专利名称：钻头的制作方法
技术领域：
这里描述的发明主要涉及用于地下挖掘的钻头。
背景技术：
用于地下挖掘的传统钻头通常是具有通常周形截面的长形结构，该长形
结构包括三个主要部分第一，存在与被挖掘材料接触的切削面。这通常包 括多个切削元件，它们对着被切削材料的运动致使物质被切削或挖出。第二， 存在连接装置，其通常位于钻头上与切削面相对的端部，以把钻头连接到通 常为旋转钻柱的运动源上。第三，所谓的保径区域(gauge region),其位于 切削面和连接装置之间，其目的是接触被钻的孔的侧面以稳定钻头的运动。 保径区域通常没有切削元件并具有与被钻的孔的尺寸类似的直径。保径区域 在它的表面也提供有通道以允许切削材料和钻井流体从切削面移走。保径区 域包括线性锥形，也就是已经使用了保径区域的直径与从切削面的距离成比 例变化的结构，因此保径区域通常为截头圓锥形。
在特定的环境中，期望钻头被转向(steer)以便它在要求的方向沿一曲 线路径前行。在这种情况下，保径区域的部分表面被压紧在钻孔的壁上。这 是主要的问题，因为这不但导致钻头变得不稳定，而且也导致能量浪费在不 必要地剥蚀钻孔壁和/或保径区域的所述表面。因为保径区域的表面也通常没 有切削元件，(但是可以具有硬化的耐磨物质或覆盖物)这意味着它与钻孔 壁的沖击将导致大量磨损。
本发明设法改善以上描述的缺点。
发明内容
按照发明的一方面，提供用于转向钻井的钻头，其包括具有轴线的主 体，在工作时该主体围绕轴线旋转；切削面，在工作时，其在被切削的材料 表面上运动致使该材料被挖出或刮落；用于把钻头连接到旋转运动源的连接 装置，所述连接装置也能在钻头上施加力，以便其切削面#1推压在被切削的材料上；和保径区域，其具有大体上以旋转轴线为中心的圆形的截面，位于
所述切削面和所述连接装置中间，所述大体上圓形的截面的直径至少在其部
分长度上以从切削面的距离的函数按照非比例方式变化。
优选地，保径区域没有切削元件。这导致钻头稳定性增加。
有利地，保径区域被形成为具有连续的表面。这允许保径区域简单的整
体结构。
期望地，保径平行于旋转轴线的轮廓是弯曲的。 有利地，保径平行于旋转轴线的轮廓包括至少一个凹形的区域。 作为选择，保径平行于旋转轴线的轮廓包括至少一个凸形的区域。 作为进一步的选择，保径平行于旋转轴线的轮廓既包括凹形又包括凸形 区域。
作为选择，保径区域被形成为至少三个盘，该三个盘连接到主体上并沿 着旋转轴线间隔开，在所述盘之间存在凹痕部分。由于保径区域的表面面积 减少，使得钻头的重量减少并有利于钻头摩擦力的减少。
在保径区域由多个盘形成的情况下，至少一个盘的在工作时接触钻孔壁 的表面基本为平的并且与旋转轴线成一角度是期望的。这使得盘形成复杂的 轮廓。
作为选择，在保径区域由多个盘形成的情况下，至少一个盘的在工作时 接触钻孔壁的表面是弯曲的。这使得盘形成几乎任何轮廓。
优选地，在保径区域由多个盘形成的情况下，盘的直径和/或表面形状被 选择以便尽量模拟一连续表面的轮廓。
期望地，在工作时与钻孔壁接触的保径区域表面的平行于旋转轴线的轮 廓被选择为匹配产生的钻孔的曲率，同时把钻头用作定向钻井系统的一部 分。
有利地，至少所述保径环之一的直径可以改变。这种改变或者通过在钻
到促进。这将允许钻头工作特性的变化，包括但不限于在钻进时钻头最有效 的钻孔路径曲率。
优选地，在工作时与钻孔壁接触的保径区域一个表面或多个表面包括通 道，以允许离开切削面的切削材料的通过。这有助于方便切削材料从切削面 的离开并使得其能够从钻孔抽出。在保径区域由多个盘形成的情况下，通道
确保盘之间的空隙不会被碎屑堵塞。
该发明通过示例的方式参照附图进一步描述，其中
图1A-1B示出用于控制钻井中的钻头的现有技术的两个单独的例子的侧视图。
图2A-2C示出本发明的三个独立的实施例的侧视图。
图3示出本发明的另一个实施例的侧视图，包括保径区域的多个环。
图4示出本发明的其它实施例的侧视图，包括保径区域的多个环。
图5示出本发明的又一实施例的视侧图，包括保径区域的多个环。
图6-8是本发明实施例中的轮廓的示意图。
具体实施例方式
正如图1清楚地显示，各种钻头包括切削面10 (切削齿未显示)，在工 作时，切削面10在被切削的材料表面上运动致使该材料被挖出或刮落。马 达(未示出)通过轴或钻柱(也未示出)围绕轴线A-A旋转钻头，其中该 轴或钻柱通过附件连接器装置13连接到钻头的连接区域12。该轴(未显示) 也会在钻头上施加力，使切削面IO被推亚在被切削的材料上。在切削面10 和连接区域12中间的是保径区域14。连接区域内的台肩15把保径区域与附 件连接器13连接起来。保径区域14 一般偶尔接触被切削面10切削的钻孔 的侧面从而在作业中为钻头提供稳定性。保径区域14通常为圆形截面，在 特定实施例中不如切削面IO坚固，因此容易磨损。
已知钻头上的保径区域14或者具有大致闺绕旋转轴线A-A的均匀的 直径(未示出)，或者具有坡度使得直径16与从切削面10沿旋转轴线A-A 的距离成比例18变化以用于转向钻井。
图l所示的钻头具有问题，如果它们被包括在可转向的钻井系统(也就 是钻头的路径不是直线的)中，那么因为它们执行曲线路径，保径区域的部 分20将被推入钻孔壁中。这不但由于不必要的摩擦力而导致浪费能量，而 且也导致钻头变得不稳定而导致它转向。因为不希望保径区域以任何显著的 力被挤入被切削的材料中，所以在这些情况下将发生相当大的磨损，这可能 导致钻头在切削面10被磨坏之前就变得不稳定。
图2A、 2B和2C显示的本发明的三个单独的实施例也包括切削面10、 连接区域12和保径区域14。在每个例子中保径区域14具有弯曲的表面轮廓
凹形的(钟形的)22、凸形的24以及凹形的26和凸形的28两者的结合。 这些轮廓使得如果钻头执行弯曲钻井路径时部分保径区域被冲击进入钻孔 壁的可能性降到最小。这是由于这样一个事实每个都具有这样的保径区域， 该保径区域在钻头上与切削面相对的端部具有比切削面10小的直径。在保 径区域和连接区域之间也没有突出的边缘。这些特性导致可能被挤入钻孔壁 的钻头的部分20降到最小或被消除。
本发明的另一方面显示在图3、 4和5的实施例中。保径区域14不是如 图2A、 2B和2C显示的实施例中的钻头一样形成为连续的表面，保径区域 14可以包括三个盘30,其圆周边缘32、 34、 36组成保径区域表面，即该表 面当工作时接触钻孔壁。这些盘占据一定空间并被定位以形成由线38所表 示的离散部分的轮廓。这使得这些盘能够模拟具有连续表面的轮廓38的保 径区域14的效果。这些盘连接到中央的主体40。这些盘30可被移动并也可 以相对于主体40旋转，然而，在目前的实施例中它们是固定的。由于接触 钻孔壁的表面面积减少了，使得旋转钻头造成的摩擦力降低了，因此盘30 的使用降低了能量损失，而且盘30的使用还减少了制造钻头所需要的材料 的重量和成本。
最简单并且因此最便宜制造的环的形状是如图3所示的圆周边缘32平 行于钻头的旋转轴线A - A的形状。如果需要尽量模拟特定弯曲轮廓38,那 么平行且扁平的边缘32提供了对轮廓的差的近似。通过使用图4所示的锥 形边缘34而提供了改进，尽管轮廓可以通过使用弯曲轮廓边缘的盘36而精 确地遵循，如图5所示，在图5中盘的弯曲表面被放大了。
或者连续或者环形30表面的保径区域14钻头的轮廓38可以被选择以 便当钻头用作转向钻井系统的一部分时它能匹配钻孔的特定曲率。这样的钻 头在钻所述曲率的孔时尤其有效。
保径区域14表面可以此外包括多个大体轴向布置的通道42,这些通道 有助于保径表面和钻孔壁之间的钻屑离开切削边缘而通过。
应当意识到在本发明的范围内可以对装置进行多种改变。这样的改变 的例子包括但不限于使用不同数量的保径环，使用不同形状的中央主体，使 用不同切削面结构，把轴连接装置集成到保径区域中，使用不同的装置把钻 头连接到驱动轴上；使用保径环，其形状和直径可以或者机械地或通过更换 而改变，以改变钻头工作特性。
权利要求
1、一种钻头，包括具有旋转轴线的主体，工作时所述主体围绕所述旋转轴线旋转，切削面，在工作时所述工作面在被切削的材料的表面上运动，致使所述材料被挖出或刮落，在工作时用于把所述钻头连接到旋转运动源的连接装置，所述连接装置也能在所述钻头上施加力，以便其切削面被推压在所述被切削的材料上，保径区域，其具有大体上以旋转轴线为中心的圆形的截面，位于所述切削面和所述连接装置的中间，所述保径区域的直径以从切削面的距离的函数按照非比例方式变化。
2、 如权利要求l所述的钻头，其中，所述保径区域没有切削元件。
3、 如权利要求1或2所述的钻头，其中，所述保径区域平行于所述旋 转轴线的轮廓是弯曲的。
4、 如权利要求1至2任何一个所述的钻头 于所述旋转轴线的轮廓是凹形的。
5、 如权利要求1至2任何一个所述的钻头 于所述旋转轴线的轮廓是凸形的。
6、 如权利要求1至2任何一个所述的钻头 于所述旋转轴线的轮廓包括凹形和凸形区域。
7、 如权利要求l所述的钻头，其中，所述保径区域形成为连续表面。
8、 如权利要求l所述的钻头，其中，所述保径区域形成为至少三个盘， 所述至少三个盘连接到所述主体上并沿着所述旋转轴线间隔开。
9、 如权利要求8所述的钻头，其中，至少一个盘的在工作时接触钻孔 壁的表面平行于所述旋转轴线。
10、 如权利要求8所述的钻头，其中，至少一个盘的在工作时接触钻孔 壁的表面基本为平的并且与所述旋转轴线成一角度。
11、 如权利要求8所述的钻头，其中，至少一个盘的在工作时接触钻孔 壁的表面是弯曲的。
12、 如权利要求8至ll任何一个所述的钻头，其中，每个盘的直径和/ 或表面形状被选择为尽量模拟一连续表面的轮廓。，其中，所述保径区域平行 ,其中，所述保径区域平行 ，其中，所述保径区域平行
13、 如权利要求8至11任何一个所述的钻头，其中，至少一个盘是可移动的。
14、 如权利要求13所述的钻头，其中，所述至少一个盘被移走和更换 为不同直径和/或形状的盘，以便改变所述钻头的钻井特性。
15、 如权利要求8至11任何一个所述的钻头，其中，至少一个所述保 径区域的直径和/或形状在工作时可以被机械改变。
16、 如权利要求8至11任何一个所述的钻头，其中，至少一个盘能够 围绕所述主体旋转。
17、 如权利要求l所述的钻头，其中，在工作时与钻孔壁接触的保径区 域表面的平行于所述旋转轴线的轮廓被选择为匹配产生的钻孔的曲率，同时 所述钻头用作定向钻井系统的一部分。
18、 如权利要求l所述的钻头，其中，与钻孔壁接触的保径区域表面包 括通道，以允许离开所述切削面的切削材料通过。
全文摘要
本发明涉及一种钻头，其具有围绕轴线旋转的主体和用于移走岩石或类似物的切削面。钻头被旋转，因为其连接到钻柱并在切削面附近包括保径区域。保径区域(14)包括至少三个盘(30)，其半径从旋转轴线A-A垂直延伸。这些盘(30)沿着旋转轴线间隔开并布置在主体上，并且使圆周表面布置来使得盘被假想的立体圆锥部分的表面围绕，垂直于旋转轴线A-A的直径以从切削面(10)的距离的函数按照非比例的方式变化。
文档编号E21B10/00GK101349144SQ200810137728
公开日2009年1月21日 申请日期2008年7月18日 优先权日2007年7月18日
发明者杰夫·唐顿 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司