专利名称：用于旋转式钻头的分流环及其方法
技术领域：
本发明一般涉及在地上钻孔的旋转式钻头，而特别涉及一种旋转式锥形钻头，它具有用来增强该旋转式锥形钻头的密封保护的分流环。
本发明的技术背景一种用于在地上钻孔的钻头是牙轮锥形钻头。一种典型的牙轮锥形钻头包括一钻头体，它具有一可连接在钻杆上的上端。在钻头体的下部悬置着许多支承臂，一般有三个，每一支承臂具有一心轴，该心轴相对钻头体的伸长的转动轴线径向向内向下突出。切割锥体通常安装在各心轴上，并由在心轴和各切割锥体内接纳心轴的空腔内壁之间的轴承可转动地支承。通常，在钻头体的外侧形成有一个或几个流体喷嘴。这些喷嘴被安装成可引导钻孔流体自钻杆向下流入被钻探的钻孔的底部。钻孔流体冲走与钻孔底部分离的东西并清洗切割锥体，然后携带着切屑和其它碎片径向向外移动，再在钻头体和钻孔壁之间形成的环形空间里向上移动。
保护允许切割锥体转动的轴承免受钻孔碎片的侵蚀可延长钻头的使用寿命。一旦让钻孔碎片进入切割钻头和心轴之间的支承表面，将很快使钻头失效。至今已经有许多机构被用来防止碎片进入该支承表面之间。
一种传统的方法是将一弹性体密封件置于在各切割钻头及其对应的支承臂心轴的支承表面之间的间隙里。然而，由于切屑进入密封区产生的磨损将使密封失效。一旦密封失效，用不了多久，切屑就会通过切割锥体及其对应的心轴之间的间隙弄污该支承表面。这样，使各密封件也能防止由钻孔里的切屑引起的磨损是非常重要的。
本发明的简要说明按照本发明，与现有技术中的岩石钻头和旋转式锥形钻头有关的缺点和问题已基本上被减少和限制。本发明的一个方面包括将磨削物流和颗粒移离密封表面。因此，本发明给相关的钻头提供增强的防腐蚀能力和较长的井下钻进时间。本发明的另一方面包括提供一分流环，它包括一圆盘和在其上延伸的肋，以便将磨削下来的切屑和其它碎片移离密封表面。在某些情况下，肋形成于分流环的的各侧面上。而在另一种情况下，分流环可只在一个侧面上有肋。使用按照本发明介绍的分流环将显著地减少和较好地保护在各切割锥体和与其对应的支承臂和心轴之间形成的间隙，从而免受井下流体和钻孔碎片的腐蚀。
本发明的还有一个方面包括给旋转式锥形钻头的支承臂和切割锥体组件提供更好的密封保护。在一种应用里，各支承臂可一体形成有相关的钻头体，并具有内表面、外表面和底缘。各支承臂的内表面和外表面在底缘处邻接。一心轴固定在各内表面上，且相对各支承臂向下倾斜。支承臂和切割锥体组件还包括一具有一空腔的切割锥体，该空腔具有一接纳对应的心轴的开口。各支承臂和切割锥体组件还包括一密封件，以便在空腔内侧和心轴外侧之间形成的间隙里形成一流体障碍。各间隙也有一与对应的支承臂的底缘邻接的开口，并连通在钻头外部的任何流体或碎片。一分流环置于各心轴的外面并靠近对应的内表面，而且位于对应的间隙的开口处。该分流环包括一圆盘，而该圆盘具有许多在其上延伸的肋，以便将磨削物流移离该间隙。
附图的简要说明为了更全面地了解本发明及其优点，现在参看下面结合附图的描述，附图中
图1是安装着按照本发明的分流环的旋转式锥形钻头的等角图；图2是显示与图1中的旋转式锥形钻头有关的支承臂和切割锥体组件的剖视图；图3是显示图2中的支承臂和切割锥体组件的一部分的放大剖视图；图4是显示本发明的分流环的一实施例的立体图；图5是图4中的分流环的俯视图；以及图6是显示本发明的分流环的另一实施例的俯视图。
本发明的详细说明通过参看附图中的图1-6可以更好地了解本发明的较佳实施例及其优点，在所有的附图中，相同的标号表示相同的和对应的零件。
为了描述起见，图1显示了本发明的一个实施例，它由用来在地上钻孔的旋转式锥形钻头10表示。旋转式锥形钻头10有时候可叫做“旋转式牙轮钻头”。对旋转式锥形钻头10来说，当安装着钻头10的钻杆(未画出)转动而使锥形割刀12在钻孔的底部滚动时，发生切割作用。切割锥体12有时候可叫做“旋转式切割锥体”或“牙轮切割锥体”或“锥形割刀”。
如图1所示，切割锥体12包括由凹槽14形成的切削刃和突出的嵌入物16，它们在钻杆施加的重量的作用下铲刮和切削钻孔的侧面和底部的。由此产生的钻孔碎片通过在钻头10的侧面20上的喷嘴18喷射的钻孔流体被带离钻孔的底部。携带碎片的流体通常在钻头10的侧面20和钻孔底部之间径向向外流动，然后，通过由钻头10的外周和钻孔的内壁(未画出)形成的环形空间向上流向井口(未画出)。
旋转式锥形钻头10包括一扩大的钻头体22，它带有锥形的、外面有螺纹的、可固定在一钻杆的下端上的上部21。钻头体22上悬置着三个支承臂24。图1只显示了两个支承臂24。各支承臂24较佳的是包括内表面26，心轴28自其上延伸。参看图2和3。
各支承臂24的下部较佳的是包括一外表面或下摆面30。内表面26和下摆面30在各支承臂24的底缘32处互相连接。心轴28较佳的是相对钻头体22的纵轴线23向下向内倾斜，这样，当钻头10转动时，各切割锥体12的外部与钻孔的底部接触。在某些场合，心轴28也可沿钻头10的转动方向倾斜0到3或4度的角。
除了嵌入物16的各种排列型式外，各切割锥体12可以基本相同的方式制成并安装在与其相关的心轴28上。因此，只要详细描述一个支承臂24和切割锥体12就可以了，因为相同的描述可适用于其它的支承臂和切割锥体组件。
如图2和3所示，嵌入物16安装在插座17里，而插座17形成于切割锥体的本体34上。切割锥体的本体34包括基部36和从其上延伸的突出部38。基部36较佳的是包括背面40，它相对于心轴28的中心轴线29径向延伸。当切割锥体12安装在心轴28上时，背面40将与支承臂24上内表面26的相邻部分平行对齐。在大多数场合，如图1所示，在基座36上设置压入的嵌入物和/或表面压块41，以降低或防止对各切割锥体12的腐蚀和磨损。
从背面40向内敞开的是一圆柱形空腔42，以便接纳心轴28。一适当的轴承44安装在切割锥体12上。一传统的滚珠保持系统50将切割锥体12固定在心轴28上。
在图2所示的实施例里，支承臂24包括润滑油腔90、润滑油压力补偿系统92和润滑油管道94，以便提供所需的润滑油给与切割锥体12和心轴28有关的各种零件。在心轴28里可设置一个或几个通道(未画出)，以便提供润滑油给滚珠护圈51、轴承44和/或(如准备在井下条件下使用而设置的)密封件54。可在空腔42里设置止推座95，以便与心轴28的最外端接触。如果准备用于特别深的孔，也可给止推座95提供润滑油。本发明的分流环可用于各种各样的、具有各种类型的润滑系统的、包括与气动钻孔有关的系统的支承臂和切割锥体组件。本发明不止用于具有如图2所示的润滑系统的支承臂和切割锥体组件。
滚珠保持系统50包括滚珠通道96。通过滚珠通道96插入许多滚珠轴承51可将切割锥体12安装在心轴28上。滚珠轴承51以环形排列的方式分别跨接在互相有关的形成于心轴28外部的滚珠槽97和形成于空腔42内部的滚珠槽99上。一旦插入后，滚珠轴承51可防止切割锥体12与心轴28分离。然后利用传统的方法在滚珠通道96里塞入塞子98。同样的，本发明的增强的下摆和密封保护作用也可用于各种各样的支承臂和切割锥体组件，而并不止用于具有如图2所示的滚珠保持系统50的支承臂和切割锥体组件。
心轴28具有大致是圆柱形的外表面，而空腔42具有大致是圆柱形的内表面。为了让切割锥体12可转动地安装在心轴28上，心轴28的外径小于空腔42上的邻接部分的内径。这样，在心轴28的外部和空腔42的内部之间形成一大致为圆柱形的间隙。心轴28和空腔42的相邻表面、诸如轴承表面46和48及滚珠槽97和99限定由此形成的间隙的各部分。如图3所示，间隙的外部分52在切割锥体的本体34的背面40和在支承臂24上的内表面26的相邻部分之间自心轴28的外部径向向外延伸。
如图3所示，轴承44置于心轴28的外表面48和空腔42的内表面46之间的间隙内。密封件54置于心轴28的外部和空腔42的内部之间与轴承44轴向间隔的位置上。密封件54还位于外部分52和轴承44之间的间隙里，以保持轴承润滑油和防止井内流体和落在井下的碎片与轴承表面46和48接触，而这种接触会危及这些表面和/或轴承44，最终导致钻头10失效。
分流环60环绕着心轴28设置在环形凹槽55里，该凹槽位于内表面26和背面40之间。在分流环60和背面40之间及分流环60和内表面26之间有余隙66。如下面将要详细描述的，在钻井过程中，分流环60迫使或“泵送”切屑和其它碎片离开密封件54。结果，本发明的分流环60可延长密封件54的使用寿命，从而延长钻头10的使用寿命。
如图4和5所示，分流环60是一扁平的圆盘70，它具有一系列从第一侧面74和相反的第二侧面76上突出的肋72。分流环60的内径78略大于心轴28的部分79的外径。分流环60的外径80可根据本发明的介绍来选择，使其小于切割锥体的本体34的直径，以便与环形凹槽55适配。因此，分流环60可相对支承臂24的内表面26和切割锥体的本体34的环形凹槽55、环绕心轴28自由转动。
图2、3和4所示实施例的一个显著特征是分流环60可相对支承臂24的内表面26和切割锥体的本体34的环形凹槽55转动。通过控制余隙66的大小可实现相对转动，而控制余隙66的大小是通过确定分流环60的厚度和环形凹槽55的厚度实现的。结果，当启动钻杆时，旋转式钻头10环绕着心轴28转动，分流环60以大于支承臂24内表面26(它不转动)和小于切割锥体的本体34转动的速度环绕着心轴28转动。这样，分流环60相对支承臂24的内表面26和在切割锥体的本体34的背面40上的环形凹槽55转动。
对于图2和3所示的实施例来说，余隙66大约是千分之5英寸。圆盘70和在其各侧上的肋72分别具有约千分之50英寸的厚度。本发明允许使用适当的制造技术，以便将余隙66的尺寸严格地控制在非常精密的公差范围内。然而，分流环60的尺寸可改变，以便在优化相关的钻头10的井下工作性能的同时将制造成本降至最低。例如，根据所使用的钻头10的尺寸，分流环60的厚度基本上可根据需要减少或增加。
如图5所示。在分流环60第一侧面74上的、即面向支承臂24的内表面26的肋72较佳的是向离开分流环60转动方向的方向成15和75度之间的角(当从分流环60的内径78处的半径82处测量时)。在钻井过程中，第一侧面74上的肋72迫使切屑和其它碎片移向余隙外，从而离开密封件54。在分流环60第二侧面76上的、即面向切割锥体34背面40上的环形凹槽55的肋72向朝向分流环60转动方向的方向成15和75之间的角(当从分流环60的内径78处的半径82处测量时)。在第二侧面76上的肋72与在第一侧面74上的肋72的角度方向相反，因为切割锥体的本体34比分流环60转动快。因此，在钻孔过程中，通过切割锥体的本体34的转动使切屑和碎片推斥在第二侧面76上的肋72的后侧，然后被强制沿着该后侧向余隙外移动，最终离开密封件54。
在某些应用里，可在分流环60第一侧面74上的肋72的内端上形成倒角面84。倒角面84可在分流环60和心轴28的基座之间提供间隙。
对于图2和3所示的本发明的实施例来说，凹槽56形成于空腔42里，并与背面40轴向隔开。这种结构提供了在密封件54和分流环60之间的凸缘86。凸缘86可防止密封件54与分流环60有关的硬的磨削下来的东西接触，从而延长密封件54的井下使用寿命。
由于分流环60是一独立元件，因此可使用各种各样的材料和制造技术来制造分流环60。分流环60较佳的是由渗氮离子的或渗硼的普通钢制成，以防止腐蚀。分流环60也可由复合材料形成，并包括具有比现有技术中的支承臂和切割锥体组件更高硬度的、不可热处理的硬金属成分。
在如图6所示的第二实施例里，分流环90基本上与上面介绍的分流环60相同，除了肋92是环形的之外，这样可提供逐渐变化的斜率，从而迫使切屑和其它碎片离开余隙并离开密封件54。
在另一实施例里，分流环60可只包括在一个侧面上的肋72。例如，分流环60可只包括在第一侧面74上的肋72。在这个实施例里，第二侧面76与切割锥体的本体34上的环形凹槽55结合。因此，碎片不能在分流环60和切割锥体的本体34之间通过。使分流环60与支承臂或本体34结合的方法可包括对肋72施力以抵顶另一表面的装置。该施力器可是一O形环，橡胶垫圈或金属弹簧。分流环60直接随切割锥体的本体34转动。在第一侧面74上的肋72迫使切屑和其它碎片向间隙外移动，从而离开密封件54。此外，分流环60也可只包括在第二侧面76上的肋72。在该实施例里，第一侧面74与支承臂24的内表面26结合。因此，切屑不能在分流环60和支承臂24之间通过。分流环60不转动。切割锥体的本体34的转动迫使切屑和碎片推斥在第二侧面76上的肋72的后侧，然后向间隙外移动，最终离开密封件54。
虽然详细地描述了本发明及其优点，但应该明白，在不脱离由附后的权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，还可有许多变化，更改和替换。
权利要求
1．一种在地上钻孔的旋转式锥形钻头，所示钻头包括一钻头体，它带有一可连接在一钻杆上的上部，以便环绕着钻头体的纵轴线转动；诸成角度间隔的支承臂，它们与钻头体一体形成并悬置在其上，各支承臂具有一内表面和一外表面，一心轴连接在所述内表面上；各心轴相对钻头体的纵轴线向下向内突出，并具有连接在对应的支承臂内表面上的圆柱形上端部；诸数量上与支承臂相等的切割锥体，它们分别安装在对应的心轴上；各切割锥体包括一在内部的、圆柱形的、接纳对应的心轴的空腔；一在各心轴外侧和各空腔内侧之间形成的圆柱形间隙，该间隙具有一自心轴外侧径向向外延伸并与外表面相交的外部分，以形成一开口；一置于各心轴的外侧和各空腔的内侧之间的间隙里轴承件；一置于各间隙里的、在各心轴外侧和各空腔内侧之间的间隙处形成密封的密封件；其特征在于，还包括一分流环，它置于各心轴外侧并靠近对应的内表面，而且位于对应的间隙的开口内，该分流环包括一圆盘；以及诸肋，它们在该圆盘上延伸，以便将磨削物流移离该间隙。
2．如权利要求1所述的钻头，其特征在于，分流环置于支承臂内表面的附近。
3．如权利要求1所述的钻头，其特征在于，分流环还包括面向支承臂内表面的第一侧面；面向切割锥体的第二侧面；其中，诸肋在圆盘的第一侧面和相对的第二侧面上延伸；以及分流环可环绕着心轴转动。
4．如权利要求3所述的钻头，其特征在于，还包括在分流环和在支承臂内表面和切割锥体之间形成的一区域之间的余隙，分流环以比对应的切割锥体慢的速度转动。
5．如权利要求3所述的钻头，其特征在于，当从分流环内径的一半径处测量时，在分流环第一侧面上的肋向离开分流环转动方向的方向倾斜。
6．如权利要求3所述的钻头，其特征在于，当从分流环内径的一半径处测量时，在分流环第二侧面上的肋向朝向分流环转动方向的方向倾斜。
7．如权利要求3所述的钻头，其特征在于，还包括一形成于分流环内端上的倒角或半径。
8．如权利要求1所述的钻头，其特征在于，还包括一在分流环和密封件之间的凸缘，该凸缘可防止密封件受分流环转动的影响。
9．如权利要求1所述的钻头，其特征在于，诸肋只在分流环的第一侧面上延伸，分流环上的相反的第二侧面与切割锥体结合，以防止磨削物流在其间流动，由此使分流环随切割锥体转动。
10．如权利要求9所述的钻头，其特征在于，当从分流环内径的一半径处测量时，在分流环第一侧面上的肋向离开分流环转动方向的方向倾斜。
11．如权利要求9所述的钻头，其特征在于，还包括一形成于分流环内端上的倒角或半径。
12．如权利要求1所述的钻头，其特征在于，诸肋只在分流环的第二侧面上延伸，分流环的第一侧面与支承臂内表面结合，以防止磨削物流在其间流动，由此分流环不可转动。
13．如权利要求12所述的钻头，其特征在于，当从分流环内径的一半径处测量时，在分流环第二侧面上的肋向朝向分流环转动方向的方向倾斜。
14．如权利要求9所述的钻头，其特征在于，还包括一使分流环的第二侧面与切割锥体结合的施力器。
15．如权利要求12所述的钻头，其特征在于，还包括一使分流环的第一侧面与支承臂内表面结合的施力器。
16．一种用于旋转式锥形钻头的分流环，该分流环包括一圆盘，它可环绕所述旋转式锥形钻头的一心轴转动；以及在所述圆盘上延伸的诸肋，以便将磨削物流移离所述钻头的密封件。
17．如权利要求16所述的分流环，其特征在于，该分流环还包括一面向所述钻头的一支承臂内表面的第一侧面；一面向所述钻头的一切割锥体的、相反的第二侧面；以及所述肋在所述圆盘的第一侧面和相反的第二侧面上延伸。
18．如权利要求17所述的钻头，其特征在于，当从分流环内径的一半径处测量时，在分流环第一侧面上的肋向离开分流环转动方向的方向倾斜。
19．如权利要求17所述的钻头，其特征在于，当从分流环内径的一半径处测量时，在分流环第二侧面上的肋向朝向分流环转动方向的方向倾斜。
20．如权利要求16所述的钻头，其特征在于，还包括一形成于分流环内端上的倒角或半径。
21．一种用于在地上钻孔的旋转式锥形钻头的制造方法，该方法包括以下步骤形成一钻头体，它具有一可连接在一使钻头体转动的钻杆上的上部；形成诸支承臂，它们自钻头体延伸并成角度隔开，各支承臂具有一内表面；在各内表面上形成一心轴，它相对对应的支承臂向下向内突出；形成与支承臂数量相等的切割锥体；形成与支承臂数量相等的分流环，在各心轴的外侧、靠近对应的内表面处安装一分流环；以及将各切割锥体安装在对应的心轴上，且在心轴的外侧和对应的切割锥体的内侧形成一圆柱形间隙，各分流环安装在所述间隙形成的开口里。
22．如权利要求21所述的方法，其特征在于，形成分流环的步骤包括形成一圆盘；以及形成若干在该圆盘上延伸的肋。
23．如权利要求21所述的方法，其特征在于，还包括对分流环施力以使其紧抵另一表面的步骤。
全文摘要
一种旋转式锥形钻头(10)具有一包含许多支承臂(24)的钻头体(22),各支承臂具有一内表面(26),内表面上连接有一心轴(28)。心轴上安装一切割锥体(12),在心轴和切割锥体的空腔之间形成有间隙。一分流环(60)安装在各心轴的外侧靠近对应的内表面处,并位于对应的间隙的开口内。各分流环包括一圆盘(70)和许多从其上延伸的肋(72),以便将碎片流从间隙处转移掉。
文档编号E21B10/25GK1219992SQ97194161
公开日1999年6月16日 申请日期1997年4月7日 优先权日1996年5月1日
发明者马克·E·威廉姆斯 申请人:德雷瑟工业公司