專利名稱：具有延長(zhǎng)的基體高度的取芯鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地面用鉆頭。尤其是，本發(fā)明涉及具有延長(zhǎng)的基體高度的取 芯鉆頭及該鉆頭的制造和使用方法。
背景技術(shù)：
通常，取芯鉆孔工藝被用于取回期望物質(zhì)的樣本。取芯鉆孔工藝可將多 根長(zhǎng)鉆桿連接在一起形成一根鉆桿柱從而能夠延伸數(shù)千英尺。鉆頭通常位于 鉆桿柱最前端并且用以執(zhí)行實(shí)際的切削作業(yè)。當(dāng)取芯鉆頭沿其路徑切削并穿 透期望物質(zhì)時(shí)，圓柱形的物質(zhì)樣本可通過鉆桿柱貫穿于鉆頭的中空部分，并 且隨后可從鉆桿柱的另一端被收集。
現(xiàn)今所使用的多種類型的取芯鉆頭中包括嵌有金剛石的取芯鉆頭。此類 鉆頭的一部分通常由鋼或者包含粉狀金屬或堅(jiān)硬微粒材料，例如碳化鎢的基 體形成。然后，此基體材料會(huì)被滲入粘結(jié)劑，例如銅合金。如

圖1所示，鉆
頭200的基體202通常滲入有人造金剛石或超耐磨材料(例如多晶金剛石)。 當(dāng)鉆頭研磨和切削穿過各種物質(zhì)時(shí)，鉆頭200的基體202會(huì)受到侵蝕，從而 曝露出鋒利的人造金剛石或其它超耐磨材料的新層。
該鉆頭可有效地連續(xù)進(jìn)行切削直至鉆頭基體全部損耗。這時(shí)，鉆頭將變 鈍且必須用新的鉆頭加以替換。替換鉆頭前需要先將整個(gè)鉆桿柱從已經(jīng)被鉆 削的孔洞(或鉆孔)中移出(或脫離)。鉆桿的每一部分必須順序地從鉆孔 中移出。鉆頭被替換后，整個(gè)鉆桿柱還必須一部分接一部分地進(jìn)行組裝之后 再裝回到鉆孔中。由于鉆孔的深度及被鉆削物質(zhì)的特性不同，對(duì)于單一鉆孔 上述過程有可能需要重復(fù)多次。因此，鉆頭最好能使用長(zhǎng)久一些而無需經(jīng)常 更換。
但是這些鉆頭基體的高度常常會(huì)受到一些因素的限制，其中包括如圖1 所示的，需要在基體中包含流體/碎屑路徑206。這些流體/碎屑路徑具有 多種功能。首先，它們可使由于鉆頭切削作用所產(chǎn)生的碎屑經(jīng)沖刷而被去除。其次，它們可使鉆孔泥漿或流體被用以潤(rùn)滑和冷卻鉆頭。第三，它們可有助 于保持鉆頭周圍的流體靜力平衡并由此防止鉆削物質(zhì)中的流體及氣體進(jìn)入 鉆孔而引起爆裂。
這些流體/碎屑路徑位于取芯鉆頭的切削部分尖端的基體中。由于取芯 鉆頭的切削部分在壓力下旋轉(zhuǎn)并且具有因流體/碎屑路徑206而產(chǎn)生的缺 口，因此該切削部分容易喪失結(jié)構(gòu)完整性并且會(huì)變得極易受到振動(dòng)、裂化及 破碎的影響。為了解決這些問題，嵌有金剛石的取芯鉆頭的基體高度往往被
限定為16毫米(或大約5/8英寸)或者更小。然而，由于僅具有這樣短的
高度，因此鉆頭很快會(huì)被磨損從而需要經(jīng)常更換。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上問題，本發(fā)明之目的在于提供一種具有延長(zhǎng)的基體高度的取芯 鉆頭。該取芯鉆頭具有一系列溝槽或者開口，這些溝槽或者開口不位于切削 部分的尖端且因此被封閉于基體的主體之中。這些溝槽可交錯(cuò)的和/或呈階 梯狀的遍布于基體上。當(dāng)鉆頭基體由于正常使用而磨損時(shí)，位于鉆頭尖端的 流體/碎屑切口將被消除。當(dāng)磨損進(jìn)一步發(fā)生時(shí)，這些溝槽被曝露出來并且 隨后可在鉆頭的鄰近表面作為流體/碎屑路徑使用。此構(gòu)造使得基體高度被 延伸和加長(zhǎng)但實(shí)質(zhì)上不會(huì)降低鉆頭的結(jié)構(gòu)完整性。由于具有延長(zhǎng)的基體高 度，因此鉆頭能夠使用較長(zhǎng)時(shí)間而無需經(jīng)常裝入鉆孔和從鉆孔中取出以進(jìn)行 更換。
附圖簡(jiǎn)要說明
參照以下附圖，隨后的說明書可被更加清楚地加以理解，附圖中 圖1表示了現(xiàn)有技術(shù)的取芯鉆頭；
圖2表示了具有延長(zhǎng)的基體高度的取芯鉆頭的具體實(shí)施例；
圖3A表示了現(xiàn)有技術(shù)的取芯鉆頭的一個(gè)具體實(shí)施例的側(cè)視圖3B表示了具有延長(zhǎng)的切削端高度的取芯鉆頭的側(cè)視圖； 圖4表示了具有封閉的流體/碎屑溝槽的取芯鉆頭的具體實(shí)施例； 圖5表示了具有延長(zhǎng)的基體高度的鉆頭的具體實(shí)施例，圖中剖面線表示 該鉆頭已經(jīng)被磨損；以及
6圖6A表示了用于示范性的鉆孔過程中的現(xiàn)有技術(shù)的取芯鉆頭的示意
圖6B表示了用于示范性的鉆孔過程中的具有延長(zhǎng)的切削端高度的 取芯鉆頭的示意圖。
結(jié)合如下的說明，上述附圖表明并解釋了鉆孔設(shè)備以及使用該鉆孔設(shè)備 的方法的原理。在上述附圖中，為了表示清楚，部件的厚度和結(jié)構(gòu)可能被放 大。并且在不同附圖中的相同標(biāo)號(hào)代表相同的部件。
具體實(shí)施例方式
以下說明將提供詳細(xì)的描述以便全面理解本發(fā)明。盡管不利用這些詳細(xì) 的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可理解本發(fā)明的鉆孔設(shè)備以及使用該鉆孔設(shè)備的 有關(guān)方法能夠得以實(shí)現(xiàn)并加以使用。而實(shí)際上，該鉆孔設(shè)備及有關(guān)方法可通 過修改所示的鉆孔設(shè)備及有關(guān)方法而被應(yīng)用到實(shí)踐中，并且該鉆孔設(shè)備及有 關(guān)方法可被用于相關(guān)的已被常規(guī)地應(yīng)用于工業(yè)中的任何設(shè)備與技術(shù)中。例 如，對(duì)于下面說明所關(guān)注的用于嵌有金剛石的取芯鉆頭的延長(zhǎng)的基體高度來 說，該設(shè)備及有關(guān)方法也可同樣地應(yīng)用于碳化物、陶瓷材料或其它超耐磨的 取芯鉆頭中。當(dāng)然，該設(shè)備及有關(guān)方法也可于其它多種地面鉆削應(yīng)用領(lǐng)域中
得以實(shí)現(xiàn)，例如聲波鉆機(jī)、沖擊鉆機(jī)、反循環(huán)鉆機(jī)、油氣鉆機(jī)、納維鉆機(jī)
(譜i陽drills)、全孔鉆機(jī)(foil-hole drills)等等。
下面將描述當(dāng)基體長(zhǎng)度或高度延長(zhǎng)后，如何保持取芯鉆頭的結(jié)構(gòu)完整 性。圖2表示了這樣一個(gè)取芯鉆頭的實(shí)例。如圖2所示，該鉆頭20可包含 連接至鉆機(jī)其余部分(即，鉆桿)的第一部分21。該鉆頭20還可包含用于 在鉆孔工程中切削期望物質(zhì)的第二部分23。鉆頭的主體具有一外表面8和一 個(gè)其中包含中空部分的內(nèi)表面4。由于具有這樣的結(jié)構(gòu)，鉆削下來的物質(zhì)碎 塊可穿過中空部分并向上通過鉆桿柱。
鉆頭20可為適合于收集地核樣本的任何尺寸。因此，鉆頭20可被用于 收集任何適當(dāng)尺寸的核心樣本。當(dāng)鉆頭具有任意期望的直徑并且用于去除和 收集具有任意期望的直徑的核心樣本時(shí)，該鉆頭的直徑常?？蔀榇蠹s1至大 約12英寸。同樣，當(dāng)鉆頭的切口 (鉆頭的外表面半徑減去內(nèi)表面半徑)為任意寬度時(shí)，該切口寬度通?？蔀榇蠹s1 / 2英寸至大約6英寸。
鉆頭20的第一部分21可由任何適當(dāng)?shù)牟牧现瞥?。在一些?shí)施例中，該
第一部分可由鋼或者在粘結(jié)劑中以堅(jiān)硬微粒材料鑄造成的基體制成。在一些 非限定性的實(shí)例中，適合的堅(jiān)硬微粒材料可包含那些本領(lǐng)域所公知的材料， 例如碳化鎢、鎢、鐵、鈷、鉬及其組合物。在一些非限定性的實(shí)例中，可被 使用的粘結(jié)劑可包含那些本領(lǐng)域所公知的材料，例如銅合金、銀、鋅、鎳、 鈷、鉬及其組合物。
如圖2所示，在一些實(shí)施例中，第一部分21可包含夾頭端22。該夾頭 端22有時(shí)被稱為間隔部、鉆頭體或鉆柄，其可具有各種適當(dāng)?shù)挠猛?，其?包括將鉆頭連接至最近的鉆桿。因此，夾頭端22可由本領(lǐng)域所公知的結(jié)構(gòu) 構(gòu)成，以便將鉆頭20連接至任何所期望之類型的鉆桿。例如，該夾頭端22 可包含任何公知的固定結(jié)構(gòu)以用于將鉆頭與任何現(xiàn)有的鉆桿相結(jié)合(例如， 用以將鉆頭固定至鉆桿柱末端的驅(qū)動(dòng)軸的螺紋銷連接)。
圖2中所示的實(shí)施例表示了取芯鉆頭20的第二部分23可包含切削部分 24。該切削部分24常被稱為鉆冠，其可由本領(lǐng)域中公知的任何材料構(gòu)成。 在一些非限定性的實(shí)例中，所適合的材料可包括粉狀的的碳化鎢、氮化硼、 鐵、鋼、鈷、鉬、鎢和/或亞鐵合金。上述材料可被放置到一個(gè)模具(例如 石墨模具)中。然后這些粉狀材料將被燒結(jié)并滲入熔化的粘結(jié)劑，例如銅、 鐵、銀、鋅或鎳合金，進(jìn)而形成切削部分。
在一些實(shí)施例中，鉆頭的第二部分23可由一個(gè)或多個(gè)層制成。例如， 圖2所示的切削部分24便可包含兩個(gè)層。其中第一層可為前面所述的基體 層16，其用以進(jìn)行切削作業(yè)。第二層可為一襯墊層18，其可用于將基體層 16連接至鉆頭的第一和/或第二部分。在這些實(shí)施例中，基體層16可包含 切削介質(zhì)，其可用于研磨和侵蝕要被鉆削的物質(zhì)。任何適合的切削介質(zhì)都可 被用于基體層16中，其中包括但并不限于天然或人造金剛石(例如多 晶金剛石坯塊)。在一些實(shí)施例中，該切削介質(zhì)可被嵌入或者滲入基體層16。 另外，在本領(lǐng)域中所公知的具有任何期望的尺寸、粒度、質(zhì)量、形狀、磨度、 濃度等的切削介質(zhì)均可被用于基體層16。
鉆頭的切削部分24可制造成任意期望的規(guī)格或者可被賦予任何期望的 特性。這樣，切削部分便可被定制設(shè)計(jì)成擁有鉆削特殊物質(zhì)的最佳性能。例如， 一個(gè)堅(jiān)硬的耐磨基體可被制造成用來鉆削柔軟、耐磨蝕、松散的地層， 而一個(gè)柔軟有韌性的基體可被制造成用來鉆削非常堅(jiān)硬、非耐磨蝕、加固的 地層。因此，鉆頭基體的硬度將與特定的地層相匹配，從而使基體層16能 以可控和期望的速度被磨蝕。
該鉆頭基體的高度A (如圖2所示)可在保持其結(jié)構(gòu)完整性的同時(shí)被延 長(zhǎng)到超過現(xiàn)今本領(lǐng)域中所公知的鉆頭基體的高度。現(xiàn)有的基體高度由于需要
保持其結(jié)構(gòu)完整性，因而通常被限定為16毫米或更小。而在一些實(shí)施例中， 基體高度A可被增加幾倍。在一些情況下，基體高度可為大約1 /2至大約 6英寸。而在另一些情況下，基體高度可為大約1至大約5英寸。還有些情 況下，基體高度可介于大約1至大約3.5英寸。當(dāng)然，在某些情況下，該基 體高度可為大約3英寸。
圖3B表示了具有延長(zhǎng)的鉆冠高度的鉆頭20的一個(gè)實(shí)例，而圖3A表示 了現(xiàn)有技術(shù)的取芯鉆頭40。如圖3A至圖3B中所示，鉆頭20的第一部分21 大約與相對(duì)應(yīng)的現(xiàn)有鉆頭40的第一部分42的尺寸相同。然而，相應(yīng)的現(xiàn)有 鉆頭40的基體高度A卻大約僅為鉆頭20的延長(zhǎng)的基體高度A的一半。
如圖2所示，鉆頭的切削部分24可包含多個(gè)流體/碎屑路徑28和32。 例如，流體/碎屑路徑28和32可沿著鉆頭20的基體長(zhǎng)度位于或遠(yuǎn)離鄰接 面36。那些位于鄰接面36的流體/碎屑路徑可被稱為切口，而那些遠(yuǎn)離鄰 接面36的流體/碎屑路徑可被稱為溝槽32.流體/碎屑路徑可具有不同的 結(jié)構(gòu)以便對(duì)水力、流體/碎屑流以及用于切削作用的表面面積產(chǎn)生作用。
基體層16可具有任意公知數(shù)量的流體/碎屑路徑28，這些流體/碎屑 路徑28可提供期望的流體/碎屑流并且還可使切削部分保持所需結(jié)構(gòu)完整 性。例如，圖2所示的鉆頭20可具有三條流體/碎屑路徑。在一些實(shí)施例 中，鉆頭可具有較少的切口，例如兩個(gè)或甚至一個(gè)流體/碎屑切口。在另一 些實(shí)施例中，該鉆頭也可具有更多的切口，例如4、 5個(gè)或甚至更多的切口。
流體/碎屑路徑28可均勻地間隔圍繞于鉆頭的圓周上。例如，圖2所 示的鉆頭可具有三條彼此相互均勻地間隔的流體/碎屑路徑28。在另一些實(shí) 施例中，流體/碎屑路徑28也可不均勻地間隔圍繞于鉆頭的圓周上。
流體/碎屑路徑28可具有使其按預(yù)定方式作業(yè)的任意特征以及本領(lǐng)域 中所公知的結(jié)構(gòu)。例如，流體/碎屑路徑28可完全穿透鉆頭基體。依照一些實(shí)施例，圖2所示的流體/碎屑路徑28可穿透基體以致在鉆頭20的外表 面8上具有開口 13并且在鉆頭20的內(nèi)表面4上具有開口 14。
流體/碎屑切口可具有任意的形狀以使得其可按預(yù)定方式作業(yè)。在一些 非限定性的實(shí)例中，該切口的形狀可為長(zhǎng)方形(如圖2所示)、正方形、三 角形、圓形、梯形、多邊形、橢圓形或這些形狀的任意組合。
流體/碎屑切口可具有任意的尺寸(例如寬度、高度、長(zhǎng)度、直徑等) 以使得其可按預(yù)定方式作業(yè)并為本領(lǐng)域所公知。例如，鉆頭可具有許多小的 流體/碎屑切口。在另一實(shí)例中，鉆頭可具有少量的大流體/碎屑切口以及 一些小切口。而在圖2所示的實(shí)例中，鉆頭20僅包含少量的(三個(gè))大流 體/碎屑切口。
流體/碎屑切口的開口 13位于鉆頭20的外表面8之上，其可大于或小 于內(nèi)表面4上的開口 14，反之亦然。因此兩開口可具有相似或不相似的形狀。 在一些非限定性的實(shí)例中，位于外表面8之上的開口 13可為一小的正方形 開口，而內(nèi)表面4上的開口 14可為一較大的長(zhǎng)方形開口。因此，在一些實(shí) 施例中，切口的內(nèi)壁(例如圖2中的切口內(nèi)壁15)不需要總是平面，也可具 有任意期望的形狀。例如，當(dāng)切口內(nèi)壁實(shí)質(zhì)上為一平面時(shí)，在另外一些實(shí)施 例中，切口內(nèi)壁也可為弓形面、曲面、圓形面、不規(guī)則面等等。
每一流體/碎屑切口可由相同或不同的方式構(gòu)成。例如，圖2所示的每 個(gè)切口實(shí)質(zhì)上是由相同的結(jié)構(gòu)制成的。但是，在其它實(shí)施例中，該切口也可 形成為具有不同的尺寸、形狀和/或不同于其它切口的其它特征。
位于基體中的流體/碎屑切口也可具有任意期望的朝向。例如，切口可 指向鉆頭圓周的中心。換句話說，如圖2所示，切口可形成為大致趨向垂直 于鉆頭的圓周。但是，在另外一些實(shí)施例中，流體/碎屑切口可形成為遠(yuǎn)離 鉆頭圓周的中心。例如，鉆頭20的外表面8上的開口 13及內(nèi)表面4上的開 口 14可縱向地和/或橫向地彼此相互偏離。
鉆頭基體也可包含一個(gè)或多個(gè)流體/碎屑溝槽(或溝槽)32。這些溝槽 32可具有位于鉆頭20的外表面8上的開口 10與位于鉆頭20的內(nèi)表面4上 的開口 12。由于流體/碎屑溝槽可被封閉于基體的主體之中，或于除了位于 開口 10和12的全部側(cè)面上被基體圍繞，因此流體/碎屑溝槽32可位于除 了鄰接面36之外的基體的任意部分。當(dāng)基體被磨損脫落時(shí)，流體/碎屑溝槽32可隨著沿基體長(zhǎng)度發(fā)生的磨蝕而逐漸曝露出來。當(dāng)此情況發(fā)生時(shí)，流 體/碎屑溝槽便成為流體/碎屑切口。以此方式，具有上述流體/碎屑溝槽 的鉆頭可具有連續(xù)補(bǔ)充流體/碎屑路徑直至延長(zhǎng)的基體被完全磨損掉。因而 上述結(jié)構(gòu)可使得基體具有一個(gè)較長(zhǎng)的高度，同時(shí)又可保持鉆頭切削基體的結(jié) 構(gòu)完整性。
基體可具有任意數(shù)量的流體/碎屑溝槽32以使得其能夠保持期望的結(jié) 構(gòu)完整性以及流體/碎屑的流動(dòng)。在一些實(shí)施例中，鉆頭可具有0至200個(gè) 溝槽。然而，在另一些實(shí)施例中，鉆頭可具有1至20個(gè)溝槽。還有在其它 一些實(shí)施例中，該鉆頭可包含從1到6或甚至是從1到3中任何數(shù)量的溝槽。 在圖2所示的鉆頭的實(shí)例中，該鉆頭20包含6個(gè)流體/碎屑溝槽32。
流體/碎屑溝槽32可均勻地間隔圍繞鉆頭的圓周。例如，圖2所示的 鉆頭可具有6個(gè)完全均勻地間隔圍繞鉆頭圓周的溝槽。但在另一些實(shí)施例中， 溝槽32也可不均勻地間隔圍繞鉆頭的圓周或位于基體之內(nèi)。
流體/碎屑溝槽32可具有任意形狀以使得其可按預(yù)定方式作業(yè)。在一 些非限定性的實(shí)例中，該溝槽的形狀可為長(zhǎng)方形(如圖2所示)、三角形、 正方形、圓形、梯形、多邊形、橢圓形或這些形狀的任意組合。
流體/碎屑溝槽32可具有任意的尺寸(例如高度、寬度、長(zhǎng)度、直徑 等)以使得其可按預(yù)定方式作業(yè)。例如，鉆頭可具有許多小的流體/碎屑溝 槽。在另一實(shí)例中，鉆頭可具有少量的大流體/碎屑溝槽以及一些小溝槽。 而在圖2所示的實(shí)例中，鉆頭20僅包含6個(gè)大流體/碎屑溝槽32。
流體/碎屑溝槽32可由相同或不同的方式構(gòu)成。圖2中所示的溝槽32 實(shí)質(zhì)上是由相同的結(jié)構(gòu)制成的。但是，在其它實(shí)施例中，該溝槽也可形成為 具有不同的尺寸、形狀和/或其它特征。例如，鉆頭可具有多行細(xì)而窄的流 體/碎屑溝槽。然而，在另一實(shí)例中，所述的鉆頭也可具有單行長(zhǎng)而寬的流 體/碎屑溝槽。
位于基體中的流體/碎屑溝槽32也可具有任意期望的朝向。例如，圖2 所示的溝槽32可形成為朝向鉆頭圓周的中心。因此，在一些實(shí)施例中，溝 槽32可垂直于鉆頭的圓周。
但是，在另外一些實(shí)施例中，溝槽32可形成為朝向遠(yuǎn)離鉆頭圓周的中 心。例如，鉆頭20的外表面8上的開口 10及內(nèi)表面4上的開口 12可縱向地和/或橫向地彼此相互偏離。
鉆頭可包括一或多層(或排)流體/碎屑溝槽32并且每一排可包含一
個(gè)或多個(gè)流體/碎屑溝槽。例如，圖4所示的鉆頭20具有六個(gè)流體/碎屑 溝槽32。在圖4中，鉆頭20具有排成第一排90的三個(gè)流體/碎屑溝槽32。 圖4所示的鉆頭20在更遠(yuǎn)離鄰接面36的地方還具有排成第二排92的三個(gè) 流體/碎屑溝槽32。如另一實(shí)例的具有六個(gè)溝槽的鉆頭，該鉆頭20可由排 成三排每排兩個(gè)溝槽的形式構(gòu)成，或者可由排成六排每排一個(gè)溝槽的形式構(gòu) 成。上述排列可包含相同或不同數(shù)量的溝槽。并且，每一排中的流體/碎屑 溝槽的數(shù)量可與鉆頭鄰接面36中的流體/碎屑切口的數(shù)量相等或不等。
圖2中所示的流體/碎屑溝槽(位于外表面8上)的第一開口 10可大 于或小于位于內(nèi)表面4上的開口 12 (或具有不同的形狀)。作為非限定性的 實(shí)例，第一開口 IO可具有一小的梯形形狀，而第二開口 12則可具有一較大 的長(zhǎng)方形開口。因此，在一些實(shí)施例中，溝槽的內(nèi)壁(例如圖2中的溝槽內(nèi) 壁17)不需要總是平面，也可如圖2所示為具有任意期望的形狀。例如，當(dāng) 溝槽內(nèi)表面實(shí)質(zhì)上為一平面時(shí)，在另外一些實(shí)施例中，該溝槽內(nèi)表面也可為 弓形面、曲面、圓形面、不規(guī)則面等等。
在一些情況下， 一部分流體/碎屑溝槽32可通過任意期望的方式與一 個(gè)或多個(gè)流體/碎屑溝槽或切口相重疊。例如， 一部分流體/碎屑溝槽32 可與一個(gè)或多個(gè)流體/碎屑切口橫向重疊。同時(shí)，在另一實(shí)例中， 一部分流 體/碎屑溝槽可與另一個(gè)溝槽橫向重疊。因此，在流體/碎屑溝槽(其已變 為一切口)完全被磨蝕之前，其它的流體/碎屑溝槽可被開放而變?yōu)榍锌冢?從而使得鉆頭可繼續(xù)有效地進(jìn)行切削。
流體/碎屑溝槽可以任何能夠提供期望的流體動(dòng)力的結(jié)構(gòu)被設(shè)置于鉆 頭之中。例如，在一些實(shí)施例中，流體/碎屑溝槽可設(shè)置成以交錯(cuò)的方式遍 及鉆頭的基體。它們也可與流體/碎屑切口相互交錯(cuò)。這些溝槽和/或切口 可排列成排并且每一排可具有一行流體/碎屑溝槽，這些流體/碎屑溝槽與 相鄰排的流體/碎屑溝槽和/或切口的一側(cè)相偏離。因此，盡管這些溝槽/ 切口不能相接觸，但它們可以橫向地相重疊。
如圖2所示，在一些實(shí)施例中，流體/碎屑切口和/或溝槽可以設(shè)置成 交錯(cuò)或階梯狀形式。在圖2中，三個(gè)流體/碎屑切口位于鉆頭20的切削部分24的鄰接面36。遠(yuǎn)離并沿著每一流體/碎屑切口的順時(shí)針方向，設(shè)置有
相應(yīng)的流體/碎屑溝槽并且流體/碎屑溝槽略微地與切口橫向重疊。遠(yuǎn)離并
沿著這些流體/碎屑溝槽32的順時(shí)針方向，還設(shè)置有第二組流體/碎屑溝 槽32。
如圖2所示，切削部分24可隨意地包含有凹槽37。這些凹槽可具有多 種用途，其中包括有助于冷卻鉆頭、移除碎屑、提高鉆頭的水流力以及使流 體/碎屑切口和/或溝槽更有效率。這些凹槽可以任意構(gòu)造位于鉆頭中。在 一些實(shí)施例中，這些凹槽可位于外表面8上且因此可被稱為外部凹槽。在另 一實(shí)例中，這些凹槽可位于內(nèi)表面4上且因此可被稱為內(nèi)部凹槽。在另一實(shí) 例中，這些凹槽也可位于鉆頭20的內(nèi)表面4與外表面8之間且因此可被稱 為表面凹槽。還有在另外一些實(shí)施例中，這些凹槽可以上述這些凹槽位置的 組合形式設(shè)置于鉆頭中。
凹槽37可具有任意期望的特征。例如，凹槽的尺寸(例如長(zhǎng)度、寬 度、在切削部分中的穿透量等)、形狀、角度、數(shù)量、位置等可進(jìn)行選擇以 使得所使用的凹槽可獲得期望的結(jié)果。凹槽可相對(duì)于流體/碎屑切口和/或 溝槽具有任意的位置上的關(guān)系，其中包括圖2所示的位置關(guān)系。在下面所提 供的實(shí)例中，可以發(fā)現(xiàn)包含有上述凹槽及流體/碎屑切口和溝槽的鉆頭的穿 透速度被加以提升。此增加的穿透速度部分來說很可能是由于增加了鉆面出 渣率，其可能部分地歸功于較長(zhǎng)排水路徑與內(nèi)外凹槽的結(jié)合。
鉆頭的切削部分24可具有任意期望的冠面。例如，鉆頭的切削部分可 具有V形環(huán)冠面、平面鉆頭冠面、階梯狀鉆頭冠面、斜錐形冠面或半圓形鉆 頭冠面。在一些實(shí)施例中，鉆頭可具有圖2所示的冠面。
除了上面所述的特征，本領(lǐng)域中任何公知的特征均可隨意地應(yīng)用到鉆頭 20中。例如，鉆頭可具有附加的鉆徑保護(hù)、硬帶材沉積、各種鉆頭形面及其 組合。鉆徑保護(hù)裝置可用來減少對(duì)井壁以及對(duì)降入到井壁中的鉆頭的損傷。 鉆頭的第一部分可具有防止其被過早磨蝕的硬質(zhì)合金帶材。鉆頭也可隨意地 含有天然金剛石、人造金剛石、熱穩(wěn)定金剛石、碳化鴇、銷釘、立方體或其 它用以在取芯鉆頭的內(nèi)或外表面上進(jìn)行鉆徑保護(hù)的硬質(zhì)材料。
也可包括另一特征，S卩，可由材料部分或全部地填充溝槽，該材料可一 直保留在溝槽內(nèi)直至包含該材料的溝槽接近或者曝露于鉆頭表面。這時(shí)，材
13料會(huì)被磨蝕脫落而使溝槽開放。在這些實(shí)施例中，溝槽可填充有任意的軟性 或脆性材料以防止流體流過溝槽，并迫使流體擠過切口并越過表面，進(jìn)而使 位于鉆頭表面的流體壓力盡可能的高。這樣，所填充的材料隨后可先于基體 脫落或碎裂，從而使流體于溝槽一旦被磨蝕后便流入切口?？梢允褂玫奶畛?材料包括硅酮、粘土、陶瓷、塑料、泡沫材料等等。
上述鉆頭可使用任何能夠?yàn)槠涮峁┥鲜鎏卣鞯姆椒ㄖ圃於伞５谝徊糠?可由本領(lǐng)域中的任何公知方式制成。例如，第一部分(即鋼制毛坯)可被機(jī) 械加工、燒結(jié)加工或滲透加工。第二部分也可由本領(lǐng)域中的任何公知方式制 成，其中包括滲透加工、燒結(jié)加工、機(jī)械加工、鑄造加工等等。切口和溝槽 32可由任何適當(dāng)?shù)姆椒ㄓ诘诙糠值闹圃爝^程中或制造過程之后加以制造。 這些方法中的一些非限定性實(shí)例可包括于模制過程中使用插入物、機(jī)械加
工、射流加工、激光成型、電火花加工(EDM)及滲透加工。
隨后，可使用本領(lǐng)域中所公知的任何方法將第一部分21連接至鉆頭的 第二部分23。例如，第一部分可被保存于用以形成鉆頭第二部分的模具中并 將主體的兩端熔化后結(jié)合在一起。作為選擇，第一與第二部分也可在各自獨(dú) 立的工藝中成對(duì)加以制造，然后再通過硬釬焊、熔焊、機(jī)械結(jié)合法、粘合劑 結(jié)合法、滲透法等方法結(jié)合在一起。
上述鉆頭可被用于本領(lǐng)域所公知的任何鉆孔作業(yè)中。如同其它取芯鉆頭 一樣，其均可連接至鉆桿柱的端部，而鉆桿柱又被連接至鉆機(jī)。隨著取芯鉆 頭的旋轉(zhuǎn)，其便可磨削/切削掉所鉆地層中的物質(zhì)。基體層16與流體/碎 屑切口將隨時(shí)間的推移而被磨蝕。當(dāng)基體層16被磨蝕后，流體/碎屑溝槽 32可被曝露出來并變?yōu)榱黧w/碎屑切口。隨著更多的基體層被磨蝕，另外的 流體/碎屑溝槽隨后也將被曝露出來并變?yōu)榱黧w/碎屑切口 。上述過程可一 直持續(xù)到鉆頭基體已被全部磨蝕，此時(shí)便需要取出鉆桿柱以更換鉆頭。
圖5表示了一個(gè)已磨鈍鉆頭80的實(shí)例。在圖5中，如剖面線所示，鉆 頭80的切削部分124中的整排流體/碎屑切口 128已經(jīng)被磨蝕。另外，流 體/碎屑溝槽132的第一行106也已被磨蝕。因此，殘留下來流體/碎屑溝 槽132的第二行108將被作為切口 128使用。盡管已被磨蝕，但此狀態(tài)下的 鉆頭因與傳統(tǒng)鉆頭一樣長(zhǎng)所以仍可繼續(xù)使用。
使用上述鉆頭可具有許多優(yōu)點(diǎn)。第一，鉆頭基體高度比現(xiàn)有技術(shù)中使用的鉆頭基體長(zhǎng)度有所增加且不會(huì)犧牲其結(jié)構(gòu)完整性。第二，該鉆頭的使用壽 命可增長(zhǎng)為普通鉆頭使用壽命的大約1.5至大約2.5甚至更多倍。第三，由 于無需經(jīng)常取出和裝入鉆桿柱，因此其鉆削過程可變得更有效率。第四，該
鉆頭的穿透速度可提升大約25%或更多。第五，由于鉆頭表面始終如一地以
連貫的切削表面面積對(duì)其自身加以替換，因此，該鉆頭可具有一致的切削參數(shù)。
隨后的非限定性實(shí)例用以進(jìn)一步說明上述鉆頭及使用該鉆頭的相關(guān)方 法的一些實(shí)施例。
先以標(biāo)準(zhǔn)方法獲得一個(gè)第一傳統(tǒng)鉆頭。該第一鉆頭可被制造成具有
ALPHA 7COM (Boart Longyear Co.⑧)的形式并且經(jīng)測(cè)量后發(fā)現(xiàn)其基體高度 大約為12.7毫米。該第一鉆頭的鉆頭尺寸大約為2.965英寸外徑(OD)X 1.875 英寸內(nèi)徑(ID) (NQ)。該第一鉆頭在圖6A中用Drill #1表示。
第二鉆頭可被制造成包含上述溝槽。該第二鉆頭也可被制造成具有 ALPHA 7COM (Boart Longyear Co.⑧)的形式，但其包含三個(gè)切口及六個(gè)長(zhǎng) 方形溝槽，該長(zhǎng)方形溝槽的寬度大約為0.470英寸且高度大約為0.334英寸。 該第二鉆頭同時(shí)被制造成具有九個(gè)直徑大約為0.125英寸的內(nèi)部凹槽以及九 個(gè)直徑大約為0.187英寸的外部凹槽。該第二鉆頭同時(shí)被制造成具有大約為 25.4毫米的基體高度并且鉆頭尺寸為大約2.965英寸外徑(OD)X大約1.875 英寸內(nèi)徑(ID) (NQ)。該第二鉆頭在圖6B中用Drill #2表示。
上述兩個(gè)鉆頭隨后通過使用一標(biāo)準(zhǔn)鉆機(jī)而被用于鉆削穿過一個(gè)中等硬 度的花崗巖結(jié)構(gòu)。在其基體被完全磨損并需要加以更換之前，第一鉆頭可鉆 削穿過大約200米，其穿透速度大約為每分鐘6至8英寸。隨后，第二鉆頭 被使用在相同的鉆機(jī)上用以在相同的鉆孔中進(jìn)一歩向下鉆削穿過同樣的物 質(zhì)。在第二鉆頭上的基體被完全磨損并需要加以更換之前，該第二鉆頭可鉆 削穿過大約488米，其穿透速度大約為每分鐘8至10英寸。
因此，第二鉆頭能夠?qū)⒋┩杆俣忍嵘蠹s25%。同時(shí)，經(jīng)比較該第二鉆 頭的使用壽命可延長(zhǎng)為傳統(tǒng)鉆頭使用壽命的大約2.5倍。
除了對(duì)前述內(nèi)容進(jìn)行任意修改以外，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的 精髓與范圍的前提下還可做出許多其它的變化以及可供替換的配置方案，并 且所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍將覆蓋這些修改和可供替換的配置方案。因此，當(dāng)被認(rèn)為是本發(fā)明最具實(shí)用性且最佳的技術(shù)方案的特征及細(xì)節(jié)經(jīng)過上面的 描述之后，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說可以顯而易見地理解，在不脫離 本文所闡明的原理和概念的前提下，應(yīng)當(dāng)能夠?qū)Π幌抻诒景l(fā)明的形 狀、功能、操作方法及應(yīng)用等方面提出眾多的修改。同時(shí)，本文中所使用的 實(shí)例其目的僅僅是為了說明本發(fā)明而絕非要以任何形式來限定本發(fā)明。
權(quán)利要求
1、一種地面用鉆頭，包含鉆桿連接部分；以及包含基體層的切削部分，所述基體層的基體高度大于1英寸且至大約6英寸。
2、 如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中所述基體高度為大約2英寸至大約5 英寸。
3、 如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中所述基體高度為大約3英寸。
4、 如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中所述切削部分包含封閉的流體/碎 屑溝槽。
5、 如權(quán)利要求4所述的鉆頭，其中當(dāng)所述切削部分被磨蝕后，所述封 閉的流體/碎屑溝槽變?yōu)榱黧w/碎屑切口 。
6、 如權(quán)利要求5所述的鉆頭，其中所述流體/碎屑溝槽部分地或完全 地填充有比所述基體的磨蝕速度快并且可使流體于所述溝槽磨蝕后流入切 口的材料。
7、 一種地面用鉆頭，包含 鉆連接部分；以及具有封閉的流體/碎屑溝槽的切削部分。
8、 如權(quán)利要求7所述的鉆頭，其中當(dāng)所述切削部分被磨蝕后，所述封 閉的流體/碎屑溝槽變?yōu)榱黧w/碎屑切口 。
9、 如權(quán)利要求7所述的鉆頭，其中所述切削部分包含基體層，所述基 體層包含有人造金剛石或超耐磨材料。
10、 如權(quán)利要求7所述的鉆頭，其中所述基體層的基體高度為大約5 / 8 英寸至大約6英寸。
11、 如權(quán)利要求7所述的鉆頭，其中所述切削部分包含多個(gè)封閉的流體 /碎屑溝槽。
12、 如權(quán)利要求11所述的鉆頭，其中所述封閉的流體/碎屑溝槽以交 錯(cuò)的和階梯狀的形式排列。
13、 如權(quán)利要求11所述的鉆頭，其中所述多個(gè)封閉的流體/碎屑溝槽的數(shù)量為1至20。
14、 一種地面用鉆頭，包含 鉆連接部分；以及具有內(nèi)表面和外表面的切削部分，所述切削部分的切削表面上具有切其中流體和碎屑能夠從所述內(nèi)表面通過所述切削部分流動(dòng)到所述外表 面而無須流經(jīng)所述切口 。
15、 如權(quán)利要求14所述的鉆頭，其中所述流體或碎屑流過所述切削部 分中的封閉的流體/碎屑溝槽。
16、 如權(quán)利要求14所述的鉆頭，其中所述切削部分進(jìn)一步包含基體層， 所述基體層的基體高度為大約5 / 8英寸至大約6英寸。
17、 如權(quán)利要求15所述的鉆頭，其中所述切削部分包含多個(gè)封閉的流 體/碎屑溝槽，所述封閉的流體/碎屑溝槽以階梯狀的或交錯(cuò)的形式排列。
18、 一種地面用鉆頭，包含 鉆連接部分；以及具有切削形面的切削部分，所述切削形面于其整個(gè)工作期內(nèi)基本保持一致。
19、 如權(quán)利要求18所述的鉆頭，其中所述切削部分包含多個(gè)封閉的流 體/碎屑溝槽，所述封閉的流體/碎屑溝槽以階梯狀的或交錯(cuò)的形式排列。
20、 一種包含有地面用鉆頭的鉆孔系統(tǒng)，包含 鉆連接部分；以及具有封閉的流體/碎屑溝槽的切削部分。
21、 如權(quán)利要求20所述的鉆孔系統(tǒng)，其中所述切削部分進(jìn)一步包含基 體層，所述基體層的基體高度為大約5/8英寸至大約6英寸。
22、 一種制造地面用鉆頭的方法，包含 設(shè)置鉆連接部分；以及設(shè)置包含有封閉的流體/碎屑溝槽的切削部分。
23、 如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述切削部分包含基體層，所述 基體層的基體高度為大約5 / 8英寸至大約6英寸。
24、 一種地面用鉆孔方法，包含設(shè)置具有鉆連接部分以及切削部分的鉆頭，所述切削部分具有封閉的流 體/碎屑溝槽；以及使用所述鉆頭對(duì)物質(zhì)進(jìn)行切削。
25、 如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述切削部分包含基體層，所述 基體層的基體高度為大約5 / 8英寸至大約6英寸。
26、 如權(quán)利要求24所述的方法，其中于鉆孔過程中，當(dāng)所述切削部分 被磨蝕后，所述封閉的流體/碎屑溝槽變?yōu)榱黧w/碎屑切口。
27、 如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述切削部分包含多個(gè)封閉的流 體/碎屑溝槽，所述封閉的流體/碎屑溝槽以階梯狀的或交錯(cuò)的形式排列。
28、 如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述切削部分于其整個(gè)工作期內(nèi) 保持基本一致的切削形面。
全文摘要
一種具有延長(zhǎng)的基體高度的取芯鉆頭。該取芯鉆頭具有一系列溝槽或者開口，這些溝槽或者開口不位于切削部分的尖端且因此被封閉于基體的主體之中。這些溝槽可交錯(cuò)的和/或呈階梯狀的遍布于基體上。當(dāng)鉆頭基體由于正常使用而磨損時(shí)，位于鉆頭尖端的流體/碎屑切口將被消除。當(dāng)磨損進(jìn)一步發(fā)生時(shí)，這些溝槽被曝露出來并且隨后可在鉆頭的鄰近表面作為流體/碎屑路徑使用。此構(gòu)造使得基體高度被延伸和加長(zhǎng)但實(shí)質(zhì)上不會(huì)降低鉆頭的結(jié)構(gòu)完整性。由于具有延長(zhǎng)的基體高度，因此鉆頭能夠使用較長(zhǎng)時(shí)間而無需經(jīng)常裝入鉆孔和從鉆孔中取出以進(jìn)行更換。
文檔編號(hào)E21B10/26GK101652532SQ200780051070
公開日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2007年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月14日
發(fā)明者克里斯蒂安·謝恩·德里夫戴爾, 邁克爾·魯普 申請(qǐng)人:寶長(zhǎng)年公司