿着图3中线6-6截取的放大剖视具体实施方式
参照图l，钻头11具有本体13，本体13的上端上具有用于连接 至钻柱(未示出)的螺紋销15。本体13通常具有三个牙轮钻头巴掌 17(仅示出了一个)，每个具有悬桂的牙轮轴19。牙轮轴19朝着本体 13的旋转轴线(未示出)向下且向内地倾斜。牙轮轴19具有与牙轮轴轴线23 (图2)同心的圆柱形表面21。 在这个实施例中，牙轮轴19的内端具有前端25。前端25为圆柱形并 且具有比圆柱形支承面21要小的直径。环形牙轮轴推力面27形成于 将前端25连接至圆柱形表面21的台肩上。锥体29具有腔，该腔具有 安装在牙轮轴19的圆锥形支承面21周围的圆柱形部分31。锥体29 在牙轮轴19上绕着其轴线旋转，所述轴线名义上与牙轮轴轴线23重 合。锥体29具有位于其腔内的环形推力面33，推力面33面朝上和朝外并且与牙轮轴推力面27动态啮合。锥体29具有位于其外面上的多个切割元件35。切割元件35可以 为压配合入锥体29的孔中的硬质合金嵌件。可选地，切割元件35能 铣齿入锥体29的外表面。锥体29常规地保持于牙轮轴19上，在这个 例子中借助于多个球37来保持。球37啮合形成于锥体29中和牙轮轴 19上的配合槽。润滑剂通道39将润滑油或油脂供应至圆柱形表面21 和31之间以及推力面27和33之间的空间。压力补偿器41减少通道 39内的润滑剂和钻头11外面的钻井流体压力之间的压力差。推力面27、 33可具有常规的覆层以降低摩擦和增大操作寿命。推 力面27、 33之一至少具有相对于另一个推力面倾斜的一部分。在图2 的例子中，锥体推力面33是常规的并且定位于名义上垂直于锥体29 旋转轴线的单个平面中。整个牙轮轴推力面27相对于牙轮轴轴线23 稍微偏斜。也就是，尽管平坦且定位于单个平面中，但是牙轮轴推力 面27相对于垂直于牙轮轴轴线23的平面偏斜一个小的角度43。这将 牙轮轴推力面27布置成相对于锥体推力面33成角度43，如图2中虛 线所示，这种布置在由于钻头11的操作而带来任何负载之前进行。稍微失准导致了推力面27、 33之间的最大分离点和最小分离点。 最大和最小分离点将彼此分开180度。推力面27、 33的稍微失准在锥 体29旋转时形成会聚和分离区域，倾向于引起润滑剂楔入会聚区域， 这改进了润滑剂膜。在优选实施例中，角度43处于从大约0.05度至 0.5度的范围内。在图3-6的实施例中，仅一个推力面的一段倾斜。参照图3，牙 轮轴45具有如同第一实施例那样的前端47。牙轮轴推力面具有平行 部分49和倾斜部分51。这两个部分49和51在这个实施例中为平坦 的，但是倾斜部分51相对于平行部分49成一角度52 (图4)。角度 52优选地处于从大约0.05至15度的范围内，并且在一个实施例中处 于从大约0.05度至0.5度的范围内。该实施例具有外径55为2英寸的 牙轮轴45。平行部分49名义上垂直于牙轮轴轴线54 (图3)。倾斜部 分51能是曲线的而非平坦的。牙轮轴推力面平行部分49和倾斜部分51每个都具有内径部分， 所述内径部分彼此连接以形成牙轮轴45的推力面的内径53。类似地， 平行部分49和倾斜部分51每个都具有外径部分，所述外径部分彼此 连接以形成牙轮轴45的推力面的外径55。平行部分49在从内径53 直线地延伸至外径55的第一接合部57处连接倾斜部分51。另 一接合 部59从内径53延伸至外径55并且定位为距第一接合部57选定的圆 周距离。所述接合部57、 59能是圆形的而非尖锐线。在这个实施例中， 接合部59和57定位于同一直线上，不过它们也能定位在分开的径向 线上。在这个例子中，径向线61穿过接合部59与相对于接合部59 成角度的外径55之间的相交点。径向线63穿过接合部57与相对于接 合部57成角度的外径55之间的相交点。接合部57相对于径向线63 的角度与接合部59相对于径向线61的角度相同。倾斜部分51从径向线61顺时针地延伸至径向线63，如图3所示。 平行部分49从径向线63顺时针地延伸至径向线61。在这个例子中， 倾斜部分51进一步延伸并且从而具有比平行部分49要大的表面积。 优选地，倾斜部分51与牙轮轴45整个推力面的比值在这个实施例中 处于从大约25%至75%的范围内，从而从径向线61至径向线63的顺 时针圆周距离为75度至270度。参照图5，在由图5中箭头所示的旋转方向上考虑，接合部57开 始于分离区域65的起始处。分离区域65中的润滑剂遇到锥体推力面 33和倾斜部分51之间逐渐增大的间隙。参照图6，接合部59限定了 会聚区域67，其中锥体推力面33和倾斜部分51之间的间隙逐渐变小。 锥体推力面33的旋转倾向于迫使润滑剂进入楔形会聚区域67，改进 平行部分49和锥体推力面33之间的润滑剂膜。本发明具有显著的优点。推力面之间的倾斜由于会聚区域和分离 区域的缘故改进了润滑剂膜，而锥体和牙轮轴仍然在公差之内同心。 润滑剂膜降低了扭矩并且提高了支承面的寿命。平行部分，如果与倾 斜部分一起采用，降低了接触力。虽然仅示出了本发明的两种形式，但是对于本领域技术人员而言很明显，本发明并不限于此，而是在不脱离本发明范围之下易于进行 各种改变。例如，倾斜的推力支承面能处于锥体上而非处于牙轮轴上。 而且，代替直接形成于牙轮轴或锥体上，在一侧或两侧上具有倾斜推 力支承面的垫圏能布置于牙轮轴推力面和锥体推力面之间。
权利要求
1.一种岩土钻头，包括具有牙轮钻头巴掌的钻头体；牙轮轴元件，该牙轮轴元件具有推力面以及与牙轮轴轴线同心的圆柱形支承面；锥体元件，该锥体元件具有锥体轴线并安装至牙轮轴上用于相对于牙轮轴旋转，该锥体元件具有与牙轮轴的推力面动态啮合的推力面；以及上述元件中的一个元件的推力面的至少一部分相对于与所述一个元件的轴线垂直的平面倾斜，在推力面之间限定其后旋转地跟随有会聚间隙区域的分离间隙区域以改善润滑剂膜。
2. 根据权利要求l的钻头，其中，推力面的倾斜的所述至少一部 分包括平坦表面。
3. 根据权利要求l的钻头，其中，所述元件中的另一元件的推力 面是平坦的并且垂直于所述另一元件的轴线。
4. 根据权利要求l的钻头，其中，所述至少一部分包括所述一个 元件100%的推力面。
5. 根据权利要求l的钻头，其中，所述至少一部分包括所述一个 元件不到100%的推力面。
6. 根据权利要求l的钻头，其中，所述至少一部分包括所述一个 元件25 %至100 %的推力面。
7. 根据权利要求1的钻头，其中 所述一个元件的推力面具有内径和外径；所述一个元件的推力面具有部分地围绕所述一个推力面从外径延 伸至内径的平行部分，该平行部分处于与所述一个元件的轴线垂直的 平面中；并且推力面的倾斜的所述至少一部分相对于所述一个元件的推力面的 其余部分从外径延伸至内径。
8. 根据权利要求l的钻头，其中，所述一个元件包括牙轮轴。
9. 根据权利要求l的钻头，其中，所述至少一部分在从0.05度至 0.5度的范围内倾斜。
10. —种岩土钻头，包括具有牙轮钻头巴掌的钻头体，该钻头体具有沿着牙轮轴轴线延伸 的悬挂牙轮轴；旋转地安装至牙轮轴的锥体；位于锥体和牙轮轴中选定的一个上的环形第一推力支承面，第一推力支承面为平坦的并且名义上垂直于所述轴线；位于锥体和牙轮轴中另一个上且与第一推力支承面动态啮合的环形第二推力支承面；第二推力支承面具有相对于第一推力支承面倾斜的倾斜部分，该 倾斜部分从第二推力支承面的内径延伸至外径一选定的周向距离；并 且第二推力支承面具有与第一推力支承面平行的平行部分。
11. 根据权利要求10的钻头，其中，第二推力支承面的倾斜部分 包括平坦表面。
12. 根据权利要求10的钻头，其中， 一会聚区域和分离区域定位 于所述倾斜部分和第一支承面之间。
13. 根据权利要求10的钻头，其中，所述倾斜部分包括25%至 100%的第二推力支承面。
14. 根据权利要求10的钻头，其中，第二推力支承面定位于牙轮 轴上。
15. 根据权利要求10的钻头，其中，所述倾斜部分相对于平行部 分的角度在0.05度至0.5度范围内。
16. —种岩土钻头，包括具有牙轮钻头巴掌的钻头体，所述钻头体具有悬挂的牙轮轴； 安装至牙轮轴用于相对于牙轮轴绕着牙轮轴轴线旋转的锥体； 位于牙轮轴上的环形牙轮轴推力面，该牙轮轴推力面具有平坦的、名义上垂直于所述轴线且部分地围绕牙轮轴推力面的圆周延伸的平行 部分，该牙轮轴推力面具有平坦的、相对于所述轴线成角度并且在圆周的其余部分周围延伸的倾斜部分；以及锥体中与牙轮轴推力面动态啮合的环形锥体推力面，该锥体推力面为平坦的并且名义上垂直于所述轴线。
17. 根据权利要求18的钻头，其中，所述倾斜部分相对于平行部分的角度处于从0.05度至0.5度的范围内。
18. 根据权利要求17的钻头，其中，所述倾斜部分在圆周周围延 伸的距离处于从大约卯度至270度的范围内。
19. 根据权利要求17的钻头，其中，所述倾斜部分与平行部分的 接合部限定了从牙轮轴推力面的内径延伸至外径的线。
20. 根据权利要求17的钻头，其中，所述倾斜部分在两个接合部 处连接平行部分，所述接合部定位于同一直线上。
全文摘要
一种岩土钻头(11)具有推力面(27，33)，并且一个推力面(27)相对于另一个推力面至少部分地倾斜。钻头具有可旋转地安装至钻头体牙轮轴(19)的锥体(29)。所述推力面在锥体中并且在牙轮轴的一端上。一个推力面(33)是完全平坦的并且垂直于牙轮轴的轴线。另一个推力面(27)具有相对于所述轴线成偏斜角度的倾斜部分。倾斜部分在推力面(27，33)之间形成会聚和分离区域。
文档编号E21B10/24GK101326339SQ200680046477
公开日2008年12月17日 申请日期2006年10月11日 优先权日2005年10月12日
发明者峙 林, 阿伦·迪克 申请人:贝克休斯公司