专利名称：具有成型嵌入件和压块的转动锥形钻头的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及在土下钻井所用的凿岩钻头和转动的锥形钻头的领域，具体地涉及具有锥形切削嵌入件、表面压块和/或有对应于所要求的井孔半径的成形切削部分的支撑臂嵌入件。
一种用来在土下形成井孔的钻头是一种转动锥形钻头。一般的转动锥形钻头包括一个其上端连接到一钻井套管上的主体。多个支撑臂、一般为三个，从本体的下端悬下来。各个支撑臂包括一相对本体的预定转动轴线径向向内和向下伸出的轴。各根轴上可安装一切削刀具锥体，该切削锥形可转动地支承在轴和切削刀具锥体形成的空腔内部之间的轴承上。经常在本体上靠近臂的底侧设置一个或多个喷嘴。设置这些喷嘴都是为了将从钻井套管向下流的钻孔流体引向要钻的井孔底部。钻孔流体将从井底去除的材料冲刷掉，并清洗切削刀具锥体，该切削刀具锥体带有在钻头本体和钻井臂之间的环状孔道中的径向向外和向上的切削刀。名为“具有改进的切削刀和密封保护件的转动钻头”的第5,452,771号美国专利和名为“组合式转动钻头”的第5,439,068号美国专利都揭示了可与本发明一起用的深孔钻头。
各个切削刀具锥体一般都包括许多用来形成钻头表面的嵌入件和/或磨削成的齿。由于切削刀具锥体和所用的钻头，而使穿透速度快、嵌入件或齿耐磨、不易断裂，并对冲击和组合载荷有最大的承受能力。在应用于深孔钻井时，压块都是压配到各个切削刀具锥体的测量面中。这些压块都在切削刀具锥体转动时协助切削井壁。
靠近各个切削刀具锥体的各个支撑臂外表面经常被称为“短尾部”或“短尾区”。该短尾区一般较薄，并且经常覆盖有一种硬质表面材料，以尽量减小磨损和腐蚀。多个嵌入件和/或压块可以被包含在硬质面层或与其相近处，以进一步使短尾区的腐蚀和磨损最小。
以前可购得的压块和嵌入件的切削部分经常包括一个平表面。某些压块和嵌入件包括一个具有半径与各个嵌入件的半径相等的拱形表面的切削部分。以前可购得的嵌入件和压块的切削部分还包括其它几何形状，如具有斜边的平表面和同时具有平表面和拱形表面的切削部分。
在美国专利第4,056,153、5,145,016和5,131,480中叙述了在切削刀具锥体的测量面中设置具有压块或嵌入件的转动锥形钻头的一些例子。美国专利第4,056,153号示出了在一转动锥形钻头上的切削刀具锥体的多排测量面压块。美国专利第5,145,016号和第5,131,480号都揭示了在一转动锥形钻头中的切削刀具锥体的测量面上有钻头嵌入件。美国专利第5,332,051号示出了一种金刚石凿岩钻头，该钻头具有金刚石嵌入件，该嵌入件有切削部分，该切削部分具有大约为所带的圆柱形嵌入件体半径六倍的较大拱形半径。各个以前的专利附在本发明中以作参考。
根据本发明，可基本上降低或避免与以前的用于凿岩钻头和转动锥形钻头的压块和嵌入件有关的缺点和问题。本发明一方面包括在压块和嵌入件上提供成形切削表面，以基本上加强在切削刀具锥体和支撑臂组件相应部位的耐腐蚀、耐擦伤和/或耐磨损的能力，从而增加所用的钻头钻深孔的时间。就一种应用而言，成形切削表面制成为大致圆柱形，其半径与所要钻成的井孔的半径相等。就另一种应用而言，成形切削表面制成拱形，其半径大致与所要钻成的井孔的半径相同。
本发明的一个方面包括一个具有嵌入件和压块的转动锥形钻头，它避免了为了使嵌入件和压块及钻头的相邻部分之间一致而采用附加的磨削或其它制造步骤。同样，根据本发明的技术，形成的压块和嵌入件基本上避免了或尽量使各个压块或嵌入件及钻头的相邻部分之间的孔隙最小。制造具有半径与钻成的井孔半径大致相等的切削部分的压块和嵌入件就基本上可减小或避免制造各个压块或嵌入件所用的任何多余材料。
本发明的技术特点包括提供一嵌入件或表面压块以防止在钻头外表面的相应部位的擦伤、磨损和/或腐蚀。根据本发明的各个要点制成的成形切削表面可将更多的耐磨损材料放置得与井孔的相邻部分相接触，同时避免邻近所用的压块或嵌入件的多余硬质材料和/或孔隙区。根据本发明的技术形成的成形切削表面可避免在将各个压块或嵌入件安装在所用钻头上的所需位置之后再磨削或从其上去除多余的材料。根据本发明的技术成形的切削表面可降低制造钻头所用的材料成本和机加工成本。这种成形切削表面还可以为各个压块或嵌入件提供更加均匀的负荷，并且基本上避免可能将各个压块或嵌入件从所用的支撑臂或切削刀具锥体中的开口或槽座拉出的侧向负荷。
参见以下结合附图所作的描述可以更全面地理解本发明，其中相同的标号指示相同的特征。其中，
图1是根据本发明的一个方面所构制成的一转动锥形钻头的立体图；图2是与井孔的底部和侧壁相接触的、图1中的转动锥形钻头的支撑臂和切削刀具锥体的部分剖面图；图3是沿着图2中的线3-3的局部剖面放大图，示出了本发明的测量面压块；图4A示出了按照本发明的一个方面，在一嵌入件上形成一拱形切削表面的断开的放大立体图；图4B示出了图4A中的嵌入件的侧视图，它更能反映出该嵌入件的实际形状和尺寸；图5A是一放大的立体图，图中部分部件删除，示出了根据本发明的另一方面形成在一嵌入件上的圆柱形切削表面；图5B是图5A中嵌入件的侧视图，它更能反映出该嵌入件的实际尺寸和形状；以及图6示出了根据本发明另一方面形成的另一个转动锥形钻头的立体图。
通过以下的图1-6将可更加理解本发明及其优点，图中相同的标号用于相同的或相应的零件。
图1示出了转动锥形钻头20，该钻头具有根据本发明的各个要点所构成的嵌入件70和90及表面压块50。当转动锥形钻头20由于装到其上的钻井套管的转动而绕井孔底部滚动时，其上的切削刀具锥体的凿孔、刮和/或切削作用而形成一个井孔。
转动锥形钻头20包括一钻头本体22，该主体具有要固定到钻井套管下端的一带外螺纹的锥形上段24。转动锥形钻头20包括支撑臂和切削刀具锥体组件26，该组件从钻头本体22向下延伸。各个支撑臂和切削刀具锥体组件26还包括支撑臂28和切削刀具锥体30。
各个切削刀具锥体30包括许多设置在各个切削刀具锥体30的测量面62中的压块50。就图1，2和3中所示的实施例而言，各个切削刀具锥体30还包括多个嵌入件36，在转动锥形钻头20的转动过程中，该嵌入件挖掘和刮挖井孔100的底部104。本发明另一个实施例的切削刀具锥体用磨削过的齿代替嵌入件36。本发明的要点对于这些实施是相同的。
如图1和2所示的，当钻井套管施加一深孔力时，利用压块50和嵌入件36，转动锥形钻头20抓挖和切削或掘挖井孔100的侧壁102和底部104。在井孔中所产生的碎屑由从钻头本体22伸出的喷嘴38中喷出的钻孔流体从井孔100底部104带出。钻孔流体一般径向向外地在钻头本体22的下侧和井孔100的底部104之间流动。钻孔流体然后通过部分地由转动锥形钻头20的外部和井孔100的侧壁102形成的环道106向上朝井面(未示)流动。
图2示出了图1中的转动锥形钻头20所带有一个支撑臂和切削刀具锥体组件26的剖面图。转动锥形钻头20较佳地具有三个支撑臂和切削刀具锥体组件26，本文中仅对其中的一个作详细的描述。
支撑臂28包括向下和向内伸的轴40。切削刀具锥体30一般包括圆柱形的腔室42，其尺寸可将各个轴40容纳在其中。转动轴承或衬套44和45位于轴40的外部和腔室42的内部之间，以使切削刀具锥体30和各个轴40之间转动配合。止推轴承或止推块46也可设在腔室42中，以使各个切削刀具锥体30转动地安装在其各自的轴40上。先前已有多种转动轴承和/或止推轴承用在深孔钻头上。除了图2中所示的转动轴承44和45及止推轴承46以外，本发明还可令入满意地与很多种具有多种轴承支撑系统的支撑臂和切削刀具锥体组件一起使用。
切削刀具锥体30由多个滚珠轴承48保持在其各自的轴40上，这些轴承都通过一个滚珠通道(未示)嵌入轴40中。滚珠轴承48都设置在轴40和腔室42的相邻部分之间的环道中。一旦嵌入，滚珠轴承48就可防止切削刀具锥体30从其各自的轴40中脱离。
各个切削刀具锥体30包括基部52，它具有从其上伸出的锥形壳或末端54。开口56形成在基部52中，并且腔室42从其中伸出，用来将切削刀具锥体30安装在各自的轴40上。嵌入件36设置在锥形壳或末端54的外部的对应插座58中。根据所制成的转动锥形钻头20所要应用的钻孔情况，与末端54一起可使用多种嵌入件和压块。
图2所示的切削刀具锥体30包括交替的多排嵌入件36和槽60，它们相互合作以抓挖和挖掘井孔100底部104。切削刀具锥体30的基部52一般为截头锥形，该截头锥形的角度方向与末端54角度方向相反。背面或测量面62形成基部52的一部分。背面62还经常称为测量面，因为所产生的井孔100的内径必需对应于由转动锥形钻头20的三个切削刀具锥体30的背面或测量面62的合成尺寸所确定的外径。
为了图示清楚，在图2和3中测量面62和井孔100相邻侧壁102之间示出了一条间隙。在很多深孔钻井过程中，测量面62都是与侧壁102紧密接触的。
多个孔64形成在测量面62中。选择各个孔64的尺寸以便将各个表面压块压配合在其中。各个切削刀具锥体30包括相应数量的压块50，它们分别设置在各测量面62上所形成的多个孔64中。如下文中将详细描述的，各个压块50包括成形切削部分66，其半径必需与所需钻成的井孔100的半径相等。
根据深孔钻井的情况，尤其是斜孔或水平井孔，还需要将一个或多个嵌入件放在转动锥形钻头20的外部，在深井钻孔过程中，它们与井孔部分接触。例如，所示的多个嵌入件70与作为短尾部72的部分的支撑臂26的引导边相邻。靠近与喷嘴38出口相邻的上部支撑臂28的引导边还示了多个嵌入件90。嵌入件70和90较佳地放在邻近各自的支撑臂28的引导边处，以使腐蚀、磨损和擦伤程度最小，这些不利的作用是由于环道106中的钻孔流体和井孔碎屑的混合流动所造成的。
为了定义的目的，位于喷嘴38下方的支撑臂28的外下部经常被称为短尾表面或简称为短尾。具体地，短尾部分72是指很靠近支撑臂28的外表面与轴40的连接处。当用转动锥形钻头20钻孔时，碎屑经常在各个测量面62和井孔100的侧壁102之间通过，并与该区域中的井孔环道106相通。因此，在钻头28转动方向上引导的各个支撑臂28上的短尾部分72的边缘经常受腐蚀和/或擦伤。在装配在短尾部72中的嵌入件70将从基本上使这种腐蚀和/或擦伤降至最小。
嵌入件70和90相互间基本上相同。另外，根据预先考虑的深孔钻孔情况，嵌入件70和90可同时改变几何形状和材料成分。本发明的一个有利之处在于具有在改变制成压块50和嵌入件70、90所用的材料种类的同时，改变诸如长度和直径等尺寸的能力，以使转动锥形钻头钻深孔的性能达到最佳。
为清楚地图示出本发明另外一些实施例，对图4A和4B所示的压块50、图5A和5B所示的压块150将作详细讨论。嵌入件70和90可根据本发明对压块50和150所述的要点来设置。
为了说明，图4A和4B以及5A和5B示出了压块50和150，并用相同材料制成。根据钻深孔的情况，压块50和150可具有各自由一种材料制成主体部分68和168，以及各自由不同材料制成的切削部分66和166。
在一些钻深孔的情况下，压块50和150以及嵌入件70和90可由碳化钨制成。在本发明中，“碳化钨”一词包括碳化钨(WC)、碳化二钨(W2C)、粗晶碳化钨和渗碳或烧结碳化钨。烧结碳化钨一般通过将碳化钨和钴粉末的混合物压制成一压坯而制造。还可包括多种钴合金粉末。然后压坯在接近钴熔点的温度下烧结，以形成致密的烧结碳化钨。
和嵌入件70和90一起的压块50和150可由很多种硬质材料制成，包括多种金属合金和金属陶瓷，如金属硼化物、金属碳化物、金属氧化物和金属氮化物。本发明的一个重要特征包括选择硬质材料的能力，它将以一个低成本、可靠性高的方式提供所需的耐腐蚀、耐磨损和耐擦伤能力。
压块50具有如切削部分66的拱形成形切削表面。压块150包括如切削部分166的圆柱形切削表面。拱形部分66的半径和圆柱形部分166的半径都有必要选得与所需钻成的井孔100的半径相等。由于形成具有此半径的切削部分66和166，各个压块50和150外部及相邻测量面62之间的空隙可从根本上减小或消除。同样，由于切削部分66和166具有与所要钻成的井孔100半径相等的半径，故在将压块50和150安装在测量面62中的其各自的开口中之后不再需要额外的机加工。当转动锥形钻头20用来形成井孔100时，切削部分66和166与井孔100的侧壁102相接触。
分别示出在图4A和4B及5A和5B中的本体部分68和168都为大体上平滑的圆柱形。在一些应用场合下，当压配到各个孔64中时，它可较佳地在压块50和/或150外部形成一滚花表面(未示)，来提高各个压块50和150的啮合性能。
当大体上呈圆柱形的成形切削表面166形成在压块150和/或嵌入件70和90上时，可以最好使所制成的压块或嵌入件相应于转动锥形钻头20的转动方向定向。当在压块50和/或嵌入件70和90上使用拱形成形切削表面66时，可安装制成的压块或嵌入件，而不需相对转动锥形钻头20的转动方向定向。还有，本发明的一个有利之处包括根据预先考虑的深孔钻井情况选择一成形切削表面的能力，可优化操作性能。
在本发明的一些实施例中，压块50，150和嵌入件70和90可包括一本体部分和一切削部分，它们都由相同类型的多晶体金刚石材料制成。本发明的另一些实施例中，压块50、150和嵌入件70和90可包括由碳化钨制成的本体部分和由多晶体金刚石材料制成的切削部分。
切削部分66和166具有与井孔所需半径近似相等的半径，减小了或使各个切削部分66和166的不均匀磨损降至最小。具有半径与井孔所需半径相等的切削部分的压块50、150和嵌入件70和90延长了压块或嵌入件的钻孔寿命，它同时增加了转动锥形钻头20可用于钻孔的时间。同样的，切削部分66和166具有与所需井孔半径相等的半径，就不需形成具有多余材料的切削部分66和166，此多余材料随后要机加工去除。当切削部分66和166是由多晶体金刚石材料制成时，可以很显著地节约成本。
嵌入件70和90的取向可以改变，防止所用的支撑臂28外部和侧壁102之间的不必要接触。根据钻头的几何形状和深孔方向，安装在各个支撑臂28外部内的嵌入件70和90可以或不可以碰撞在所产生的井孔100的侧壁102上。为了适应于深孔钻孔环境，压块50和150以及嵌入件70和90可以是错开的或不均匀间隔的。同样，各个压块50和150和嵌入件70和90的尺寸和各个成形部分的厚度可适应于深孔钻孔情况而改变。
图6示出了根据本发明的各个要点制成的具有表面压块50和嵌入件70的转动锥形钻头120。该转动锥形钻头120包括钻头本体122，该本体122具有用来固定到钻井套管100下端的锥形带外螺纹的上段24。转动锥形钻头120包括三个支撑臂和切削刀具锥体组件126，这些组件从钻头本体122向下伸出。各个支撑臂和切削刀具锥体组件126包括支撑臂128和切削刀具锥体30。转动锥形钻头120可根据名为“组合式转动钻头”的美国专利5,439,608和名为“具有加强流体返回区域的凿岩钻头”的美国专利5,439,067的要点制成。
在一些应用场合下，相同的切削刀具锥体30可用于钻头20和钻头120。切削刀具锥体30的特殊类形和尺寸将取决于深孔钻孔情况和所制成的井孔100的所需内径。在图6所示的实施例中，支撑臂128包括用来将切削产物从井孔100底部提出或除去的斜面。多个嵌入件70较佳地安装在很接近斜面130边缘的各个支撑臂128外部。因此嵌入件70使斜面130的磨损、擦伤和/或腐蚀降至最小。嵌入件70可以和上面叙述的关于转动锥形钻头20的嵌入件基本一样地制成。
本发明的技术优点包括可将压块安装在一切削刀具锥体的测量面中，而不需要压块在测量面内相对切削刀具锥体和/或关联的转动锥形钻头的转动方向定向。本发明的另一个技术优点包括带有一成形切削表面的压块和嵌入件，该切削表面的半径基本与关联的转动锥形钻头所形成的井孔半径相等。
虽然以上已对本发明作了详细描述，但应当理解，不脱离本文所附的权利要求中所限定的本发明的精神和范围，还可作出多种变化、替换和变形。
权利要求
1.一种形成具有所需半径的井孔的转动锥形钻头，所述钻头包括一钻头本体，它具有连接到一钻井套管的、以使钻头本体转动的一上端；许多呈角度隔开的支撑臂，它们形成在钻头本体上、并从其上悬出，各个支撑臂具有一内表面，该内表面具有连接到其上的轴；各个支撑臂具有与各个轴相对的一短尾部分；各个轴具有连接到各个内表面上的大致圆柱形的上端部，所述轴从其上大体向下和向内突出；多个与支撑臂数量相等的切削刀具锥体，各个切削刀具锥体可转动地安装在一轴上；各个切削刀具锥体包括一大致圆柱形的腔室，用来容纳各轴；各个切削刀具锥体具有一测量面，具有形成在各个测量面上的多个孔；相应数量的压块，它们分别设置在各个测量面上的多个孔之中；各个压块具有从各个测量面伸出的一切削部分；以及各个切削部分的半径基本上与所需形成的井孔半径相等。
2.如权利要求1所述的转动锥形钻头，其特征在于，所述各个压块的切削部分呈大致圆柱形，其半径基本上与所需钻成的井孔半径相等。
3.如权利要求1所述的转动锥形钻头，其特征在于，各个压块的切削部分呈大致拱形，其半径基本上与所需钻成的井孔半径相等。
4.如权利要求1所述的转动锥形钻头，其特征在于，各个压块由碳化钨合金制成。
5.如权利要求1所述的转动锥形钻头，其特征在于，还包括多个形成在各个支撑臂的短尾部分的孔；多个分别设置在短尾部分的多个孔中的嵌入件；各个嵌入件具有分别从短尾部分伸出的一切削部分；以及各个切削部分具有基本与所需钻成的井孔半径相等的半径。
6.如权利要求5所述的转动锥形钻头，其特征在于，各个嵌入件的切削部分呈大致圆柱形，其半径基本上与所需钻成的井孔半径相等。
7.如权利要求5所述的转动锥形钻头，其特征在于，所述嵌入件的切削部分呈大致拱形，其半径与所需钻成的井孔半径相等。
8.如权利要求5所述的转动锥形钻头，其特征在于，各个嵌入件由碳化钨合金制成。
9.如权利要求1所述的转动锥形钻头，其特征在于，各个切削刀具锥体还包括一大致锥形切削刀具锥体，它具有一基部，其上有一通向形成在其中的腔室的开口，以及一从开口指向腔室的鼻部；测量面形成为各个切削刀具锥体的基部的一部分；以及各个压块的切削部分大体上为圆柱形，其半径基本上与所需钻成的井孔半径相等。
10.如权利要求1所述的转动锥形钻头，其特征在于，各个切削刀具锥体还包括一大致锥形的切削刀具锥体，具有一基部，其上有一通向形成在其中的腔室的开口，以及一从开口指向腔室的鼻部；测量面形成为各个切削刀具锥体的基部的一部分；以及各个压块的切削部分大体上为拱形，其半径基本上与所需钻成的井孔半径相等。
11.一种形成所需半径的井孔的转动锥形钻头，所述钻头包括一钻头本体，它具有连接到一钻井套管的、以转动钻头本体的一上端；许多呈角度隔开的支撑臂，它们形成在钻头主体上、并从其上悬出，各个支撑臂具有一内表面，该内表面具有连接到其上的轴；各个轴具有连接到各个内表面上的大体圆柱形的上端部，所述轴从其上大体上向下和向内突出；多个与支撑臂数量相等的切削刀具锥体，各个切削刀具锥体可转动地安装一轴上；各个切削刀具锥体包括一大体圆柱形的腔室，用来容纳各轴；各个支撑臂具有与各轴相对的一短尾部分；多个孔形成在各支撑臂的短尾部分；相应数量的嵌入件分别设置在短尾部分中的多个孔中；各个嵌入件具有从各个短尾部分伸出的一切削部分；以及各个切削部分的半径与所需钻成的井孔半径基本相等。
12.如权利要求11所述的转动锥形钻头，其特征在于，各个嵌入件的切削部分大体上呈圆柱形，其半径基本上与所需钻成的井孔半径相等。
13.如权利要求11所述的转动锥形钻头，其特征在于，各个嵌入件的切削部分大体上呈拱形，其半径基本上与所需钻成的井孔半径相等。
14.如权利要求11所述的转动锥形钻头，其特征在于，各个嵌入件由碳化钨合金制成。
15.如权利要求11所述的转动锥形钻头，其特征在于，各个嵌入件部分还包括局部由多晶体金刚石制成的切削部分
16.一种形成具有所需半径井孔的转动锥形钻头，所述钻头包括一钻头本体，它具有连接到一钻井套管的、以转动钻头本体的一上端；许多呈角度隔开的支撑臂，它们形成在钻头本体、并从其上悬出，各个支撑臂具有一内表面，该内表面具有连接到其上的轴；各个轴具有连接到各个内表面上的大体圆柱形的上端部，所述轴从其上大体上向下和向内突出；多个与支撑臂数量相等的切削刀具锥体，各个切削刀具锥体可转动地安装在一个轴上；各个切削刀具锥体包括一大致圆柱形的腔室，用来容纳各轴；各个支撑臂具有与各轴相对的一短尾部分；形成在各个支撑臂上的外表面从各个短尾部分向上延伸；多个孔形成在各支撑臂的短尾部分上部的外表面上；相应数量的嵌入件分别设置在外表面上的多个孔中；各个嵌入件具有从各个外表面伸出的一切削部分；以及各个切削部分的半径与所需钻成的井孔半径基本相等。
17.如权利要求16所述的转动锥形钻头，其特征在于，各个嵌入件的切削部分大体为圆柱形，其半径基本与所需钻成的井孔半径相等。
18.如权利要求16所述的转动锥形钻头，其特征在于，各个嵌入件的切削部分大体呈拱形，其半径基本与所需制成的井孔半径相等。
19.如权利要求16所述的转动锥形钻头，其特征在于，各个嵌入件由碳化钨合金制成。
20.如权利要求16所述的转动锥形钻头，其特征在于，各个嵌入件还包括局部由多晶体金刚石制成的切削部分。
21.如权利要求1所述的转动锥形钻头，其特征在于，各个压块还包括局部由多晶体金刚石制成的切削部分。
22.如权利要求5所述的转动锥形钻头，其特征在于，各个嵌入件还包括局部由多晶体金刚石制成的切削部分。
全文摘要
一种具有成型切削部分(66，166，72，92)的嵌入件(70，90)和压块(50，150)的转动锥形钻头(20，120)。该钻头包括具有至少一个终止在一轴(40)上的向下伸的臂(26和126)的一钻头本体(26，126)。具有一测量面(62)以及其中形成多个孔(64)的一切削刀具锥体(30)可转动地安装在各轴(40)上。具有半径与所需钻成的井孔(100)半径近似相等的切削部分(66和166)的压块(50和150)压配到测量面(62)的各个孔(64)中。许多嵌入件(70和90)还安装在各个支撑臂(28)的外部。嵌入件(70和90)具有一成型切削表面，其半径与所需钻成的井孔(100)半径接近相等。压块(50和150)和嵌入件(70和90)上的成型切削部分是拱形的或是圆柱形的。
文档编号E21B10/08GK1163979SQ9710233
公开日1997年11月5日 申请日期1997年1月22日 优先权日1997年1月22日
发明者迈克尔·B·考福德 申请人:德莱塞工业股份有限公司