專利名稱：具有優(yōu)化的軸承結(jié)構(gòu)的滾子錐形鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在地層中形成井孔的滾子錐形鉆頭，更具體地說(shuō) 涉及軸承結(jié)構(gòu)和切割結(jié)構(gòu)的布置和設(shè)計(jì)，用來(lái)提高鉆孔穩(wěn)定性并且延 長(zhǎng)相關(guān)的軸承和密封件的壽命。
背景技術(shù)：
以前使用了多種滾子錐形鉆頭來(lái)在井下巖層中形成井孔。這些鉆 頭也被稱為"回轉(zhuǎn)式"錐形鉆頭。滾子錐形鉆頭通常包括具有從中延 伸出的三個(gè)支撐臂的鉆頭體。相應(yīng)的錐體組件通?？尚D(zhuǎn)地安裝在與 鉆頭體相對(duì)的每個(gè)支撐臂上。這些鉆頭也被稱為"鑿巖鉆頭"。
許多滾子錐形鉆頭已經(jīng)令人滿意地用于形成井孔。示例包括只具 有一個(gè)支撐臂和一個(gè)錐體的滾子錐形鉆頭、具有可旋轉(zhuǎn)地安裝在每個(gè) 臂上的相應(yīng)錐體組件和可旋轉(zhuǎn)地安裝在相應(yīng)鉆頭體上的四個(gè)或多個(gè)錐 體。在滾子錐形鉆頭方面還已經(jīng)使用了各種切割元件和切割結(jié)構(gòu)，例 如復(fù)合片、嵌入件、銑成齒和焊接復(fù)合片。
與滾子錐形鉆頭相關(guān)的切割元件和切割結(jié)構(gòu)通常通過(guò)剪切和擠壓 地層相鄰部分的組合來(lái)在地層中形成井孔。滾子錐形鉆頭通常以相對(duì) 較低的速度操作，并且其上受到很大的載荷。這在相關(guān)的軸承結(jié)構(gòu)上 產(chǎn)生出非常高的載荷，從而增大了在軸承結(jié)構(gòu)上的磨損并且直接影響
4了軸承的壽命。在許多情況中，軸承壽命決定了鉆頭壽命。因此，軸 承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)往往是滾子錐形鉆頭制造商關(guān)鍵所要考慮的問(wèn)題。
在滾子錐形鉆頭行業(yè)中通常使用三種主要類型的軸承軸頸軸承 (也被稱為摩擦軸承)、滾柱軸承和整體軸承。與滾子錐形鉆頭相關(guān)的 軸承的布置和結(jié)構(gòu)可以被稱為"軸承系統(tǒng)"、"軸承組件"或"軸承結(jié) 構(gòu)"。
滾柱軸承系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)滾柱。例如， 一種滾柱軸承系統(tǒng)為 滾柱-滾珠-滾柱-滾柱軸承結(jié)構(gòu)。其它滾柱軸承系統(tǒng)結(jié)合了滾柱和滾珠 軸承部件的各種組合，并且可以包括例如滾柱-滾珠-滾柱結(jié)構(gòu)或滾柱-滾珠-摩擦結(jié)構(gòu)。由于在通常的滾子組件中只有有限的空間可用于軸承 結(jié)構(gòu)，所以必須保持在滾柱和滾珠軸承的尺寸之間的正確平衡以便防 止任意元件過(guò)度磨損或過(guò)早失效。
自從1970年以來(lái)就已經(jīng)應(yīng)用到滾子錐形鉆頭中的軸頸軸承包括 一軸頸襯套、推力凸緣和滾珠軸承。軸頸襯套用來(lái)承受在軸頸和錐體 組件之間傳遞的一些力。推力凸緣通常承載與軸頸軸線平行的載荷(軸 向載荷)。已經(jīng)努力增大包括在題目為"Rotary Cone Drill Bit With Enhanced Journal Bushing"的美國(guó)專利No.6260635和題目為"Rotary Cone Drill Bit With Enhanced Thrust Bearing Flange"中所述的那些 軸承的軸承的載荷承載能力。
整體軸承與軸頸軸承類似，但是不包括典型軸頸軸承的襯套和凸
緣。代替使用襯套和凸緣，可以采用耐磨硬質(zhì)材料例如天然和合成金 剛石、聚晶金剛石(PCD)來(lái)增大相關(guān)軸承表面的耐磨性。
在滾子錐形鉆頭內(nèi)的軸承系統(tǒng)和軸承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)通常由設(shè)計(jì)者的 領(lǐng)域觀察和多年經(jīng)驗(yàn)來(lái)推動(dòng)。通過(guò)假設(shè)作用在相關(guān)切割結(jié)構(gòu)例如齒和/ 或嵌入件排上的力的大小來(lái)估計(jì)出在軸承上的載荷分布。在其中滾子 的切割結(jié)構(gòu)變化的情況中，通常作出這樣的假設(shè)，即軸承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 適用于許多切割結(jié)構(gòu)，只要基本特征例如鉆頭直徑、方位角和偏移相 同。當(dāng)前工業(yè)實(shí)踐在于特殊的滾子錐形鉆頭，可以對(duì)每個(gè)相關(guān)的錐體 組件使用相同尺寸和類型的軸承結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，需要這樣一種設(shè)計(jì)方法，它能夠解釋在回轉(zhuǎn)式錐形鉆頭的 切割結(jié)構(gòu)中的變化并且提供設(shè)計(jì)用來(lái)優(yōu)化鉆頭性能的軸承組件。還需 要通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)與回轉(zhuǎn)式錐形鉆頭相關(guān)的切割結(jié)構(gòu)和軸承結(jié)構(gòu)來(lái)降低 軸承負(fù)載。
根據(jù)當(dāng)前公開內(nèi)容的教導(dǎo)，滾子錐形鉆頭可以設(shè)有優(yōu)化設(shè)計(jì)的軸 承結(jié)構(gòu)以基本上減少或消除與現(xiàn)有軸承結(jié)構(gòu)相關(guān)的問(wèn)題并且提高相關(guān) 軸承和密封組件的鉆探使用壽命。該滾子錐形鉆頭可以包括一錐體組 件，它具有通過(guò)軸承結(jié)構(gòu)安裝在主軸上的獨(dú)特切割結(jié)構(gòu)。每個(gè)錐體組 件可以具有沿著相應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸線設(shè)置的最小力矩中心。最小力矩中心由 相應(yīng)獨(dú)特切割結(jié)構(gòu)的特征所限定。每個(gè)軸承結(jié)構(gòu)包括基于每個(gè)軸承相 對(duì)于主軸的承載軸線的位置的相應(yīng)幾何軸承中心點(diǎn)。相應(yīng)錐體組件的 最小力矩中心可以設(shè)計(jì)為靠近幾何軸承中心點(diǎn)以克服與以前的滾子錐 形鉆頭及其制造方法以及設(shè)計(jì)滾子錐形鉆頭相關(guān)的問(wèn)題。
在一個(gè)方面中，滾子錐形鉆頭可以包括一鉆頭體，它具有一第一 支撐臂、 一第二支撐臂和一第三支撐臂，其中每個(gè)支撐臂包括一內(nèi)表 面和從內(nèi)表面延伸出的一主軸。軸承結(jié)構(gòu)與每個(gè)主軸相連并且錐體組 件可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在每個(gè)軸承結(jié)構(gòu)上以便與地層接合以形成井孔。另外， 每個(gè)錐體組件具有獨(dú)特的切割結(jié)構(gòu)和從相應(yīng)支撐臂延伸出并且與每個(gè) 相應(yīng)主軸的縱向軸線對(duì)應(yīng)的相應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸線。每個(gè)錐體組件具有沿著由 每個(gè)相應(yīng)獨(dú)特切割結(jié)構(gòu)限定的相應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸線設(shè)置的最小力矩中心。每 個(gè)相應(yīng)軸承結(jié)構(gòu)具有設(shè)置在相應(yīng)錐體組件附近的中心點(diǎn)。
在另一個(gè)方面中，披露了一種滾子錐形鉆頭，它包括一鉆頭體， 該鉆頭體具有一第一支撐臂、 一第二支撐臂和一第三支撐臂，其中每 個(gè)支撐臂具有一內(nèi)表面和從中延伸出的一主軸。相應(yīng)的軸承結(jié)構(gòu)與每 個(gè)主軸相連，并且相應(yīng)的錐體組件可旋轉(zhuǎn)地安裝在每個(gè)軸承結(jié)構(gòu)上并 且設(shè)置用于與地層接合以形成一井孔，每個(gè)錐體組件具有獨(dú)特的切割 結(jié)構(gòu)。每個(gè)錐體組件具有從相應(yīng)的支撐臂延伸出并且與每個(gè)相應(yīng)主軸 的縱向軸線對(duì)應(yīng)的相應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸線。每個(gè)錐體組件具有沿著由與每個(gè)獨(dú)說(shuō)明書第4/26頁(yè)特切割結(jié)構(gòu)相關(guān)的軸承端部負(fù)載所限定的相應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸線設(shè)置的最小力 矩中心。每個(gè)相應(yīng)軸承結(jié)構(gòu)具有設(shè)置在每個(gè)相應(yīng)最小力矩中心附近的 中心點(diǎn)。在本發(fā)明的另一個(gè)方面，披露了一種形成滾子錐形鉆頭的方法， 它包括形成一鉆頭體，該鉆頭體包括一第一支撐臂、 一第二支撐臂和 一第三支撐臂，其中每個(gè)支撐臂具有一內(nèi)表面和從中延伸出的一主軸。 接著，形成具有笫一切割結(jié)構(gòu)的第一錐體組件、具有第二切割結(jié)構(gòu)的第二錐體組件和具有第三切割結(jié)構(gòu)的第三錐體組件。該方法還包括 根據(jù)第一錐體組件切割結(jié)構(gòu)確定沿著第一主軸的第一旋轉(zhuǎn)軸線的第一 最小力矩中心；根據(jù)第二錐體組件切割結(jié)構(gòu)確定沿著第二主軸的第二 旋轉(zhuǎn)軸線的第二最小力矩中心；并且根據(jù)第三錐體組件切割結(jié)構(gòu)確定 沿著第三主軸的笫三旋轉(zhuǎn)軸線的第三最小力矩中心。然后將第一軸承 組件設(shè)置在第一主軸上，并且將第 一軸承組件的中心設(shè)置在第一最小 力矩中心附近。然后將第二軸承組件設(shè)置在第二主軸上，并且將第二 軸承組件的中心設(shè)置在第二最小力矩中心附近。然后將第三軸承組件 設(shè)置在第三主軸上，并且將第三軸承組件的中心設(shè)置在第三最小力矩 中心附近。本發(fā)明包括許多技術(shù)優(yōu)點(diǎn)例如提供了其中心點(diǎn)位于相應(yīng)錐體組件 的最小力矩中心附近的軸承結(jié)構(gòu)。減小在每個(gè)中心點(diǎn)和相應(yīng)最小力矩 中心之間的偏移能夠使每個(gè)軸承結(jié)構(gòu)更好地支撐相應(yīng)的錐體組件并且 降低了作用在每個(gè)錐體組件上的軸承負(fù)載。將每個(gè)切割結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成具有位于相應(yīng)軸承中心點(diǎn)附近的最小力矩 中心這降低了在回轉(zhuǎn)式錐形鉆頭的每個(gè)錐體組件之間在切割結(jié)構(gòu)方面 的變化的影響。


可以通過(guò)參照結(jié)合附圖給出的以下說(shuō)明來(lái)更全面徹底地理解當(dāng)前 實(shí)施方案及其優(yōu)點(diǎn)，在這些附圖中相同的參考標(biāo)號(hào)表示相同的特征， 并且其中圖l為一示意圖，顯示出一滾子轉(zhuǎn)頭的立體圖；圖2為一剖面示意圖，顯示出可旋轉(zhuǎn)地安裝在一支撐臂上的錐體 組件；圖3顯示出設(shè)在主軸和錐體組件之間的滾柱-滾珠-滾柱-滾柱軸承 結(jié)構(gòu)的部分去除的剖面示意圖；圖4為部分分離的剖面示意圖，顯示出設(shè)在主軸和錐體組件之間 的軸頸軸承結(jié)構(gòu)；圖5為包括整體軸承的滾子錐體的示意圖；圖6為一示意圖，顯示出一滾子錐體并且指出了與該滾子錐體相 關(guān)的可能錐體運(yùn)動(dòng)；圖7A為一主軸的示意圖，顯示出作用在其上的力；圖7B顯示出滾子錐體和軸承結(jié)構(gòu)以及作用在其上的力；圖8A顯示出在其上受到力的作用的情況下在滾子錐體和軸承結(jié)構(gòu)之間的相互作用；圖8B顯示出軸承結(jié)構(gòu)和作用在其上的力；圖9A顯示出與軸承結(jié)構(gòu)相互作用的滾子錐體；圖9B顯示出作用在軸承結(jié)構(gòu)上的力；圖IOA顯示出與軸承結(jié)構(gòu)相互作用的滾子主體；圖IOB顯示出作用在軸承結(jié)構(gòu)上的力；圖ll顯示出用于傳統(tǒng)滾子錐形鉆頭的復(fù)合錐體外形；圖12為一示意圖，顯示出用于根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的滾子錐體的復(fù)合錐體外形；圖13為一示意圖，顯示出用于根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的滾子錐體的復(fù)合 錐體外形；圖14為一示意圖，顯示出用于根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的滾子錐體的復(fù)合 錐體外形；圖15為一曲線圖，顯示出作為在力簡(jiǎn)化中心和承載面之間的距離 的函數(shù)的軸承力矩；圖16A-D顯示出作為離承載面的距離的函數(shù)的來(lái)自相同鉆頭的多 個(gè)軸承的預(yù)計(jì)軸承彎矩；部負(fù)載的 預(yù)測(cè)；圖18顯示出根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的具有銑成齒的滾子錐形鉆頭； 圖19為一流程圖，顯示出形成根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的鉆頭的方法； 圖20為一流程圖，顯示出形成根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的鉆頭的方法； 圖21為一流程圖，顯示出用于調(diào)節(jié)滾子錐體的切割結(jié)構(gòu)的方法， 其中預(yù)先設(shè)計(jì)出軸承形態(tài)；圖22A-22E顯示出用于計(jì)算作為鉆探時(shí)間的函數(shù)的力的軸承力力學(xué)模型和坐標(biāo)系；圖23為一流程圖，顯示出用于確定最小力矩中心的方法；圖24顯示出設(shè)計(jì)根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的軸承結(jié)構(gòu)形態(tài)的方法；并且圖25還顯示出設(shè)計(jì)根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的軸承結(jié)構(gòu)形態(tài)的方法。
具體實(shí)施方式
通過(guò)參照?qǐng)Dl-22將最清楚地理解優(yōu)選實(shí)施方案及其優(yōu)點(diǎn)，其中相 同的標(biāo)號(hào)表示相同和相應(yīng)的部分。術(shù)語(yǔ)"切割元件"在該申請(qǐng)中用來(lái)涵蓋各種滿足滾子錐形鉆頭使 用的復(fù)合片、嵌入件、銑成齒和焊接復(fù)合片。術(shù)語(yǔ)"切割結(jié)構(gòu)"在該 申請(qǐng)中用來(lái)包括形成在或安裝在滾子錐形鉆頭的一個(gè)或多個(gè)錐體組件 上的切割元件的各種組合和布置。術(shù)語(yǔ)"錐體組件"在該申請(qǐng)中用來(lái)包括可旋轉(zhuǎn)地安裝在鉆頭支撐 臂上的各種形狀和類型的滾子主體組件和切割錐體組件。錐體組件可 以具有圓錐性外形或可以具有更圓化的外形。在某些實(shí)施方案中，錐 體組件可以結(jié)合有具有或接近大體上球形形態(tài)的外形。術(shù)語(yǔ)"軸承結(jié)構(gòu)"在該申請(qǐng)中用來(lái)包括滿足用于將錐體組件可旋 轉(zhuǎn)地安裝在主軸上的任意合適的軸承結(jié)構(gòu)或軸承系統(tǒng)。例如"軸承結(jié) 構(gòu)"可以包括這樣的必要結(jié)構(gòu)，它包括內(nèi)外座圏和襯套元件以形成軸 頸軸承、滾柱軸承(包括但不限于滾柱-滾珠-滾柱-滾柱軸承、滾柱-滾 珠-滾珠軸承和滾柱-滾珠-摩擦軸承)和整體軸承。另外，軸承結(jié)構(gòu)可以 包括界面元件例如襯套、滾柱、滾珠以及用于與滾子錐體接觸的硬化材料區(qū)域。軸承結(jié)構(gòu)也可以稱為"軸承組件，，或"軸承系統(tǒng)"。術(shù)語(yǔ)"峰頂"和"縱向峰頂，，在該申請(qǐng)中用來(lái)描述在鉆井孔期間 與地層接觸的切割元件或切割結(jié)構(gòu)的部分。切割元件的峰頂通常在滾 子錐形鉆頭和相關(guān)的錐體組件的轉(zhuǎn)動(dòng)期間與井孔的底部接合和脫離。 峰頂?shù)膸缀谓Y(jié)構(gòu)和尺寸可以基本上根據(jù)相關(guān)切割元件和切割結(jié)構(gòu)的具 體設(shè)計(jì)和尺寸變化。切割元件通常包括限定作為每個(gè)切割元件的"切割區(qū)域"中心的 "峰頂點(diǎn)"。切割區(qū)域的位置取決于相應(yīng)切割元件在相關(guān)的錐體組件上 的位置。每個(gè)切割元件的尺寸和結(jié)構(gòu)還確定了相關(guān)切割區(qū)域的位置。 切割區(qū)域往往設(shè)置在切割元件的峰頂附近。對(duì)于一些用途而言，可以 根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)形成具有相對(duì)較小的峰頂或拱形峰頂?shù)那懈钤?切割結(jié)構(gòu)。這些切割元件和切割結(jié)構(gòu)通常將具有位于拱頂中心附近的 峰頂點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)形成的切割元件和切割結(jié)構(gòu)可以具有各種設(shè) 計(jì)和結(jié)構(gòu)。術(shù)語(yǔ)"錐體外形"可以定義為錐體組件的外表面的輪廓，并且與 主體組件的外表面和與伸入到穿過(guò)相關(guān)錐體旋轉(zhuǎn)軸線的垂直平面上的 錐體組件相關(guān)的所有切割元件的輪廓。與滾子錐形鉆頭相關(guān)的錐體組 件通常具有彎曲、錐形外表面。每個(gè)錐體外形的物理尺寸和形狀取決 于各種因素例如相關(guān)鉆頭的尺寸、錐體旋轉(zhuǎn)角、每個(gè)錐體組件的偏移 和尺寸、相關(guān)切割元件的形態(tài)和數(shù)量。滾子錐形鉆頭通常具有由每個(gè)相關(guān)錐體外形和用于所有相關(guān)錐體 組件的伸入到穿過(guò)復(fù)合旋轉(zhuǎn)軸線的垂直平面上的所有切割元件的峰頂 部分限定的"復(fù)合錐體外形"。用于滾子錐形鉆頭的復(fù)合錐體外形和每 個(gè)錐體外形通常包括用于每個(gè)相關(guān)切割元件的峰頂點(diǎn)?？梢栽阱F體組件上形成各種類型的切割元件和切割結(jié)構(gòu)。每個(gè)切 割元件通常將具有從錐體組件延伸出的法向力軸線。術(shù)語(yǔ)"切割元件 外形角"可以定義為由切割元件的法向力軸線和相關(guān)的錐體旋轉(zhuǎn)軸線 形成的角度。對(duì)于一些滾子錐形鉆頭而言，用于位于相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)排中的切割元件的切割元件外形角可以大約為90度(90。)?，F(xiàn)在參照?qǐng)D1，該圖顯示出具有多個(gè)錐體組件30和切割元件60 的滾子錐形鉆頭20。滾子錐形鉆頭20可以用來(lái)在地層(未示出)中形成 井孔。滾子錐形鉆頭例如鉆頭20通常通過(guò)粉碎或穿透地層并且使用切 割元件60刮削或剪切來(lái)自井孔底部的地層材料來(lái)形成井孔。本發(fā)明可 以用于具有以嵌入件形式的切割元件的滾子錐形鉆頭(如圖1所示)或 者具有銑成齒的滾子錐形鉆頭(如圖18所示)。本發(fā)明還可以用于具有 焊接在或以其它形式形成在相關(guān)錐體組件上的切割元件(未示出)的滾 子錐形鉆頭。鉆桿柱(未明顯地示出)可以安裝在鉆頭20的螺紋部分22以在它 們圍繞著井孔底部滾動(dòng)時(shí)旋轉(zhuǎn)并且向相關(guān)錐體組件30施加重量或力。 對(duì)于一些用途而言，還可以采用各種類型的井底電動(dòng)機(jī)(未明顯地示出) 來(lái)使結(jié)合有本發(fā)明教導(dǎo)的滾子錐形鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)。本發(fā)明并不限于與傳統(tǒng) 鉆桿柱相關(guān)的滾子錐形鉆頭。為了說(shuō)明本發(fā)明的各個(gè)特征，錐體組件30更具體地表示為30a、 30b和30c。錐體組件30也可以被稱為"旋轉(zhuǎn)錐形切割器"、"滾子錐 形切割器"或"切割器錐體組件"。與滾子錐形鉆頭相關(guān)的錐體組件 30通常朝著彼此向內(nèi)指向。切割元件通常包括多排切割元件60，它們 從每個(gè)錐體組件的外部延伸出或突出。滾子錐形鉆頭20包括具有用來(lái)固定在鉆桿柱的一個(gè)端部上的錐 形外螺紋部分22的鉆頭體24。鉆頭體24優(yōu)選包括一通道(未示出)，20。鉆孔泥漿和其它流體可以從噴嘴26排出?？梢酝ㄟ^(guò)從噴嘴26噴 射出的鉆井流體從鉆孔底部將地層切屑和其它碎屑帶出。鉆井泥漿通 常在滾子錐形鉆頭20和相關(guān)井孔的底部之間徑向向外流動(dòng)。鉆井流體 然后可以通過(guò)由滾子錐形鉆頭20和相關(guān)鉆桿柱的外部以及井孔的內(nèi) 徑所部分限定的環(huán)形通道(未示出)大體上向上流向鉆井表面。在當(dāng)前實(shí)施方案中，鉆頭體24包括三個(gè)(3)從其上延伸出的支撐 臂32。每個(gè)支撐臂32與鉆頭體24相對(duì)的下部?jī)?yōu)選包括相應(yīng)的主軸或 軸34(如圖2所示)。每個(gè)錐體組件30a、 30b和30c優(yōu)選包括其尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)置成接收相應(yīng)的主軸或軸的空腔(未示出)。錐體組件30a、 30b和30c可旋轉(zhuǎn)地安裝在從支撐臂32延伸出的 相應(yīng)主軸上。錐體組件30a、 30b和30c每個(gè)都具有一旋轉(zhuǎn)軸線36， 有時(shí)被稱為"錐體旋轉(zhuǎn)軸線"(如圖5所示)。錐體組件30的旋轉(zhuǎn)軸線 36優(yōu)選與也被稱為主軸的"Z軸線"或軸承軸線的相關(guān)主軸34的縱 向中心線對(duì)應(yīng)。鉆頭20的切割或鉆孔動(dòng)作隨著切割器錐體組件30a、 30b和30c圍繞著井孔的底部滾動(dòng)而出現(xiàn)。所得到的井孔的直徑與和 切割器錐體組件30a、30b和30c相關(guān)的組合外徑或標(biāo)準(zhǔn)直徑呆滯對(duì)應(yīng)。多個(gè)復(fù)合片40可以設(shè)置在每個(gè)錐體組件30a、 30b和30c的承載 面42上。這些復(fù)合片40可以用來(lái)"修整"井孔的內(nèi)徑以防止承載面 42的其它部分接觸相鄰的地層。根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)還可以將多個(gè)切割 元件60設(shè)置在每個(gè)錐體組件30a、 30b和30c的外部上。復(fù)合片40和切割元件60可以由多種硬質(zhì)材料例如碳化鴒形成。 術(shù)語(yǔ)"碳化鎢"包括碳化一鵠(WC)、碳化二鴒(W2C)、宏晶碳化鴒和 燒結(jié)碳化鴒?？梢粤钊藵M意地用來(lái)形成復(fù)合片40和切割元件60的硬 質(zhì)材料示例包括各種金屬合金和金屬陶瓷例如金屬硼化物、金屬碳化 鵠、金屬氧化物和金屬氮化物。錐體組件30a、 30b和30c的旋轉(zhuǎn)軸線36優(yōu)選相互偏置并且偏離 滾子錐形鉆頭20的旋轉(zhuǎn)軸線38。滾子錐形鉆頭20的旋轉(zhuǎn)軸線38有 時(shí)可以被稱為"鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線"。相關(guān)的鉆桿柱的重量(有時(shí)被稱為"鉆 頭上重量")通常將沿著旋轉(zhuǎn)軸線38施加在鉆頭20上。對(duì)于一些用途 而言，沿著鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線38作用的鉆頭上重量可以描述為"向下力"。 但是許多鉆井是以垂直以外的角度鉆出的。鉆井往往鉆有水平部分(有 時(shí)被稱為"水平井孔")。由鉆桿柱和/或井底電動(dòng)機(jī)施加在鉆頭20上 的力通常沿著鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線38作用在鉆頭20上，而與相關(guān)井孔的垂 直或水平取向無(wú)關(guān)。作用在鉆頭20和每個(gè)切割元件60的力還取決于 地層類型。與錐體組件30a、 30b和30c相關(guān)的錐體偏置和大體上彎曲的錐體 外形導(dǎo)致切割元件60用壓碎或穿透運(yùn)動(dòng)以及刮削或剪切運(yùn)動(dòng)沖擊地層。現(xiàn)在參照?qǐng)D2,該圖顯示出可旋轉(zhuǎn)地安裝在支撐臂32上的錐體組 件30a的橫截面。支撐臂32包括從支撐臂32下端的內(nèi)表面57(也可 以稱為"最后機(jī)加工表面")延伸的主軸。滾子主體30a通過(guò)軸承結(jié)構(gòu) 40可旋轉(zhuǎn)地安裝在主軸34上。在當(dāng)前實(shí)施方案中，軸承結(jié)構(gòu)包括滾 子50和滾珠軸承52。滾珠軸承52由潤(rùn)滑系統(tǒng)54潤(rùn)滑。潤(rùn)滑系統(tǒng)54 包括柔性隔膜56和潤(rùn)滑油容器58。潤(rùn)滑油通過(guò)潤(rùn)滑油通道59提供給 軸承結(jié)構(gòu)40和滾子主體30a。錐體組件30a優(yōu)選繞著相對(duì)于鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線38成一角度向下向內(nèi) 傾斜的錐體旋轉(zhuǎn)軸線36轉(zhuǎn)動(dòng)。如上所述，錐體旋轉(zhuǎn)軸線36優(yōu)選與主 軸34的Z軸線和軸承旋轉(zhuǎn)軸線對(duì)應(yīng)。彈性密封件46可以設(shè)置在主軸 34的外部和錐體組件30的錐體部分31內(nèi)部之間。密封件46在主軸 34的外部和錐體組件30的內(nèi)部之間形成流體阻擋件以將潤(rùn)滑油保持 在錐體組件30和軸承結(jié)構(gòu)40的內(nèi)部空腔內(nèi)。密封件46還防止了地層 切屑滲透進(jìn)滾子錐體31的內(nèi)部空腔中。密封件46防止軸承結(jié)構(gòu)40 喪失了潤(rùn)滑油并且受到碎屑污染，因此延長(zhǎng)了鉆頭20的井下壽命。軸承結(jié)構(gòu)40支撐著與錐體組件30a相對(duì)于主軸34的轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)的 徑向負(fù)載。在一些實(shí)施方案中，可以包括一推力軸承以承載與錐體組 件30相對(duì)于主軸34的轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)的軸向負(fù)載。軸承結(jié)構(gòu)40可以結(jié)合有任意適合用于將滾子錐體組件30可旋轉(zhuǎn) 地安裝在主軸34上的軸承結(jié)構(gòu)。例如，軸承結(jié)構(gòu)40可以涵蓋如圖3 所示的滾柱軸承、如圖4所示的軸頸軸承或者如圖5所示的整體軸承?，F(xiàn)在參照?qǐng)D3,該圖描繪了滾柱軸承100的部分切除的剖視圖。 滾柱軸承100設(shè)置用于可以相對(duì)于滾子錐體102轉(zhuǎn)動(dòng)。滾柱軸承100 包括形成為安裝在主軸(例如主軸34)上的軸承結(jié)構(gòu)104。軸承結(jié)構(gòu)104 支撐著第一滾柱106、第一滾珠108、第二滾柱IIO和第三滾柱112。 滾柱軸承100還可以包括一內(nèi)部密封件114和一外部密封件116以將 潤(rùn)滑油保持在軸承結(jié)構(gòu)104內(nèi)并且防止切屑和鉆井流體侵入。滾柱軸 承100還可以被稱為滾柱-滾珠-滾柱-滾柱軸承。頁(yè)現(xiàn)在參照?qǐng)D4，該圖顯示出軸頸軸承120和滾子錐體122的橫截 面。軸頸軸承120包括用于可旋轉(zhuǎn)地安裝滾子錐體134的軸承結(jié)構(gòu) 122。軸承結(jié)構(gòu)122形成為接合主軸121并且支撐襯套128、滾珠130 和推力軸承132，它們使得錐體134能夠可旋轉(zhuǎn)地安裝在軸承結(jié)構(gòu)122 上。錐體組件134包括多個(gè)嵌入件124以及復(fù)合片126。彈性密封件 136設(shè)置用來(lái)將潤(rùn)滑油保持在軸承結(jié)構(gòu)122內(nèi)并且防止切屑和鉆井流 體侵入軸承結(jié)構(gòu)122。現(xiàn)在參照?qǐng)D5，該圖顯示出整體軸承150的橫截面。該整體軸承 150包括用于將錐體組件154可旋轉(zhuǎn)地安裝在主軸158上并且支撐滾 珠軸承162的軸承結(jié)構(gòu)152。軸承結(jié)構(gòu)152還包括第一硬化表面160、 第二硬化表面164以及滾珠軸承130。硬化表面160和164可以為任 意適當(dāng)?shù)挠不牧希ǖ幌抻谔烊换蚝铣山饎偸途劬Ы饎偸?(PCD)。錐體組件154包括多個(gè)嵌入件156和多個(gè)安裝在其上的復(fù)合 片。對(duì)于當(dāng)前公開內(nèi)容而言，用來(lái)支撐本發(fā)明的滾子錐體的軸承結(jié)構(gòu) 適用于任意合適的軸承結(jié)構(gòu)，包括滾柱軸承(如圖3所示)、軸頸軸承(如 圖4所示)和整體軸承(如圖5所示)的軸承結(jié)構(gòu)。另外，每個(gè)軸承結(jié)構(gòu) 104、 102和152具有如在下面圖7中所進(jìn)一步描繪出的中心點(diǎn)。圖6-10B顯示出可以在鉆井期間作用在滾子錐體上的力和可以引 起錐體搖擺的力。圖6顯示出具有三排嵌>^件60和一排沿著承載面42 設(shè)置的復(fù)合片40的錐體組件30。在鉆井操作期間，錐體組件30優(yōu)選 沿著旋轉(zhuǎn)方向箭頭200方向繞著旋轉(zhuǎn)軸線36轉(zhuǎn)動(dòng)。另外，錐體組件30 可以沿著軸向運(yùn)動(dòng)202的箭頭方向沿著旋轉(zhuǎn)軸線36進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)202。 軸向運(yùn)動(dòng)202也可以描述為錐體30A相對(duì)于軸線36的縱向運(yùn)動(dòng)。軸線 36可以當(dāng)作主軸、軸承和錐體30A的軸線。由于作用在錐體組件30 上的各種應(yīng)力和力(包括力矩)(如在這里所進(jìn)一步所述的)，錐體組件30 可以由于進(jìn)行運(yùn)動(dòng)而例如沿著橫向搖擺運(yùn)動(dòng)204的箭頭方向"搖擺"。錐體搖擺運(yùn)動(dòng)204通常為繞著軸線36的錐體運(yùn) 動(dòng)和錐體彎曲運(yùn)動(dòng) 的組合。錐體搖擺運(yùn)動(dòng)非常有害，尤其對(duì)軸承密封件壽命非常有害。錐體搖擺運(yùn)動(dòng)存在許多起因，包括軸承軸線和錐體軸線的不對(duì)準(zhǔn)和軸
承表面的磨損。還有，由設(shè)計(jì)引起的大彎矩和與切割結(jié)構(gòu)、軸承結(jié)構(gòu)
或切割結(jié)構(gòu)和軸承結(jié)構(gòu)的組合相關(guān)的力會(huì)引起搖擺運(yùn)動(dòng)。
已知錐體搖擺運(yùn)動(dòng)是過(guò)早軸承密封件失效的主要原因。這通常是
因?yàn)閾u擺運(yùn)動(dòng)增大了密封件磨損，從而使得切屑和鉆井流體能夠侵入 軸承并且增大了軸承磨損，由此進(jìn)一步增大了搖擺運(yùn)動(dòng)。錐體搖擺運(yùn) 動(dòng)的一個(gè)驅(qū)動(dòng)力是由在切割結(jié)構(gòu)和地層之間的相互作用產(chǎn)生出的彎 矩。使用在這里所述的方法，可以如此設(shè)計(jì)切割結(jié)構(gòu)和軸承結(jié)構(gòu)，從 而可以使彎矩最小化。如所述一樣優(yōu)化切割結(jié)構(gòu)和軸承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)降 低了錐體搖擺運(yùn)動(dòng)，因此提高了鉆頭的軸承和密封件壽命。
現(xiàn)在參照?qǐng)D7A，該圖顯示出具有從中延伸出的主軸34的支撐臂 32。在該附圖中沒(méi)有顯示出滾子錐體30，但是由在每個(gè)錐體上的所有 齒導(dǎo)致的預(yù)期力匯總到單個(gè)點(diǎn)，即中心點(diǎn)214(也可以被稱為力中心 214)。中心點(diǎn)214與相關(guān)錐體組件的軸承結(jié)構(gòu)的中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)。作用在 中心點(diǎn)214上的匯總力矩取決于其沿著軸線36的位置。因此，在軸承 軸線上存在在那里軸承力矩具有最小值的點(diǎn)。如在這里所述一樣，最 小力矩中心為沿著軸承軸線的位置，在該位置處彎矩具有最小值并且 由相應(yīng)獨(dú)特切割結(jié)構(gòu)的特征所限定。
在當(dāng)前示例性實(shí)施方案中，優(yōu)選使用 一模型來(lái)將來(lái)自錐體組件30 的力簡(jiǎn)化成x、 y和z軸線力216和根據(jù)所期望的軸承端部負(fù)載210 和212相對(duì)于中心點(diǎn)214歸結(jié)出的力矩Mx和My。用來(lái)預(yù)測(cè)作用在滾 子錐體30上的力的模型可以是基于計(jì)算機(jī)的模擬，這種模擬的例子描 述在題目為"Roller-Cone Drill Bits, Systems, Drilling Methods, and Design Methods with Optimization of Tooth Orientation" 的美國(guó)專利 No.6095262、題目為"Roller-Cone Bits, Systems, Drilling Methods and Design Methods with Optimization of Tooth Orientation" 的美國(guó)專利 No.6412577以及題目為"Force-Balanced Roller-Cone Bits, Systems, Drilling Methods, and Design Methods"的美國(guó)專利No.6213225中所 描述的一樣，這些專利由此在這里被引用作為參考。如圖7A所示，力A210和力B212為從滾子錐體30作用在軸承 結(jié)構(gòu)和主軸34上的力的簡(jiǎn)化表示。力A210和力B212的位置對(duì)應(yīng)于 這些點(diǎn)，在那里滾子錐體在鉆井期間接觸著軸承結(jié)構(gòu)，由此將負(fù)載傳 遞給主軸34。因此，力A210和力B212也可以,皮稱為"軸承端部" 或"軸承端部負(fù)載"，因?yàn)樗鼈兇篌w上與軸承結(jié)構(gòu)的端部對(duì)應(yīng)。在許多 情況中，力A210大于力B212，因?yàn)榱210與具有更大直徑并且離 滾子錐體的承載面最近的滾子錐體的端部對(duì)應(yīng)。在許多情況中，切割 元件和位于最靠近承載面的位置處的那些切割元件排包括標(biāo)準(zhǔn)排用作 滾子錐體的主要驅(qū)動(dòng)裝置(并且因此通常具有更大的作用在其上的力)。
本發(fā)明利用了軸承力模型(也可以稱為"力學(xué)模型")來(lái)計(jì)算在軸 承端部處的支撐力210和212。下面將參照?qǐng)D22A-22E對(duì)力學(xué)模型的 一個(gè)示例進(jìn)行說(shuō)明。計(jì)算出支撐力210和212及其位置的可選方法為 有限元方法。在該有限元方法中，首先嚙合錐體切割結(jié)構(gòu)、軸承結(jié)構(gòu)。 將從上述鉆井模擬中計(jì)算出的作用在每個(gè)切割元件上的力(在一段時(shí) 間上的平均力或最大力)輸入給有限元方法。通過(guò)輸入材料特性例如楊 氏模量，可以確定出沿著軸承表面的應(yīng)力分布。使用從有限元方法中 計(jì)算出的應(yīng)力分布可以確定出在支撐位置或軸承的端部處的等同點(diǎn) 力。本發(fā)明已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果軸承中心與最小力矩中心一致，則軸承端 部負(fù)載210和212最小。另外，最小力矩中心的位置在很大程度上取 決于錐體的切割結(jié)構(gòu)。在具體實(shí)施方案中，最小力矩點(diǎn)的位置可以取 決于錐體外形和切割元件外形角或顯示在圖11_14中的例子的每個(gè)切
割元件成嵌入件可以具有相應(yīng)的外形角，該外形角由相應(yīng)的法向力軸 68a或68與相關(guān)的錐體旋轉(zhuǎn)軸線36的交叉限定。嵌入件外形角，(于 2004年8月17日提交的題目為"Roller Cone Drill Bits with Enhanced Drilling Stability and Extended Life of Associated Bearing and Seals" 的美國(guó)共同未決專利申請(qǐng)系列No.l0/919，990由此在這里被引用作為 參考)。
可以采用至少三種普通方法來(lái)降低軸承支撐力210和212。首先，
16可以如此改變每個(gè)具體第一方法的切割結(jié)構(gòu)，從而作用在切割結(jié)構(gòu)上 的力產(chǎn)生位于軸承中心附近的最小力矩點(diǎn)。第二方法為根據(jù)現(xiàn)有切割 結(jié)構(gòu)確定最小力矩中心并且將軸承中心靠近最小力矩中心設(shè)置。第三 普通方法是同時(shí)改變切割結(jié)構(gòu)和軸承結(jié)構(gòu)，從而軸承中心和最小力矩 中心相互靠近。
在其中滾子錐體每個(gè)都具有獨(dú)特切割結(jié)構(gòu)的實(shí)施方案中，本發(fā)明 想到單個(gè)鉆頭的三個(gè)軸承結(jié)構(gòu)的每一個(gè)將具有獨(dú)特的最小力矩中心。 因此，三個(gè)滾子錐體組件的每一個(gè)將安裝在如下所述的獨(dú)特設(shè)置的軸 承結(jié)構(gòu)上。換句話說(shuō)，對(duì)于單個(gè)滾子錐形鉆頭而言，利用三個(gè)獨(dú)特軸 承來(lái)將每個(gè)滾子錐體可旋轉(zhuǎn)地連接在其相應(yīng)主軸上。
在軸承軸線(也為滾子錐形組件30的旋轉(zhuǎn)軸線36)上存在這樣一個(gè) 點(diǎn)，在那里軸承彎矩最小(如圖16A-D所示一樣)。最小力矩點(diǎn)的位置 在很大程度上受到滾子錐體的切割結(jié)構(gòu)尤其是錐體外形和嵌入件外形 角的影響。為了降低軸承彎矩，然后優(yōu)選如此設(shè)計(jì)軸承結(jié)構(gòu)，從而其 軸承中心靠近最小力矩中心。
每個(gè)主軸34具有基于每個(gè)軸承相對(duì)于軸承軸線35的位置的相應(yīng) 軸承中心點(diǎn)214(這也可以被稱為"組合軸承中心"或"復(fù)合軸承中心")。 該組合或復(fù)合軸承中心點(diǎn)214為基于每個(gè)主軸34和由主軸支撐的相關(guān) 軸承的具體尺寸的幾何位置。
現(xiàn)在參照?qǐng)D7B，該圖顯示出滾子主體30可旋轉(zhuǎn)地安裝在主軸34 上。如參照?qǐng)D7A所示一樣，所得到的力(F"Fy，F(xiàn)z)和力矩(M"My)歸結(jié) 為沿著z軸線36(這也于主軸34的縱向軸線和滾子錐體30的旋轉(zhuǎn)軸線 對(duì)應(yīng))設(shè)置的位置214?？梢栽谘刂鳽軸線36的任意點(diǎn)出分析作用在 主軸34上的力，但是在那里作用在主軸34上的力矩最小的點(diǎn)為最小 力矩中心。在當(dāng)前實(shí)施方案中，點(diǎn)214優(yōu)選于最小力矩中心和軸承中 心對(duì)應(yīng)。將最小力矩中心設(shè)置在軸承中心附近這降低了作用在主軸上 的力矩，從而降低了錐體搖擺的可能性。
現(xiàn)在參照?qǐng)D8A、 8B、 9A和9B，它們顯示出在滾子錐體進(jìn)行搖擺 時(shí)在滾子錐體和軸承結(jié)構(gòu)之間的相互作用和作用在其上的力。如圖8A和9A中所示一樣，滾子錐體組件30沿著所要求的旋轉(zhuǎn)軸線36從支 撐臂32延伸出。圖8A顯示出這樣一種情況，其中在滾子主體組件30 上施加了不均勻力，其中施加在滾子主體300的底部上的力大于施加 在中部300處的力和施加在滾子錐體30的端部304處的力。這個(gè)不均 勻力導(dǎo)致錐體組件30存在搖擺(例如在圖6中所示的橫向搖擺20),從 而錐體組件不會(huì)繞著所要求的旋轉(zhuǎn)軸線36轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖8A中所示的搖 擺運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致作用在主軸34上的徑向力306、 308、 310和推力負(fù)載312。 更具體地說(shuō)，在圖8A中所示的橫向搖擺力矩下，滾子錐體30的后部 的下部作用在主軸34的底部的下部上，從而導(dǎo)致徑向力306。在相同 的力矩下，錐體的頂部的上部在主軸34上向下轉(zhuǎn)動(dòng)。從而導(dǎo)致作用在 主軸34的頂部處的向下徑向負(fù)載308和310和作用在主軸34的下表 面上的推力負(fù)載312。
圖9A顯示出滾子錐體30相對(duì)于主軸34的搖擺運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)情 況，從而導(dǎo)致作用如圖9B中所示一樣作用在主軸34上的負(fù)載322、 324、 326和328。更具體地說(shuō)，在圖9A中所示的橫向搖擺力矩下， 滾子錐體30的前部的下部作用在主軸34的端部的上部上，從而導(dǎo)致 徑向負(fù)載328和326。在相同的力矩下，滾子錐體30的底部的上部在 主軸34的底部的頂部上向下轉(zhuǎn)動(dòng)，從而導(dǎo)致作用在主軸34的底部的
圖IOA和IOB顯示出根據(jù)本發(fā)明繞著主軸34旋轉(zhuǎn)的滾子錐體組 件30和從中所得到的力的優(yōu)選實(shí)施方案。如所示一樣，力340在滾子 錐體組件30沒(méi)有明顯搖擺地繞著旋轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)作用在其上。因此， 所得到的力350大體上沿著主軸34的底部并且沿著旋轉(zhuǎn)軸線36的方 向作用。力350的分布表示一種優(yōu)選的理想情況，并且優(yōu)選可以采用 在這里教導(dǎo)的鉆頭設(shè)計(jì)的方法和技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
為了獲得在圖IOB中所示的所期望的并且如在這里更詳細(xì)地描述 的負(fù)載，本發(fā)明包括許多用于設(shè)計(jì)鉆頭以便防止錐體搖擺并且有利于 對(duì)主軸進(jìn)行所期望的加載的方法。一個(gè)方法包括首先計(jì)算出在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)期間作用在每個(gè)錐體
30的所有齒60上的力。接著，計(jì)算出作用在每個(gè)錐體30上的合力，
標(biāo)系。然后確定出在軸承和錐體內(nèi)表面之間的接觸區(qū)(例如，力點(diǎn)A210 和B212)。然后根據(jù)上面建立的接觸區(qū)使用一力學(xué)模型(例如在圖22 中所示)。接著，確定出沿著軸承在每個(gè)接觸區(qū)上力分布以及作用在每 個(gè)接觸區(qū)上的平均力和最大力。如前面所述一樣，可以通過(guò)有限元方 法確定出接觸區(qū)和在該接觸區(qū)內(nèi)的力分布。
然后計(jì)算出由軸承元件(包括滾柱)受到的應(yīng)力，并且將它于用于 每個(gè)軸承元件的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。接著，改變每個(gè)錐體的切割結(jié)構(gòu) 和/或每個(gè)軸承的結(jié)構(gòu)，并且重復(fù)上面的計(jì)算直到針對(duì)每個(gè)軸承元件計(jì) 算出的應(yīng)力水平滿足其相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
另一個(gè)設(shè)計(jì)方法包括首先計(jì)算出在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)期間作用在每個(gè) 錐體30的齒60上的力。接著，確定出作用在每個(gè)錐體30上的合力， 然后將它從錐體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)變成軸承坐標(biāo)系。接著，確定出最小彎矩沿 著每個(gè)相應(yīng)軸承軸線的位置。如此設(shè)置每個(gè)軸承結(jié)構(gòu)，從而使最小彎 矩的位置位于兩個(gè)主要支撐點(diǎn)之間并且優(yōu)選盡可能靠近在這兩個(gè)支撐 點(diǎn)之間的中點(diǎn)。然后計(jì)算出作用在所有支撐點(diǎn)上的力。
然后采用有限元方法計(jì)算出在所有軸承元件(包括滾柱)上的應(yīng) 力。然后選擇或設(shè)計(jì)這些軸承元件和每個(gè)相應(yīng)軸承的軸承結(jié)構(gòu)?？梢?改變軸承結(jié)構(gòu)，并且然后按照互動(dòng)的方式針對(duì)所有軸承或針對(duì)單個(gè)軸 承重復(fù)這些力和應(yīng)力。
為了說(shuō)明本發(fā)明的各個(gè)特征，將使用大致相同的切割元件60、 60a 和60b來(lái)說(shuō)明傳統(tǒng)滾子錐形鉆頭和根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)形成的滾子錐形鉆 頭的各個(gè)特征。在圖11-14中所示的錐體組件可以具有基本上相同的 空腔43和承載面42。在承載面42的插座44中沒(méi)有顯示出復(fù)合片40。 每個(gè)錐體組件顯示出具有標(biāo)準(zhǔn)排74，它具有切割元件60a。與錐體組 件相關(guān)的另 一排切割元件包括切割元件60和60b。切割元件60a和60b 可以具有比切割元件60更小的尺寸。對(duì)于一些用途而言，在結(jié)合了本發(fā)明教導(dǎo)的錐體組件和滾子錐形鉆頭內(nèi)的相關(guān)的所有切割元件的尺寸 可以具有基本上相同的尺寸和結(jié)構(gòu)。可選的是， 一些錐體組件和相關(guān) 的滾子錐形鉆頭可以包括在相關(guān)切割元件和切割結(jié)構(gòu)的形態(tài)和尺寸方 面具有明顯變化的切割元件和切割結(jié)構(gòu)。本發(fā)明不限于具有切割元件
60、 60a和60b的滾子錐形鉆頭。還有，本發(fā)明不限于具有空腔48和 承載面42的錐體組件和滾子錐形鉆頭。另外，可以采用各種方法來(lái)確 定圖11-14中所示的法向力軸。這些方法的例子顯示在于2004年8月 17日提交的題目為"Roller Cone Drill Bits with Enhanced Drilling Stability and Extended Life of Associated Bearing and Seals"的共同未 決專利申請(qǐng)系列No.l0/919，990中，該專利在這里被引用作為參考。
圖ll為一示意圖，顯示出用于在下面被稱為"鉆頭A" 500的傳 統(tǒng)滾子錐形鉆頭的復(fù)合錐體外形，它具有三個(gè)(3)組件，在這三個(gè)錐體 組件的每一個(gè)上具有多個(gè)成排布置的切割元件。所有切割元件的峰頂 顯示出伸入到穿過(guò)相關(guān)錐體組件的復(fù)合旋轉(zhuǎn)軸線36的垂直平面上。法 向力軸68沒(méi)有相交或者穿過(guò)單個(gè)點(diǎn)。峰頂點(diǎn)70沒(méi)有限定一圓圏。這 些峰頂點(diǎn)70的一些在圓圏502外面延伸，并且其它峰頂點(diǎn)70位于圓 圏502內(nèi)。
圖12為一示意圖，顯示出根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)用于在下面被稱為"鉆 頭B"的滾子錐形鉆頭的錐體組件的復(fù)合錐體外形520，它具有設(shè)置 在其三個(gè)滾子錐體上的切割元件60、 60a和60b。對(duì)于該實(shí)施方案而 言，于標(biāo)準(zhǔn)排74的切割元件60a的法向力軸68a和于切割元件60和 60b相關(guān)的法向力軸68在力中心530處相互相交。對(duì)于該實(shí)施方案而 言，力中心530可以與復(fù)合錐體旋轉(zhuǎn)軸線36偏置。由dx和dy測(cè)量 出的偏置量?jī)?yōu)選局限于最小可能量。
與切割元件60和60b相關(guān)的峰頂點(diǎn)70優(yōu)選沿著圓圏522設(shè)置。 圓圈522的半徑與法向力軸68的正常長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)。法向力軸線68a的長(zhǎng) 度可以小于導(dǎo)致圓圈522a的法向力軸68。如在當(dāng)前實(shí)施方案中所示 一樣，在標(biāo)準(zhǔn)排74中的切割元件60a的峰頂點(diǎn)70優(yōu)選設(shè)置在圓圏522a 上。在可選的實(shí)施方案中，標(biāo)準(zhǔn)排74的峰頂點(diǎn)70也可以設(shè)置在圓圏522a上。
圖13為一示意圖，顯示出根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)用于在下面被稱為鉆頭 C的滾子錐形鉆頭的錐體組件的復(fù)合錐體外形550，它具有設(shè)置其三 個(gè)滾子錐體上的切割元件60、 60a和60b。與切割元件60和60b的所 有法向力軸68優(yōu)選在位于錐體旋轉(zhuǎn)軸線36上的力中心570處相交。 與標(biāo)準(zhǔn)排74的切割元件60a相關(guān)的法向力軸68a偏離與法向力軸68 相關(guān)的力中心570，并且沒(méi)有與之相交。如在該實(shí)施方案中所示一樣， 法向力軸線68a大體上垂直于滾子錐體旋轉(zhuǎn)軸線36。對(duì)于該實(shí)施方案 而言，力中心570可以非常小，并且具有與小球體對(duì)應(yīng)的尺寸。
圖14為一示意圖，顯示出根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)用于在下面被稱為鉆 頭D的滾子錐形鉆頭的錐體組件的復(fù)合錐體外形600，它具有設(shè)置其 三個(gè)滾子錐體上的切割元件60、 60a和60b。對(duì)于該實(shí)施方案而言， 與每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)排74的切割元件60a相關(guān)的法向力軸68a和與切割元件 60a和60b相關(guān)的法向力軸68優(yōu)選在法向力中心610處相互相交。 對(duì)于該實(shí)施方案而言，力中心610可以與復(fù)合錐體旋轉(zhuǎn)軸線36偏離 或偏斜。
切割元件60和60b的峰頂點(diǎn)70可以設(shè)置在相應(yīng)圓圏602和602b 上。與標(biāo)準(zhǔn)排74的切割元件60a相關(guān)的峰頂點(diǎn)70可以設(shè)置在圓圏602a 上。每個(gè)圓圏602、 602a和602b優(yōu)選相對(duì)于力中心390的中心相互同 心設(shè)置。
現(xiàn)在參照?qǐng)D15，圖表700顯示出作為從簡(jiǎn)化中心到錐體承載面的 距離710的函數(shù)的平均軸承力矩712。所得到的曲線714是典型的并 且顯示出最小力矩中心點(diǎn)716。在該具體實(shí)施方案中，最小力矩中心 點(diǎn)716位于離承載面0.32英寸的位置處，但是如下面所述一樣任意滾 子錐體組件的最小力矩中心將隨著滾子錐體的切割結(jié)構(gòu)變化。
圖16A-D顯示出在沿著與在圖11-14中所示的鉆頭A-D相關(guān)的不 同軸承的軸承軸線的位置處以ft-lbs為單位測(cè)量出的預(yù)測(cè)軸承力矩。
現(xiàn)在參照?qǐng)D16A，曲線800顯示出作為離承載面810的距離的函 數(shù)的鉆頭A(如在圖11中所示一樣)的三個(gè)軸承的預(yù)計(jì)軸承力矩812。這導(dǎo)致與鉆頭A的第一、第二和第三軸承對(duì)應(yīng)的曲線814、818和822。 如所示一樣，與鉆頭A的第一軸承對(duì)應(yīng)的曲線814具有最小力矩點(diǎn) 816，與鉆頭A的第二軸承對(duì)應(yīng)的曲線818具有最小力矩點(diǎn)820,并且 與鉆頭A的第三軸承對(duì)應(yīng)的曲線820具有最小力矩點(diǎn)824。因此，在 鉆頭A上的每個(gè)軸承具有其自身的獨(dú)特最小力矩點(diǎn)(分別為點(diǎn)816、820 和824)。這個(gè)事實(shí)表明對(duì)于鉆頭的所有三個(gè)錐體使用相同的軸承結(jié)構(gòu) 通常不是最優(yōu)解決方案。
現(xiàn)在參照?qǐng)D16B,曲線828顯示出作為離承載面810的距離的函 數(shù)的鉆頭B(如圖12所示)的三個(gè)軸承的預(yù)計(jì)軸承力矩812。這導(dǎo)致與 鉆頭B的第一、第二和第三軸承對(duì)應(yīng)的曲線830、 834和838。如所示 一樣，與鉆頭B的第一軸承對(duì)應(yīng)的曲線830具有最小力矩點(diǎn)832,與 鉆頭B的第二軸承對(duì)應(yīng)的曲線834具有最小力矩點(diǎn)836，并且與鉆頭 B的第三軸承對(duì)應(yīng)的曲線838具有最小力矩點(diǎn)840。因此，在鉆頭B 上的每個(gè)軸承具有其自身的獨(dú)特最小力矩點(diǎn)(分別為點(diǎn)832、 836和 840)。這個(gè)事實(shí)表明對(duì)于鉆頭B的最小力矩點(diǎn)832、 836和840與鉆頭 A的最小力矩點(diǎn)816、 820和824(如圖16A所示一樣)不同。
現(xiàn)在參照?qǐng)D16C，曲線850顯示出作為離承載面810的距離的函 數(shù)的鉆頭C(如圖13所示)的三個(gè)軸承的預(yù)計(jì)軸承力矩812。這導(dǎo)致與 鉆頭C的第一、第二和第三軸承對(duì)應(yīng)的曲線860、 864和868。如所示 一樣，與鉆頭C的第一軸承對(duì)應(yīng)的曲線860具有最小力矩點(diǎn)862，與 鉆頭C的第二軸承對(duì)應(yīng)的曲線864具有最小力矩點(diǎn)866，并且與鉆頭 C的第三軸承對(duì)應(yīng)的曲線868具有最小力矩點(diǎn)870。因此，在鉆頭C 上的每個(gè)軸承具有其自身的獨(dú)特最小力矩點(diǎn)(分別為點(diǎn)862、 866和 870)。在該實(shí)施方案中，所有三個(gè)軸承的最小力矩點(diǎn)偏離錐體承載面。 換句話說(shuō)，從鉆頭B到鉆頭C的錐體外形變化導(dǎo)致最小力矩點(diǎn)更靠近 軸承中心。
現(xiàn)在參照?qǐng)D16D，曲線880顯示出作為離承載面810的距離的函 數(shù)的鉆頭D(如圖14所示)的三個(gè)軸承的預(yù)計(jì)軸承力矩812。這導(dǎo)致與 鉆頭D的第一、第二和第三軸承對(duì)應(yīng)的曲線882、 886和890。如所示一樣，與鉆頭D的第一軸承對(duì)應(yīng)的曲線882具有最小力矩點(diǎn)884,與 鉆頭D的第二軸承對(duì)應(yīng)的曲線886具有最小力矩點(diǎn)888，并且與鉆頭 D的第三軸承對(duì)應(yīng)的曲線890具有最小力矩點(diǎn)892。因此，在鉆頭D 上的每個(gè)軸承具有其自身的獨(dú)特最小力矩點(diǎn)(分別為點(diǎn)884、 888和 892)。與鉆頭C類似，該實(shí)施方案的所有三個(gè)軸承的最小力矩點(diǎn)偏離 錐體承載面并且更靠近軸承中心。
現(xiàn)在參照?qǐng)D17A-C,顯示出作用在每個(gè)軸承的軸承端部A和B上 的力的那些曲線用于如圖11-14中所示的鉆頭A、B、C和D。圖17A-C 表明，鉆頭C被優(yōu)化設(shè)計(jì)以降低力和力矩的大小。在當(dāng)前實(shí)施方案中， 鉆頭A、 B、 C和D其軸承端部負(fù)載根據(jù)作用在滾子錐體上的法向力 預(yù)測(cè)出并且在當(dāng)前示例性實(shí)施方案中不包括任意切向力或作用在切割
結(jié)構(gòu)上的其它力。
圖17A顯示出作為從最小力矩點(diǎn)到鉆頭A-D的第一軸承的軸承中 心910的距離的函數(shù)的估計(jì)軸承端部負(fù)載912的曲線900。顯示出在 第一軸承920的點(diǎn)A處的負(fù)載或力以及在鉆頭A、 B、 C&D的每個(gè)第 一軸承的位置B處的負(fù)載或力。如所示一樣，預(yù)計(jì)鉆頭A在點(diǎn)922和 932處所表示的軸承負(fù)載；預(yù)計(jì)鉆頭B具有在點(diǎn)924和934處表示的 軸承負(fù)載；預(yù)計(jì)鉆頭C具有在點(diǎn)926和936處所示的軸承負(fù)載；并且 預(yù)計(jì)鉆頭D具有在點(diǎn)928和938處所示的力。如所示一樣，鉆頭C的 設(shè)計(jì)導(dǎo)致最低估計(jì)負(fù)載作用在軸承端部A和B處。
圖17B顯示出作為從最小力矩點(diǎn)到鉆頭A-D的第一軸承的軸承中 心946的距離的函數(shù)的估計(jì)軸承端部負(fù)載942的曲線940。顯示出在 第一軸承950的點(diǎn)A處的負(fù)載或力以及在鉆頭A、 B、 C&D的每個(gè)第 二軸承的位置B960處的負(fù)載或力。如所示一樣，預(yù)計(jì)鉆頭A在點(diǎn)952 和962處所表示的軸承負(fù)載；預(yù)計(jì)鉆頭B具有在點(diǎn)954和964處表示 的軸承負(fù)載；預(yù)計(jì)鉆頭C具有在點(diǎn)956和966處所示的軸承負(fù)載；并 且預(yù)計(jì)鉆頭D具有在點(diǎn)958和968處所示的力。如所示一樣，鉆頭C 的設(shè)計(jì)導(dǎo)致最低估計(jì)負(fù)載作用在第二軸承的端部A和B處。
圖17C顯示出作為從最小力矩點(diǎn)到鉆頭A-D的第一軸承的軸承中
23心974的距離的函數(shù)的估計(jì)軸承端部負(fù)載972的曲線970。顯示出在 第三軸承980的點(diǎn)A處的負(fù)載或力以及在鉆頭A、 B、 C&D的每個(gè)第 二軸承的位置B990處的負(fù)載或力。如所示一樣，預(yù)計(jì)鉆頭A在點(diǎn)982 和992處所表示的軸承負(fù)載；預(yù)計(jì)鉆頭B具有在點(diǎn)984和994處表示 的軸承負(fù)載；預(yù)計(jì)鉆頭C具有在點(diǎn)986和996處所示的軸承負(fù)栽；并 且預(yù)計(jì)鉆頭D具有在點(diǎn)988和998處所示的力。如所示一樣，鉆頭C 的設(shè)計(jì)導(dǎo)致最低估計(jì)負(fù)載作用在笫三鉆頭的軸承端部A和B處。
圖18為一示意圖，顯示出具有帶有錐形外螺紋部分22的鉆頭體 1024的滾子錐形鉆頭1020。鉆頭體1024優(yōu)選包括一通道(未示出)， 用來(lái)使來(lái)自鉆井表面的泥漿或其它流體通過(guò)鉆桿柱流向所安裝的鉆頭 1020。鉆頭體優(yōu)選包括三個(gè)支撐臂，其中每個(gè)支撐臂優(yōu)選包括相應(yīng)的 軸或主軸(未示出)。錐體組件1030a、 1030b和1030c可以安裝在相應(yīng) 主軸上。
可以采用銑削沖支術(shù)在每個(gè)錐體組件1030a、 1030b和1030c上形成 具有相應(yīng)峰頂點(diǎn)1068和峰頂點(diǎn)1070的切割元件1060。切割元件1060 有時(shí)稱為"銑成齒(milled teeth )"。切割元件1060可以如此形成，從 而法向力軸在所要求的力中心處相交并且軸承中心如上所述一樣位于 最小力矩中心附近。
如上所述，法向力軸68在位于錐體旋轉(zhuǎn)軸線36上的小力中心或 單個(gè)點(diǎn)處的相交明顯降低了或消除了力矩Mx和My的有害影響，從 而降低了相關(guān)主體組件30a、 30b和30c出現(xiàn)搖擺的可能性。降低錐體 搖擺可以提高相關(guān)軸承和密封件的壽命。
在一些實(shí)施方案中，法向力軸68優(yōu)選可以在力中心(例如在圖12、 13和14中所示的)處相交，其中該力中心通常位于軸承組件的中點(diǎn)處。 在只包括單個(gè)軸承的可選實(shí)施方案中，法向力軸68優(yōu)選可以在力中心 90處相交，其中該力中心90通常與軸承中心對(duì)應(yīng)。在將附加軸承部 件結(jié)合在軸承組件內(nèi)的實(shí)施方案中，法向力軸68優(yōu)選在與軸承組件的 中心大體上對(duì)應(yīng)的力中心處相交。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，因?yàn)檩S承磨損與作用在軸承表面上的力直接相關(guān)，所以可以降低軸承磨損。另外，通過(guò)將軸承中心和最小力 矩中心相互靠近設(shè)置來(lái)減小錐體搖擺運(yùn)動(dòng)，由此使?jié)L子錐體與軸承表 面更好地平衡。另外，降低錐體搖擺還可以降低密封件磨損，這往往 會(huì)由于錐體搖擺運(yùn)動(dòng)而加速。另外，本發(fā)明的教導(dǎo)降低了錐體損耗的 可能性，因?yàn)殄F體損耗往往由于在軸承表面的嚴(yán)重磨損而引起。
現(xiàn)在參照?qǐng)D19，該圖為顯示出根據(jù)本發(fā)明方法的流程圖1100。該 方法從1102開始，之后首先形成鉆頭體1104。這通常包括形成具有 至少第一支撐臂、第二支撐臂和第三支撐臂的鉆頭體，并且每個(gè)支撐 臂具有從中延伸出的主軸。接著，提供具有第一切割結(jié)構(gòu)的第一錐體 組件1106，提供具有第二切割結(jié)構(gòu)的第二錐體組件1108，并且提供具 有第三切割結(jié)構(gòu)的第三錐體組件1110。
根據(jù)每個(gè)錐體組件的切割結(jié)構(gòu)切除每個(gè)相應(yīng)錐體組件的最小力矩 中心112、 114、 116。在一些實(shí)施方案中，這涉及根據(jù)每個(gè)相應(yīng)切割 結(jié)構(gòu)的每個(gè)切割元件的嵌入件外形角確定第一最小力矩中心。在其它 實(shí)施方案中，計(jì)算每個(gè)相應(yīng)錐體組件的最小力矩中心涉及根據(jù)每個(gè)相 應(yīng)切割結(jié)構(gòu)的錐體外形確定每個(gè)相應(yīng)最小力矩中心。
接下來(lái)，如此選擇或設(shè)計(jì)相應(yīng)軸承組件，從而將每個(gè)軸承的軸承 中心按著每個(gè)相應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸線設(shè)置在每個(gè)最小力矩中心附近1118、 1120 和1122。接著，可以改變軸承設(shè)計(jì)或選擇1123， 1124和1125以便使 每個(gè)相應(yīng)軸承中心理想地給進(jìn)其相應(yīng)的最小力矩中心。如果相應(yīng)的軸 承中心沒(méi)有處于所要求的其相應(yīng)最小力矩中心附近的范圍內(nèi)，則適當(dāng) 地改變軸承選擇和/或i殳計(jì)，并且該方法回到步驟1118、 1120或1122。 在所選的軸承中心令人滿意地靠近相應(yīng)最小力矩中心的情況下，該方 法然后至少相對(duì)于那個(gè)相應(yīng)軸承組件在1126處結(jié)束。
現(xiàn)在參照?qǐng)D20，該圖為顯示出根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖1150。 該方法從1152開始，之后首先形成鉆頭體1154。這通常包括形成具 有至少第一支撐臂、第二支撐臂和第三支撐臂的鉆頭體，并且每個(gè)支 撐臂具有從中延伸出的主軸。接著，提供具有第一切割結(jié)構(gòu)的第一錐 體組件1156，提供具有第二切割結(jié)構(gòu)的第二錐體組件1158，并且提供具有第三切割結(jié)構(gòu)的第三錐體組件1160。
接著確定第一軸承的中心點(diǎn)1162。也可以確定第二軸承的中心點(diǎn) 1164以及第三軸承組件的中心點(diǎn)1166。在確定第一軸承中心點(diǎn)1162 之后，可以如此設(shè)計(jì)第一錐體組件的切割結(jié)構(gòu)1168,從而第一錐體組 件具有靠近第一軸承中心點(diǎn)的最小力矩中心。在確定第二軸承中心點(diǎn) 1164之后，可以如此設(shè)計(jì)第二錐體組件的切割結(jié)構(gòu)1170，從而第二錐 體組件具有靠近第二軸承中心點(diǎn)的最小力矩中心。在確定第三軸承中 心點(diǎn)1166之后，可以如此設(shè)計(jì)第三錐體組件的切割結(jié)構(gòu)，從而第三錐 體組件具有靠近第三軸承中心點(diǎn)1172的最小力矩中心。
在設(shè)計(jì)或改變第一切割結(jié)構(gòu)1168之后，可以確定是否要對(duì)第一切 割結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)1174。在第一最小力矩中心和第一軸承組件中 心點(diǎn)沒(méi)有充分靠近的情況中，可以進(jìn)一步改變切割結(jié)構(gòu)。在第一最小 力矩中心和第一軸承組件中心點(diǎn)充分靠近的情況中，該方法可以結(jié)束 1180(或可以然后前進(jìn)至第二錐體組件或第三錐體組件的設(shè)計(jì))。同樣， 在設(shè)計(jì)第二和第三切割結(jié)構(gòu)(分別為1170和1172)之后，該方法然后可 以前進(jìn)以分別在步驟1176和1178處確定是否要對(duì)第二和第三切割結(jié) 構(gòu)作另外的改變。在可選實(shí)施方案中，在確定需要進(jìn)行進(jìn)一步改變(例 如在步驟1174、 1176或1178處)之后，該方法可以另外前進(jìn)至改變相 關(guān)軸承組件的設(shè)計(jì)或選擇。
在一些實(shí)施方案中，可以同時(shí)進(jìn)行對(duì)滾子錐形切割結(jié)構(gòu)和軸承組
件的設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在其它實(shí)施方案中，可以反復(fù)地進(jìn)行對(duì)滾子錐形 切割結(jié)構(gòu)和軸承組件的設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D21，流程圖1200顯示出用于通過(guò)選擇地設(shè)計(jì)滾子錐 形切割結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)軸承結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方法。在優(yōu)選實(shí)施方案中，根據(jù)本 發(fā)明所用的軸承可以預(yù)先設(shè)計(jì)并且裝配。在這些實(shí)施方案中，可以為 每個(gè)滾子錐形組件使用相同的軸承設(shè)計(jì)，或者每個(gè)滾子錐形組件可以 使用不同的軸承設(shè)計(jì)。該方法從1210開始，并且計(jì)算出在每個(gè)時(shí)間步 長(zhǎng)處作用在錐體的所有切割元件上的力1212。接著在步驟1214處計(jì) 算出作用在每個(gè)錐體上的合力，并且將它從錐體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)變成軸承坐
26標(biāo)系1216。接著，計(jì)算出沿著軸承軸線的彎矩以確定出最小力矩點(diǎn)(也 可以稱為最小力矩中心)1218。在下面的步驟中，確定出該最小力矩點(diǎn) 是否位于軸承的兩個(gè)主要支撐點(diǎn)之間1220。
如果最小力矩點(diǎn)沒(méi)有位于那些主要支撐點(diǎn)之間，則改變切割結(jié)構(gòu) 的設(shè)計(jì)1222。切割結(jié)構(gòu)的改變可以包括調(diào)節(jié)切割元件排的位置、切割 元件外形角和取向角度。在改變切割結(jié)構(gòu)之后，重復(fù)前面的步驟以便 確定最小力矩中心是否位于所要求的位置中(在軸承的兩個(gè)主要支撐 點(diǎn)之間)。
如果最小力矩點(diǎn)位于那些主要支撐點(diǎn)之間，則計(jì)算出作用在每個(gè) 軸承接觸點(diǎn)上的力1224。然后使用這個(gè)所計(jì)算出的力來(lái)計(jì)算出作用在 每個(gè)軸承元件(在適當(dāng)?shù)那闆r下包括滾柱)上的應(yīng)力1226。然后將針對(duì)
1228。然后，可以對(duì)錐體的切割結(jié)構(gòu)或?qū)ζ渌鼉蓚€(gè)錐體作出另外設(shè)計(jì) 改變1230。然后可以對(duì)另一個(gè)主體重復(fù)上面的步驟，或者如果該鉆頭 的錐體設(shè)計(jì)令人滿意，則該方法結(jié)束1232。
現(xiàn)在參照?qǐng)D22A-22E，它們說(shuō)明了用于進(jìn)行本發(fā)明的一些步驟的 力學(xué)模型的各個(gè)部分。圖22A為主軸34的側(cè)視圖，顯示出作用在接 觸區(qū)域A1410處的力1406和作用在結(jié)束區(qū)域處的力1408。主軸34 還包括沿著軸承軸線1420的軸承中心點(diǎn)214。軸承中心點(diǎn)214也是軸 承坐標(biāo)系的中心，其中Z軸線1422與軸承軸線1420 —致。另外，如 在當(dāng)前實(shí)施方案中所示一樣，顯示出力1406分成沿著x軸線1424作 用的力1406x和沿著y軸線1426方向作用的力1406y。
圖22B顯示出接觸區(qū)域A 1410的剖視圖，它包括軸承元件1414 的剖視圖。在該實(shí)施方案中，軸承元件1414包括滾柱。在可選的實(shí)施 方案中，軸承元件1414可以為軸頸軸承表面或任意其它合適的軸承元 件。力1406表示基于圍繞著軸承接觸區(qū)域A圓周地作用的多個(gè)預(yù)計(jì) 徑向力的簡(jiǎn)化力。
圖22C顯示出接觸區(qū)域B 1412的剖視圖，它包括軸承元件1414 的剖視圖。在該實(shí)施方案中，軸承元件1416包括滾柱。在可選實(shí)施方案中，軸承元件1414可以為軸頸軸承表面或任意其它合適的軸承元 件。力1408表示基于圍繞著軸承接觸區(qū)域B圓周地作用的多個(gè)預(yù)計(jì) 徑向力的簡(jiǎn)化力。
現(xiàn)在參照?qǐng)D22D,顯示出在鉆井期間作為時(shí)間函數(shù)的作用在接觸 區(qū)域A 1410處的力1406的曲線1440。在當(dāng)前實(shí)施方案中，沿著x軸 線1424作用的預(yù)計(jì)力處于選定的時(shí)間步長(zhǎng)處。還提供了相應(yīng)的曲線 圖，顯示出沿著y軸線1426的方向作用的力的大小。
現(xiàn)在參照?qǐng)D22E，顯示出在鉆井期間作為時(shí)間函數(shù)的作用在接觸 區(qū)域B 1412處的力1408的曲線1450。在當(dāng)前實(shí)施方案中，顯示出一 定時(shí)間內(nèi)并且在所選的時(shí)間步長(zhǎng)處沿著x軸線1424作用的預(yù)計(jì)力。還 提供了相應(yīng)的曲線圖，顯示出沿著y軸線1426的方向作用在接觸區(qū)域 B 1412上的力。
現(xiàn)在參照?qǐng)D23，流程圖1500顯示出用于確定最小力矩中心的方 法。該方法從1508開始，之后計(jì)算出在選定的時(shí)間步長(zhǎng)處作用在滾子 錐體的切割元件上的力。接著，將作用在每個(gè)切割元件上的力投影到 錐體坐標(biāo)系中1512。在下面的步驟中，在錐體坐標(biāo)系中計(jì)算出作用在 每個(gè)錐體上的力1514。接著將作用在錐體上的軸承軸線力簡(jiǎn)化到以選 定的點(diǎn)為中心的軸承坐標(biāo)系1516中。
然后使用軸承坐標(biāo)系計(jì)算出在所選點(diǎn)處的力矩和平均力矩1518。 然后計(jì)算出在所選點(diǎn)處的力矩的矢量總和1520。接著選擇沿著軸承軸 線的附加點(diǎn)(或多個(gè)點(diǎn))，并且將錐體力簡(jiǎn)化到以新選擇的點(diǎn)(或多個(gè)點(diǎn)) 為中心的軸承坐標(biāo)系中1522。換句話說(shuō)，步驟1522可以包括針對(duì)沿 著軸承軸線的其它點(diǎn)重復(fù)步驟1516、 1518和1520。將力矩畫成沿著 軸承軸線的所選點(diǎn)的函數(shù)1524。接著，使用繪圖數(shù)據(jù)確定沿著軸承軸 線的最小力矩位置1526。
現(xiàn)在參照?qǐng)D24，流程圖1600顯示出設(shè)計(jì)軸承結(jié)構(gòu)形態(tài)的方法。 該方法從1608開始，然后首先確定在滾子錐形鉆頭內(nèi)的滾子錐體的軸 承的最小力矩中心1610。接著針對(duì)每個(gè)軸承設(shè)計(jì)出最初軸承形態(tài) 1612。接著，針對(duì)最初軸承形態(tài)1614開發(fā)出力學(xué)模型(例如，如在圖22A-E所示一樣)。通過(guò)計(jì)算出作用在每個(gè)軸承上的預(yù)期端部負(fù)載來(lái)進(jìn) 行該方法1616。
在接下來(lái)的步驟中，確定是否已經(jīng)使端部負(fù)載基本上最小化 1618。在端部負(fù)載已經(jīng)最小化或基本上最小化的情況中，該方法結(jié)束 1624。但是，在端部負(fù)載還沒(méi)有最小化的情況下，該方法繼續(xù)調(diào)節(jié)軸 承形態(tài)或軸承結(jié)構(gòu)1620。在一些實(shí)施方案中，這可以包括重新設(shè)計(jì)軸 承的物理結(jié)構(gòu)。在可選實(shí)施方案中，這可以包括用不同的軸承類型或 型號(hào)更換最初軸承類型。然后調(diào)節(jié)力學(xué)模型以供經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的軸承形態(tài) 使用1622，然后該方法前進(jìn)至步驟1616，并且計(jì)算出作用在每個(gè)軸承 上的預(yù)期端部負(fù)載。
現(xiàn)在參照?qǐng)D25，流程圖1700顯示出用于設(shè)計(jì)軸承結(jié)構(gòu)形態(tài)的方 法。該方法從1708開始，然后首先計(jì)算出用于滾子錐形鉆頭的錐體的 初始切割結(jié)構(gòu)1712。接著確定錐體的最小力矩中心1712。選擇或設(shè)計(jì) 軸承結(jié)構(gòu)形態(tài)1714，并且計(jì)算出作用在軸承上的端部負(fù)載1716。然后 可以調(diào)節(jié)、重新選擇或重新設(shè)計(jì)切割結(jié)構(gòu)和/或軸承結(jié)構(gòu)形態(tài)，以使作 用在軸承1718上的端部負(fù)載最小。
雖然已經(jīng)對(duì)本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但是應(yīng)該理解的是， 在不脫離由以下權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以 在其中作出許多替換和改變。
權(quán)利要求
1.一種確定具有多個(gè)切割元件的滾子錐體的最小力矩中心的方法，該方法包括在所選的時(shí)間步長(zhǎng)處計(jì)算出在特定鉆井條件下作用在每個(gè)切割元件上的預(yù)期力；將作用在每個(gè)切割元件上的力投影到錐體坐標(biāo)系中；在錐體坐標(biāo)系中計(jì)算出作用在每個(gè)錐體上的力；在位于軸承軸線上的選定點(diǎn)處將錐體力簡(jiǎn)化進(jìn)軸承坐標(biāo)系；計(jì)算出在那個(gè)選定點(diǎn)處的力矩并且計(jì)算出平均力矩；計(jì)算出在選定點(diǎn)處的力矩的矢量總和；在第二選定點(diǎn)處將錐體力簡(jiǎn)化進(jìn)軸承坐標(biāo)系，計(jì)算出在第二選定點(diǎn)處的力矩并且計(jì)算出在位于軸承軸線的所述第二選定點(diǎn)處的力矩的矢量總和；畫出作為沿著軸承軸線的選定點(diǎn)的函數(shù)的力矩；并且根據(jù)繪圖確定出沿著軸承軸線的最小力矩的位置。
2. —種設(shè)計(jì)用于滾子錐體的軸承結(jié)構(gòu)形態(tài)的方法，該方法包括 部分根據(jù)相關(guān)的切割結(jié)構(gòu)確定出用于軸承結(jié)構(gòu)的最小力矩中心； 設(shè)計(jì)出初始軸承結(jié)構(gòu)形態(tài)； 建立用于所述初始軸承形態(tài)的力學(xué)模型； 借助有限元方法計(jì)算出在軸承上的預(yù)期端部負(fù)載；以及 調(diào)節(jié)軸承形態(tài)并且重新計(jì)算在軸承上的端部負(fù)載以使預(yù)期端部負(fù)載基本上最小。
3. —種設(shè)計(jì)用于滾子錐形鉆頭的軸承結(jié)構(gòu)形態(tài)的方法，該方法包括設(shè)計(jì)出錐體組件的初始切割結(jié)構(gòu)并且確定出錐體組件的最小力矩中心；設(shè)計(jì)出用于可旋轉(zhuǎn)安裝的軸承結(jié)構(gòu)形態(tài)并且計(jì)算出在軸承結(jié)構(gòu)上 的預(yù)期端部負(fù)載；以及調(diào)節(jié)所述切割結(jié)構(gòu)以使在軸承上的端部負(fù)載最小。
4. 一種設(shè)計(jì)用于滾子錐體的軸承形態(tài)的方法，該方法包括 設(shè)計(jì)出每個(gè)錐體的初始切割結(jié)構(gòu)并且確定出最小力矩中心； 設(shè)計(jì)出初始軸承形態(tài)并且計(jì)算出在軸承上的端部負(fù)載；以及 調(diào)節(jié)切割結(jié)構(gòu)和/或軸承結(jié)構(gòu)形態(tài)以使作用在軸承上的預(yù)期端部 負(fù)載最小。
全文摘要
一種滾子錐形鉆頭，它可以包括優(yōu)化設(shè)計(jì)的軸承結(jié)構(gòu)和切割結(jié)構(gòu)。該滾子錐形鉆頭可以包括三個(gè)通過(guò)相應(yīng)軸承結(jié)構(gòu)可旋轉(zhuǎn)地安裝在相應(yīng)主軸上的錐體組件。每個(gè)錐體組件可以具有相應(yīng)的切割結(jié)構(gòu)，其最小力矩中心沿著每個(gè)相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)軸線設(shè)置。每個(gè)相應(yīng)的軸承結(jié)構(gòu)其中心點(diǎn)位于每個(gè)相應(yīng)最小力矩中心附近。
文檔編號(hào)E21B41/00GK101614108SQ20091015228
公開日2009年12月30日 申請(qǐng)日期2005年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月16日
發(fā)明者陳世林, 隋平群 申請(qǐng)人:霍利貝頓能源服務(wù)公司