專利名稱：具有防鉆頭循舊槽結構的鉆頭的制作方法
技術領域：
在此披露和教導的發(fā)明總體上涉及用于鉆井的鉆地(earth-boring)鉆頭,更具體地說，涉及改進的鉆地鉆頭，例如那些具有兩個或更多個牙輪(roller cones)和帶有相聯(lián)的切削元件的可任意選擇的至少一個固定刀具的組合的鉆頭，其中鉆頭在鉆井作業(yè)期間呈現減少的鉆頭循舊槽(reduced tracking)現象，以及涉及這種鉆頭在井下環(huán)境中的操作。
背景技術：
牙輪鉆頭是公知的，其為具有固定刮刀和牙輪兩者的“混合”型鉆頭。牙輪鉆頭通常在油氣工業(yè)中用于鉆井。牙輪鉆頭通常包括在一端帶有用于連接至鉆柱的螺紋連接部分的鉆頭本體以及附接在所述鉆頭本體的相對端并且能夠相對于鉆頭本體旋轉的多個牙輪，所述牙輪典型地為3個。在每個牙輪上配置有若干切削元件，所述切削元件通常繞各個牙輪的表面成排布置。切削元件通?？梢园ㄌ蓟u硬合金齒、聚晶金剛石復合片、銑制鋼齒或它們的組合。為制作出鉆井效率高并且壽命長的鉆頭，在鉆頭設計和制造上的花費是巨大的。牙輪鉆頭可以被認為是在設計上比固定刀具鉆頭更復雜，因為牙輪鉆頭的切削表面設置在牙輪上。牙輪鉆頭上的每個牙輪相對于鉆頭本體的旋轉而繞相對于鉆頭本體軸線傾斜的軸線獨立地旋轉。因為牙輪旋轉彼此獨立，所以各牙輪的轉速通常是各不相同的。對于任何給定的牙輪，牙輪轉速通?？梢杂摄@頭的轉速和牙輪的“驅動排(drive row)”的有效半徑確定。牙輪的有效半徑通常與牙輪上相對于鉆頭軸線朝著井底軸向延伸最遠的切削元件的徑向范圍有關。這些切削元件通常承載高負荷，可以被認為是通常位于所謂的“驅動排’上。位于牙輪上以鉆取鉆頭的全直徑的切削元件被稱為“保徑排(gage row)”。位于牙輪鉆頭的牙輪上的切削元件增加了牙輪鉆頭設計的復雜性，在鉆井期間，切削元件通過壓裂作用力和剪切作用力的組合使地層變形。另外，最新的牙輪鉆頭設計具有布置在每個牙輪上的切削元件，使得相鄰牙輪上的切削元件在相鄰牙輪之間相互嚙合。在整個鉆頭設計中通常需要牙輪鉆頭上的相互嚙合的切削元件，從而使得牙輪上的相鄰同心排的切削元件之間的鉆頭泥包最小化和/或允許硬合金齒較高地突出以實現有競爭力的鉆進速度(“R0P”)，同時保持鉆頭的使用壽命。然而，牙輪鉆頭上的相互嚙合的切削元件顯著地制約了切削元件在鉆頭上的布置，從而使牙輪鉆頭的設計更加復雜。
對于當前許多的牙輪鉆頭設計，一個突出且總是出現的問題是，由此形成的牙輪配置，無論是任意地作出還是使用模擬設計參數，由于問題(例如“鉆頭循舊槽”和“打滑”)不容易被檢測，因此都很少能夠提供理想的鉆井性能。在鉆頭旋轉期間，當鉆頭上的切削元件落入由其它切削元件在之前的時刻形成的先前凹槽(impressions)之內時,就會產生鉆頭循舊槽現象。這種重疊對齒產生側壓力，往往引起牙輪與先前凹槽對齊。當一個牙輪的根部排的齒落入由另一個牙輪的根部排的齒形成的凹槽之內時，也可能產生鉆頭循舊槽現象。打滑與鉆頭循舊槽有關，當切削元件碰到先前形成的凹槽的一部分，然后滑入這些先前凹槽，而不是切入還未切削的地層時，會發(fā)生打滑，從而降低了鉆頭的切削效率。就牙輪鉆頭來說，在鉆井過程中，由于在井眼底部(下文稱為井底)上的動作(例如滑動)，鉆頭的牙輪通常不呈現純滾動。因為切削元件在落入或滑入由其它切削元件形成的先前凹槽時不能有效切削，因此應當優(yōu)選避免發(fā)生鉆頭循舊槽和打滑。尤其是，由于沒有任何新巖石被切削，因此鉆頭循舊槽造成效率低下，并因而浪費能量。理想的情況是，在井底上的每一次沖擊都應切削新巖石。另外，打滑也是不希望有的，因為打滑可導致切削元件上發(fā)生不均勻磨損，這反過來又可導致鉆頭或刀具過早失效。已經發(fā)現，由于切削元件在鉆頭上的間隔不是最優(yōu)的原因，因此經常發(fā)生鉆頭循舊槽和打滑。在許多情況下，通過適當調節(jié)切削元件在鉆頭上的布置，可以顯著減少諸如鉆頭循舊槽和打滑的問題。對牙輪鉆頭上的牙輪的驅動排上的切削元件來說尤其是這樣的，因為通常驅動排是控制牙輪的轉速的排。正如所指出的，鉆頭牙輪上的切削元件在落入或滑入由其它切削元件形成的先前凹槽時不能有效切削。尤其是，由于沒有任何新巖石被切削，因此鉆頭循舊槽造成效率低下。另外不希望有鉆頭循舊槽發(fā)生是因為鉆頭循舊槽會導致鉆進速度(ROP)變慢、切削結構發(fā)生有害磨損以及鉆頭本身過早失效。打滑也是不希望有的，因為打滑可導致切削元件本身不均勻磨損，這反過來又可導致切削元件過早失效。因而，鉆井過程中的鉆頭循舊槽和打滑會導致鉆進速度低，許多情況下會導致切削元件和牙輪殼體的不均勻磨損。通過適當調節(jié)切削元件在鉆頭上的布置，可以顯著減少諸如鉆頭循舊槽和打滑的問題。對牙輪的驅動排上的切削元件來說尤其如此，這是因為通常驅動排控制牙輪的轉速。認識到這些問題的重要性，因此已經著手有關總體鉆頭設計和刨削-刮削作用程度之間的定量關系的研究，試圖設計和選擇合適的鑿巖鉆頭用于在給定的地層中鉆井。[參見，例如 Dekun Ma 和 J.J.Azar，SPE Paper No. 19448 (1989)]。現存在若干個用于改變鉆頭上切削元件的定向以解決這些鉆頭循舊槽問題的解決方案。例如，美國專利號No. 6，401, 839披露了改變不同牙輪的一排內或重疊排之間的鑿刀型切削元件的牙頂定向，以減少鉆頭循舊槽問題，并改善鉆井性能。美國專利號No. 6，527，068和No. 6，827，161兩者都披露了具體的用于設計鉆頭的方法，該方法通過用鉆頭模擬鉆井以確定它的鉆井性能，然后調節(jié)鉆頭上至少一個非軸對稱的切削元件的定向，并重復模擬和確定，直到性能參數確定為最佳值。所描述的方法還需要用戶逐步求出各個牙輪的運動，以努力克服鉆頭實際使用過程中可能出現的鉆頭循舊槽問題。這樣復雜的模擬需要的計算時間相當長，而且不總是能解決可以影響鉆頭循舊槽和打滑的其它因素(例如正在被鉆的巖石類型的硬度)。美國專利號No. 6, 942, 045披露了一種在一排鉆頭上使用不同幾何形狀的切削兀件以切出相同的地層徑跡并且且有助于減少鉆頭循舊槽問題的方法。然而，在許多鉆井應用(諸如硬地層鉆井)中，由于不對稱切削元件(例如鑿刀型切削元件)在這些地質應用中性能差，因此不希望使用不對稱切削元件?，F有技術中還存在在給定的排上使用不同的齒距型式來解決鉆頭循舊槽問題的方法。例如，美國專利號No. 7，234，549和美國專利號No. 7，292，967描述了用于評估鉆頭的切削布置的方法，具體地說，其包括選擇用于鉆頭的切削元件布置，計算用于切削布置的得分。然后這種方法可用來評估各種鉆頭結構的切削效率。在一個例子中，該方法用來基于用于布置的所期望的井底型式與優(yōu)選井底型式的比較，計算用于該布置的得分。已有報道，該方法的使用，使得牙輪鉆頭的設計比此前的鉆頭呈現出減少的鉆頭循舊槽現象。其它方法也已被描述，其涉及切削元件在鉆地鉆頭上的新布置，以減少鉆頭循舊槽。例如，美國專利No. 7，647，991描述了這樣的布置，其中第一牙輪的根部排的切削元件的數量至少與其它牙輪的根部排的切削元件的數量相等，第二牙輪的相鄰排的切削元件的數量至少為第一牙輪的根部排的切削元件的數量的90%，第三牙輪的根部排的齒距比第一牙輪的根部排的齒距大20-50%。雖然上述方法被認為對特定應用尤其有用，并且通常旨在解決特定地質構成中的鉆井問題，但是，在其它應用中這種改變的切削元件是不受歡迎的，并且采用不同齒距型式難以實施，并從而導致鉆頭設計和制造的方法比解決鉆頭循舊槽問題所需的更復雜。所希望的是一種簡單的設計方法，其對于特定的應用使鉆頭循舊槽現象減少，但不會犧牲鉆頭壽命或者不會需要增加與設計和制造相關的時間或成本。通常用于阻止鉆頭循舊槽的一種方法被稱為錯齒設計。在該設計中，齒沿著牙輪的外周以不等間隔定位。這旨在阻止井底上再現凹槽圖案。但是，錯齒設計不能防止最外排齒的鉆頭循舊槽問題，在那里，齒遇到由其它牙輪上的齒在地層中留下的凹槽。錯齒結構還具有可能導致牙輪轉速波動和鉆頭振動增大的缺點。例如，Estes的美國專利號No. 5, 197, 555披露了用于巖石鉆頭的旋轉牙輪刀具，這種巖石鉆頭使用統(tǒng)制齒牙輪，并具有耐磨硬合金齒的周向排。正如其中詳細敘述的，“兩最外排的硬合金齒相對于牙輪的軸線以一定角度朝向牙輪前側或后側。這樣的定向將實現硬合金齒抗斷裂性增加和/或鉆進速度增加"。在此披露和教導的本發(fā)明旨在一種改進的鉆頭，其帶有設計成能夠減少牙輪的鉆頭循舊槽問題的至少兩個牙輪，同時增大了鉆頭運行期間的鉆進速度。

發(fā)明內容
本申請描述了具有不同直徑的至少兩個牙輪和/或利用了不同刀具齒距的鉆頭，其中，這樣的鉆頭表現為鉆頭上的刀具在地下鉆井作業(yè)過程中鉆頭循舊槽現象和/或打滑減少。依照本發(fā)明的第一個方面，描述了一種鉆頭，所述鉆頭包括具有縱向中心軸線的鉆頭本體；從鉆頭本體延伸的至少一個刮刀；從鉆頭本體延伸的第一臂和第二臂；可旋轉地固定于第一臂的第一牙輪；和可旋轉地固定于第二臂的第二牙輪，其中，第一牙輪的直徑大于第二牙輪。進一步依照本發(fā)明的該方面，鉆頭還可以包括從鉆頭本體沿軸向向下的方向延伸的一個或更多個固定切削刮刀，切削刮刀包括安裝至固定刮刀的多個固定切削元件。
依照本發(fā)明另一個方面，描述了一種鉆頭，所述鉆頭包括具有縱向中心軸線的鉆頭本體；從鉆頭本體延伸的至少一個刮刀；從鉆頭本體延伸的第一臂和第二臂；可旋轉地固定于第一臂的第一牙輪，所述第一牙輪具有在周向上大體上成排地設置在第一牙輪上的多個切削元件；和可旋轉地固定于第二臂的第二牙輪，所述第二牙輪具有在周向上大體上成排地設置在第二牙輪上的多個切削元件，其中，第一牙輪的刀具齒距與第二牙輪的刀具齒距不同。依照該方面的進一步的實施例，第一牙輪的牙輪直徑與第二牙輪的牙輪直徑不同。進一步依照本發(fā)明的該方面，鉆頭還可包括從鉆頭本體沿軸向向下的方向延伸的一個或更多個固定切削刮刀，切削刮刀包括安裝至固定刮刀的多個固定切削元件。進一步依照本發(fā)明的方面，描述了一種鉆地鉆頭，所述鉆頭包括鉆頭本體；從鉆頭本體懸置的至少兩個鉆頭腿，所述鉆頭腿具有周向延伸的外表面、前側和后側；可旋轉地安裝在從鉆頭腿向內懸置的懸臂式支承軸上的第一牙輪和第二牙輪；和多個繞牙輪外表面周向布置的刀具，其中第一牙輪和第二牙輪具有不同的牙輪直徑。進一步依照本發(fā)明的該方面，與一個或更多個牙輪有關的刀具可以具有視情況而定的變齒距、齒距角、和/或IADC硬度，以便在鉆井作業(yè)過程中減少鉆頭循舊槽現象。進一步依照本發(fā)明的該方面，鉆頭可以進一步包括從鉆頭本體沿軸向向下的方向延伸的一個或更多個固定切削刮刀，切削刮刀包括安裝至固定刮刀的多個固定切削元件。


下面的附圖形成本說明書的一部分，包括這些附圖是為了進一步舉例說明本發(fā)明的某些方面。通過參閱這些附圖中的一個或更多個并結合在此提供的具體實施例的詳細說明，可以更好地理解本發(fā)明。圖1示出了依照本發(fā)明的某些方面構造的示例性混合式鉆頭的底視圖；圖2示出了依照本發(fā)明的某些方面構造的圖1中混合式鉆頭的側視圖；圖3示出了依照本發(fā)明的某些方面構造的圖1中混合式鉆頭的側視圖；圖4示出了依照本發(fā)明的某些方面構造的圖1中混合式鉆頭上的牙輪硬合金齒和固定切削元件的組合旋轉側視圖，它們與正在被鉆的地層相接；圖5示出了依照本發(fā)明的某些方面的示例性牙輪鉆頭的一側局部剖視圖；圖6-圖7分別示出了具有良好切削效率的鉆頭的單圈旋轉和多圈旋轉的示例性井底型式；圖8示出了具有較差的切削效率的鉆頭的多圈旋轉的示例性井底型式；圖9A示出了重疊的切口(kerf)與陷坑(crater)部分之間的關系的示例性圖解，為更容易理解本發(fā)明，切口顯示為直的；圖9B示出了明顯重疊的切口與陷坑部分之間的關系的示例性圖解，為更容易理解本發(fā)明，切口顯示為直的；圖9C示出了基本上重疊的切口與陷坑部分之間的關系的示例性圖解，為更容易理解本發(fā)明，切口顯示為直的；圖9D示出了完全重疊的切口與陷坑部分之間的關系的示例性圖解，為更容易理解本發(fā)明，切口顯示為直的；圖1OA示出了由相應刀具排形成的重疊陷坑之間的關系的圖解，為更容易理解本發(fā)明，圖解以直線形式示出；圖1OB示出了由相應刀具排形成的明顯重疊陷坑之間的關系的圖解，為更容易理解本發(fā)明，圖解以直線形式示出；圖1OC示出了由相應刀具排形成的大體上重疊的陷坑之間的關系的圖解，為更容易理解本發(fā)明，圖解以直線形式示出；圖1OD示出了由相應刀具排形成的完全重疊的陷坑之間的關系的圖解，為更容易理解本發(fā)明，圖解以直線形式示出；圖1lA示出了由具有不同刀具齒距的刀具排形成的兩排陷坑的圖解，為更容易理解本發(fā)明，圖解以直線形式示出；圖1lB示出了由具有不同刀具齒距的刀具排形成的兩排陷坑的另一圖解，為更容易理解本發(fā)明，圖解以直線形式示出；圖1lC示出了由刀具排形成的兩排陷坑的圖解，其中一排刀具具有兩種不同刀具齒距，為更容易理解本發(fā)明，圖解以直線形式示出；圖12A-圖12B示出了依照本發(fā)明的示例性牙輪的截面視圖；圖13不出了相應的兩排刀具的截面視圖，所述相應的兩排刀具具有偏尚鉆頭的中心軸線的至少相似的偏離量，每排均位于分開的牙輪上，兩排刀具具有不同的刀具齒距；圖14示出了相應的兩排刀具的截面視圖，所述相應的兩排刀具具有偏離鉆頭的中心軸線的至少相似的偏離量，每排均位于分開的牙輪上，兩排刀具中的一排具有兩種不同的刀具齒距；和圖15不出了相應的兩排刀具的截面視圖，所述相應的兩排刀具具有偏尚鉆頭的中心軸線的至少相似的偏離量，每排均位于分開的牙輪上，牙輪具有不同的直徑，兩排刀具具有不同的刀具齒距。圖16示出了依照本發(fā)明實施例的示例性鉆地鉆頭的底視圖，其中一個牙輪沒有與其它牙輪相嚙合；圖17示出了依照本發(fā)明實施例的示例性鉆地鉆頭的底視圖，其中一個牙輪的直徑和硬度與其它牙輪的直徑和硬度不同；圖18示出了依照本發(fā)明實施例的示例性混合式鉆地鉆頭的底視圖，其中一個牙輪具有不同于其它牙輪的直徑，并且與其它牙輪相比具有齒距變化的刀具。圖19示出了示例性國際鉆井承包商協(xié)會(IADC)鉆頭分類表的局部視圖。雖然在此披露的本發(fā)明適合于各種變形和替代方式，但是，僅少數具體實施例以示例性的方式在附圖中示出并且在下文中進行了詳細描述。這些附圖以及這些具體實施例的詳細描述并不旨在以任何方式限制發(fā)明構思或者附帶的權利要求書的范圍或外延。相反，提供的附圖以及詳細的文字描述向本領域普通技術人員示出了發(fā)明構思，并且能夠使本領域普通技術人員制造和使用發(fā)明構思。
具體實施例方式上述附圖以及下文具體結構和功能的文字描述不用于限制申請人發(fā)明的范圍或者所附的權利要求的范圍。相反，提供附圖和文字描述用于教導本領域普通技術人員去制造和使用尋求專利保護的發(fā)明。本領域技術人員應當明白，為清楚和便于理解，沒有描述或顯示這些發(fā)明的商業(yè)實施例的所有特征。本領域技術人員還應當領會，包含本發(fā)明的方面的實際商業(yè)實施例的開發(fā)將需要許多依實施方案而定的決定才能實現開發(fā)者的最終用于商業(yè)實施例的目標。這樣的依實施方案而定的決定可包括并且可能不限于，遵從系統(tǒng)相關約束、業(yè)務相關約束、政府相關約束及其它約束，其可隨具體實施和位置而隨時變化。雖然在絕對意義上開發(fā)者的工作可能是復雜并且費時的，但是對于本領域普通技術人員來說，在本發(fā)明的教導下，這樣的工作只不過是常規(guī)任務。必須明白，在此披露和教導的發(fā)明適合于很多和各種各樣的變形和替代形式。最后，單個術語的使用，例如"一"(不局限于此)，并不旨在對物品數量進行限制。而且，在文字描述中使用的關系術語(例如但不限于"頂"、”底〃、〃左〃、〃右〃、〃上〃、〃下〃、〃向下〃、〃向上〃、〃側〃、〃第一 〃、〃第二 〃等等)的使用，是用于在具體參照附圖中清楚起見，不旨在限制本發(fā)明或者所附的權利要求的范圍。通常，在運行過程中，鉆地鉆頭上的一個或更多個牙輪將取決于各種各樣的參數(包括井底型式、開鉆程序、正在被鉆的地層的變化和運行參數的變化)而以不同的滾比(roll ratios)旋轉。旋轉中的這些變化以及其它因素(例如牙輪上的切削齒的布置)，可能導致鉆頭循舊槽問題。為了減少鉆頭循舊槽現象，需要一種在運行過程中不局限于單滾比的系統(tǒng)。申請人已經創(chuàng)建了具有不同直徑的至少兩個牙輪和/或在分開的或相鄰的牙輪上利用不同刀具齒距的鉆地鉆頭。參照圖1-圖3，顯示了依照本發(fā)明的示例性鉆地混合式鉆頭11的一個實施例。圖1示出了依照本發(fā)明的示例性混合式鉆頭的底視圖。圖2示出了圖1中鉆頭的示例性側視圖。圖3示出了圖2所示的鉆頭被旋轉90°的示例性側視圖。圖4示出了圖1中混合式鉆頭上的牙輪硬合金齒和固定切削元件的組合旋轉側視圖。這些附圖將彼此結合進行論述。鉆頭的所選擇的部件可類似于美國專利申請公開No. 20080264695、美國專利申請公開No. 20080296068和/或美國專利申請公開No. 20090126998中所示的那些，每個上述專利申請均特別引入在此作為參考。如圖1-圖3所示，鉆地鉆頭11包括具有中心縱向軸線15的鉆頭本體13，所述中心縱向軸線限定鉆頭本體13的軸向中心?；旌鲜姐@頭11包括鉆頭本體13，鉆頭本體在其上延伸部分12處具有用于連接至鉆柱內的螺紋或其它結構。鉆頭11可以包括從鉆頭本體13沿軸向方向延伸的一個或更多個牙輪支撐臂17。支撐臂17可以形成為鉆頭本體13的一個整體部分，也可以在凹座中(未顯示)附接于鉆頭本體的外部。每一支撐臂均可具有前緣、后緣、設置在前緣和后緣之間的外表面以及下巴掌尖部分，所述下巴掌尖部分遠離鉆頭的上延伸部分12朝著鉆頭的工作面向下延伸。鉆頭本體13還可包括沿軸向方向延伸的一個或更多個固定刮刀19。鉆頭體13可以由鋼或硬金屬(例如，碳化鎢)基體材料與鋼硬合金齒構成。鉆頭本體13還在鉆頭內設置有縱向通道(未顯示)，以允許鉆井流體通過噴射通道以及通過標準噴嘴(未顯示)進行流體連通，從而在鉆頭作業(yè)過程中對著井眼和井眼面通過鉆頭刀具本體13附近的噴嘴端口 18排出或噴出。在本發(fā)明的一個實施例中，在一變形構造中，牙輪支撐臂17的中心和固定刮刀19的中心圍繞軸線15彼此對稱地間隔開。在另一個實施例中，在一變形構造中，牙輪支撐臂17和固定刮刀19的中心繞軸線15彼此不對稱地間隔開。例如，相對于鉆頭11的旋轉方向，與相應的在后的固定刮刀19相比，牙輪支撐臂17可更靠近相應在前的固定刮刀19。作為選擇，相對于鉆頭11的旋轉方向，與相應的在前的固定刮刀19相比，牙輪支撐臂17可更靠近相應的在后的固定刮刀19。鉆頭本體13還設置有鉆頭裝卸器槽14，鉆頭的絲扣部分的相對的兩橫向側面上形成有凹槽，以便以工業(yè)中眾所周知的方式提供用于鉆頭裝卸器槽的相互配合的表面，從而容許鉆頭與鉆柱(DS)組件的接合和脫離。牙輪21安裝至相應的牙輪支撐臂17上。每一牙輪21在長度上都被截斷，從而使得牙輪21的遠端與軸向中心15 (如圖1所示)在徑向上間隔開一極小的徑向距離24。多個牙輪切削硬合金齒或元件25安裝至牙輪21上，并與軸向中心15在徑向上間隔開一極小的徑向距離28。所述極少的徑向距離24、28可隨應用不同而變化，牙輪與牙輪之間可以不同，和/或切削元件與切削元件之間可以不同。另外，多個固定切削元件31安裝至固定刮刀刀具19、19’。固定切削元件31中的至少一個可位于鉆頭本體13的軸向中心15處并且適合于切削軸向中心處的地層。也可以在每個固定刮刀刀具19、19’的前緣和后緣之間設置一排或任意所希望的排數的備用刀具33。備用刀具33可以與相應的固定刮刀刀具19、19’上的主要或第一級切削元件31對齊，使得它們在與固定刮刀刀具上的主要或第一級切削元件相同的切削槽或切口或凹槽中切削。作為選擇，它們可以與固定刮刀的所述主要切削元件在徑向上隔開間隔設置，從使得它們在與由相應的固定刮刀刀具上的主要或第一級切削元件形成的切削槽或切口或凹槽相同的切削槽或切口或凹槽之中或之間切削。另外，備用刀具33提供了鉆頭11與正在被鉆的地層之間的額外的接觸位置或接合位置，從而提高了混合式鉆頭11的穩(wěn)定性。牙輪切削元件25、27和固定切削元件31、33的例子包括碳化鎢硬合金齒、由諸如多晶金剛石的超硬材料制成的刀具、以及本領域技術人員已知的其它方式。在此使用的術語“牙輪組件”包括可旋轉地安裝于支撐臂的各種類型和形狀的牙輪組件和刀具牙輪組件。所稱的牙輪組件也可以等同于“牙輪”或“刀具牙輪”。牙輪組件可以具有大體上圓錐形的外部形狀，或者可以具有更接近圓形的外部形狀。與牙輪鉆頭有關的牙輪組件通常朝向彼此地向內指向，或者至少沿鉆頭的軸向中心的方向向內指向。對于某些應用，諸如僅具有一個牙輪組件的牙輪鉆頭，牙輪組件可以具有接近大體上為球形構造的外部形狀。在此使用的術語“切削元件”包括適用于牙輪和混合式鉆頭的各種類型的復合片、硬合金插入物、銑制齒和焊接復合片。術語“切削結構”和“多個切削結構”在本申請中是等同使用的，包括形成在或附接于牙輪鉆頭的一個或更多個牙輪組件上的切削元件的各種組合和布置。如圖4所示，牙輪切削元件25、27和固定切削元件31、33的結合限定了切削型面41,該切削型面41從軸向中心15延伸至相對于軸線的徑向最外周邊或保徑(gage)部分43。在一個實施例中，只有固定切削元件31在軸向中心15和徑向最外周邊43形成切削型面41。但是，牙輪切削元件25與固定切削元件31在切削型面41上的軸向中心15與徑向最外周邊43之間處重疊。牙輪切削元件25被構造成在切削型面41的鼻端45和肩部47處切削，在這里，鼻端45是該型面面向井眼壁并位于保徑43附近的前部部分(即，位于軸向中心15與肩部47之間)。因而，牙輪切削元件25、27和固定切削元件31、33的結合在鼻端45和肩部47限定了共同的切削面51 (如圖2和圖3所示)，鼻端45和肩部47已知是固定刀具鉆頭型面的最弱的部分。切削面51位于混合式鉆頭11的軸向遠端。各牙輪切削元件25、27和固定切削元件31、33中的至少一個在切削面51的軸向方向上延伸基本上相等的尺寸，并且，在一個實施例中，盡管它們在軸向上對齊，但是它們在徑向上彼此偏置。但是，最遠端的元件25、31之間的軸向對齊是不需要的，從而在元件25、31的最遠端位置，元件25、31可以軸向間隔開一段明顯的距離。例如，鉆頭本體具有至少部分地限定在牙輪支撐臂17與固定刮刀19、19’之間的軸向中心上的分叉處(crotch) 53 (如圖3所示)。在一個實施例中，固定切削元件31、33只需要相對于分叉處53較遠(例如，較低)地在軸向上隔開間隔地設置。在另一個實施例中，牙輪21、23和牙輪切削元件25、27可以延伸超過固定刮刀19、19’和固定切削元件31、33的最遠端位置(例如外，超過大約0.060英寸)，以補償這些部件之間磨損的不同。當型面41從肩部47過渡至混合式鉆頭11的周邊或保徑時，牙輪刀具硬合金齒25不再被接合(參見圖4)，多排豎向交錯(S卩，軸向)的固定切削元件31對光滑的井壁進行擴孔。牙輪切削元件25在擴孔時效率非常低，將導致不希望的井眼壁損壞。在牙輪21、23壓碎或以其它方式穿過正在被鉆的地層作業(yè)時，牙輪切削元件排或刀具25、27產生切口或溝槽。這些切口大體上是圓形的，因為鉆頭11在運行過程中旋轉。這些切口還繞正在被鉆的井的中心線向外間隔開地設置，就像牙輪刀具25、27排從鉆頭11的中心軸線15間隔地設置一樣。更具體地說，每一刀具25、27通常均沿著刀具25、27所屬的那排刀具產生的切口形成一個或更多個陷坑。參考圖5，概括性示出了依照本發(fā)明的方面的牙輪類型的示例性鉆地鉆頭111，鉆頭111具有鉆頭本體113，鉆頭本體113具有從鉆頭本體懸置的一個或更多個鉆頭腿127。鉆頭本體113的上端具有用于將鉆頭連接到鉆柱(未顯示)中的一組螺紋115。如圖所概括性示出的，鉆頭腿具有大體上周向延伸的外表面、前側和后側。鉆頭本體111具有若干潤滑劑補償器117，所述潤滑劑補償器117用于減少鉆頭內潤滑劑與鉆頭外部鉆井流體壓力之間的壓差。至少一個噴嘴119設置在鉆頭本體113中，用于引導加壓的鉆井流體從鉆柱內返回切屑并冷卻鉆頭111。一個或更多個刀具或牙輪121在從鉆頭腿向內懸置的懸臂式支承軸120上可旋轉地固定于鉆頭本體113。典型地，各牙輪類型的鉆頭111 (也稱為〃三錐〃鉆頭)具有通過鉆頭腿127可旋轉地安裝于鉆頭本體113的三個牙輪121、123、125，在圖5中示出的其中一個牙輪121局部不是很清楚。沿著鉆頭腿與牙輪相對應的邊緣限定了鉆頭的巴掌尖區(qū)域129。鉆頭腿和/或鉆頭本體還可以任選地包括一個或更多個保徑部分128，所述保徑部分具有與井眼(該井眼已經由鉆頭111鉆出)的壁相接觸的表面，并且例如在定向式或者徑跡式鉆井作業(yè)期間，優(yōu)選載置有一個或更多個用于切削井眼側面的保徑刀具137 (諸如多晶金剛石復合片刀具)。各牙輪121具有大體上圓錐形的構造，包含布置成基本上成周向排(例如根部排、內排、保徑排等)的多個切削齒或插入物131。依照本發(fā)明的某些實施例，切削齒131可以由牙輪121、123、125的支撐金屬機加工或銑制而成。作為選擇，切削齒131也可以是壓配合到牙輪的支撐金屬的配合孔中的碳化鎢復合片。各牙輪121、123、125還均包括在其基底處的保徑表面135，該保徑表面限定鉆頭111的保徑或直徑，并且可以包括刀具硬合金齒137周向排(被稱為保徑排刀具或修整器)以及其它切削元件(諸如具有剪切切削斜面(未顯示)的保徑復合片)。
如圖5中概括性示出的，示例性牙輪鉆頭111的鉆頭本體113由焊接在一起的三個頭部分組成。每個頭部分均具有從本體113向下延伸的鉆頭腿127，鉆頭腿127支撐牙輪121、123、125中的一個。鉆頭腿127和頭部分具有外表面，該外表面是限定鉆頭111的外徑的圓的一部分。凹進區(qū)域129位于各鉆頭腿127之間，所述凹進區(qū)域小于本體113的外徑，以便形成用于在鉆頭作業(yè)期間使鉆井流體和切屑返回的流道。例如，圖6顯示了，示例性鉆頭(例如圖5的鉆頭111)單圈轉動之后，分別由第一牙輪121、第二牙輪123和第三牙輪125上的切削元件形成的初始切口 150、153和156。圖7概括性示出了，鉆頭兩圈轉動之后，由相應牙輪形成的切口 151、154、157。鉆頭可以視情況在大范圍的滾比和刀具角上進行模擬，以在更廣泛的意義上更好地限定鉆頭性能。通過與理論上可能的最大和最小面積相比而對牙輪從井底移除的底部的整個面積進行評估，可以確定牙輪的效率。最小面積定義為鉆頭以固定滾比進行單圈轉動所切削的面積。為了使牙輪切削該最小量的材料，在隨后每圈轉動中，必須完全沿著先前的切口的軌跡。移除最小面積的牙輪被限定為具有零(0%)效率。僅為了說明起見，在圖8中描繪了具有極低效率的鉆頭的示例性描繪，其表示鉆頭的三圈轉動。在該概略視圖中可以看到，由三個相應牙輪在三圈轉動中所切削的面積160、163、166僅有少量改變。最大面積被定義為在每一切削元件都移除理論最大量的材料的情況下所移除的面積。這意味著，在每圈轉動中，各切削元件均不會與已經被任何其它切削元件切削的區(qū)域重疊。移除最大量材料的牙輪限定為具有100%效率。在圖6-圖7中描繪了具有較高效率的鉆頭的例子，其分別表示鉆頭的一圈轉動和三圈轉動。對于任何給定的牙輪，牙輪效率為這兩個界限之間的線性函數。具有在一定滾比的范圍內效率高的牙輪的鉆頭鉆井時鉆頭循舊槽的情況較少，因此地層鉆進速度(ROP)較高。在一個實施例中，通過改變間隔布置或以其它方式移動切削元件，可以增大牙輪的最低效率，從而實現更高的地層鉆進速度。在另一個實施例中，牙輪的平均效率增大，以實現更高的地層鉆進速度。參照圖9-圖10，鉆頭循舊槽發(fā)生在由其中一個牙輪21上的第一排刀具25產生的第一切口 IOOa與由例如另一個牙輪23上的第二排刀具27產生的第二切口 IOOb重疊的地方。更嚴重的鉆頭循舊槽發(fā)生在由第二排刀具27的刀具27形成的陷坑102b與由第一排刀具25的刀具25形成的陷坑發(fā)生實際重疊的地方。在這種情況下，第二排刀具25以及可能的第二牙輪21提供了減少鉆頭11的總鉆進速度(ROP)的作用。另外，鉆頭循舊槽可實際上導致牙輪21和23更快速的磨損。在圖9A-圖9D中，切口 IOOaUOOb (如圖6概括性示出的)已經變直，只顯示了切口 IOOaUOOb的部分，以便更容易地顯示兩切口 IOOaUOOb與兩組陷坑102a、102b之間的關系。如圖9A所示，切口 IOOaUOOb可以只具有一些少量(例如，小于約25%)重疊。這被稱為一般性的重疊或正在重疊。在這種情況下，牙輪21、23上形成切口 IOOaUOOb的那些排刀具25、27相似地偏離鉆頭的中心軸線15，因此那些排可以被認為是具有自中心軸線15的相似的偏移量，或者從中心軸線15相似地偏移。如圖9B所示，切口可以重疊約50%或更多。這被稱為“明顯重疊”或明顯正在重疊。因為形成切口的那些排偏離鉆頭的中心軸線15，因此這也可以被認為是距中心軸線15的偏移量大約相等或大約相等地偏離中心軸線15。如圖9C所示，示例性切口 102a、102b可以重疊約75%或更多。這被稱為“基本上重疊”或“基本上正在重疊”。因為形成切口的那些排偏離鉆頭的中心軸線15，這也可以被認為是距中心軸線15的偏移量基本上相等或基本上相等地偏離中心軸線15。如圖9D所示，切口 102a、102b也可以重疊約95-100%。這被稱為〃基本上完全重疊〃。因為形成切口的那些排偏離鉆頭的中心軸線15，這也可以被認為是距鉆頭的中心軸線15的“偏移量相等”或“相等地偏離”中心軸線15。也可以同樣地敘述由牙輪21、23上的刀具25、27形成的陷坑重疊，即如圖1OA-圖1OD所示，重疊約50%或更多被認為是具有距中心軸線大約相等的偏移量的“明顯重疊”;重疊大約75%或更多被認為是具有距中心軸線基本上相等的偏移量的“基本上重疊”；以及重疊約95-100%被認為是具有距中心軸線相等的偏移量的“基本上完全重疊”。雖然所示的那些排陷坑102a、102b主要具有橫向重疊，但是重疊可以是縱向的或者橫向重疊和縱向重疊的組合，正如圖1lA-圖1lC中所清楚地顯示的那樣。減少一致重疊的一個可行的方法是改變牙輪21中的一個或兩個上的刀具25之間齒距或距離。例如，如圖11A、圖1lB和圖1lC所示，第一牙輪21可以具有帶有不同于第二牙輪23或第二牙輪23上的重疊排刀具27的刀具齒距的一排或更多排刀具25。在圖1lA-圖1lC中，由那些排刀具25、27形成的那些排陷坑102a、102b已變直了，以便更容易地顯示兩切口 IOOaUOOb與兩組或兩排陷坑102a、102b之間的關系。任何情況下，由第一牙輪21上的第一排刀具25產生的第一切口或第一排陷坑102a可以與第二牙輪23上的第二排刀具27產生的第二切口或第二排陷坑102b相重疊，但是，由刀具25形成的陷坑沒有必要基本上一致地重疊，或者甚至沒有必要明顯重疊。相反，通過均勻但不同的刀具齒距，重疊是可變的，這樣使得一些陷坑102a、102b完全重疊，而其它陷坑102a、120b沒有重疊。因而，即使在全部切口中產生循舊槽(即切口完全重疊)的情況下，陷坑也會以某種較小、變化的量發(fā)生重疊。在這種情況下，有些陷坑可能完全重疊，而有些陷坑將完全不會重疊。從上文很明顯，改變刀具之間的齒距、齒距角和/或同一鉆頭上的牙輪的直徑，可以減少或消除鉆頭作業(yè)期間不需要的鉆頭循舊槽問題。參照圖12A和圖12B，示出了示例性圓錐形牙輪121和示例性截頭圓錐形牙輪21的截面視圖，顯示了依照本發(fā)明的若干尺寸特征。例如，牙輪121的直徑Cl1是牙輪基底附近垂直于牙輪的中心軸線α !的跨牙輪的最寬距離。數學上講，通過測量豎直軸線a i與沿著斜邊畫的線S1之間的角度(β )，可以確定牙輪121的直徑屯。然后根據牙輪121的高度的正切，可以確定牙輪121的半徑R1,因此牙輪121的直徑的Cl1在數學上可以表達如下=CipX高度Xtan(i3)。對于截頭圓錐形牙輪21，諸如圖1中混合式鉆頭11所示的，在此所使用的鉆頭的直徑(d2)指的是牙輪本身的最寬外邊緣之間的距離。圖12還示出了依照本發(fā)明的牙輪21和121上的刀具25和125的齒距。在此定義的齒距是指牙輪面上的一排中切削元件之間的間距。例如，齒距可以定義為相鄰切削元件的頂端處中心線之間的直線距離，或作為選擇，可以由繞牙輪軸線的大體圓形排中相鄰切削元件之間的角度測量值表達。這種角度測量值通常在垂直于在牙輪軸線的平面中獲取。當繞牙輪的圓錐表面的排中的切削元件等間距時，該布置被稱為具有“均勻齒距”(即，齒距角等于360°除以切削元件的數量)。當繞牙輪的圓錐表面的排中的切削元件不等間距時，該布置被稱為具有“不均勻齒距”。依照本發(fā)明的某些方面，視情況，術語〃齒距〃還可以指“環(huán)形齒距”或“豎向齒 距”。術語〃環(huán)形齒距〃指從牙輪的一排上的一個切削元件的頂端到同一排或差不多同一排上的相鄰切削元件的頂端的距離。術語〃豎向齒距〃指從牙輪(例如牙輪21或121)的一排上的一個切削元件的頂端到該牙輪的豎向間隔開的下一排上的最近的切削元件的頂端的距離，諸如圖12中Γι和r2所示的。通常牙輪上的齒距是相等的，但是有時遵循大于以及小于等齒距數量的型式。在此所使用的術語"齒距角"是齒沖擊進地層的角度，其可以隨著齒的不同而變化，以滿足正在被鉆的地層的類型。例如，第一刀具齒距可以比第二刀具齒距大25%。換句話說，與第二刀具齒距相比，通過第一刀具齒距而使刀具25的間隔可以遠25%。作為選擇，第一刀具齒距可以比第二刀具齒距大50%。又作為另一個選擇，第一刀具齒距可以比第二刀具齒距大75%。在其它實施例中，第一刀具齒距不同于第二刀具齒距的量可在25%和50%之間、在50%和75%之間、或在25%和75%之間。當然，第一刀具齒距可以比第二刀具齒距小25%、50%、75%或者其間的某一量，如圖1lB和圖13所示。更具體地說，如圖1lB和圖13所示，第一牙輪21a上的第一排刀具25可以使用第一刀具齒距，第二牙輪23b上的第二排刀具27可以使用更大的第二刀具齒距或更大的刀具27間距。因而，甚至在第一和第二排刀具25、27提供了同樣的切口 100的地方，這些排刀具25、27形成的陷坑102a、102b也不會一致地重疊，或者重疊一較小、變化的程度。另外一個例子是，第一牙輪21上的第一排刀具25可以使用第一刀具齒距，第一牙輪21上的第二排刀具25可以使用第二刀具齒距。這里，為進一步避免嚴重的鉆頭循舊槽問題，與第一牙輪21上的第一排刀具25相對應的或與第一牙輪21上的第一排刀具25重疊的第二牙輪21上的第一排刀具25可以使用第二刀具齒距。類似地，與第一牙輪21上的第二排刀具25相對應的或 與第一牙輪21上的第二排刀具25重疊的第二牙輪21上的第二排刀具25可以使用第一刀具齒距。因而，沒有兩個相應或重疊的排使用相同的刀具齒距，各牙輪均具有帶有第一刀具齒距的至少一排刀具25和帶有第二刀具齒距的至少另一排刀具25。另一個可行的方法是使第一牙輪21上的一排或更多排刀具25具有繞其外周的不同的刀具齒距。例如，如圖1lC和圖14所示，第一或第二排刀具25的一部分可以使用第一刀具齒距，而該排刀具25的剩下的三分之二可以使用第二刀具齒距。在這種情況下，重疊或相應的另一排刀具25可以使用第一刀具齒距、第二刀具齒距或完全不同的第三刀具齒距。當然，這可分解為二等份和/或四等份。在另一個例子中，第一牙輪21上的第一排刀具25的三分之一可以使用第一刀具齒距，第一排刀具25的另一三分之一可以使用第二刀具齒距，而該第一排刀具25的剩下的三分之一可以使用第三刀具齒距。在這種情況下，重疊或相應的另一排刀具25可以使用第一刀具齒距、第二刀具齒距、第三刀具齒距或完全不同的第四刀具齒距。因為刀具齒距或刀具25之間的間距/距離可以這樣變化，所以由第一牙輪21上的第一排刀具25產生的第一切口可以與第二牙輪21上的第二排刀具25產生的第二切口相重疊，但是，由刀具25形成的陷坑沒有必要基本上一致地重疊，或者甚至沒有必要明顯重疊。顯然，如果第一排刀具25具有比第二排刀具更大的刀具齒距，并且第一和第二排或牙輪21具有相同的直徑，那么第一排將具有較少的刀具25。因而，假定牙輪21具有均勻的刀具間距和直徑，本發(fā)明的這個特征可以用刀具齒距和/或給定排中刀具數量來表達。
與鉆頭循舊槽相關的其中一個問題是，如果刀具25持續(xù)地或一致地落入由其它刀具25形成的陷坑中，牙輪21本身則可以接觸到正在被鉆的地層、土壤或巖石。該接觸可能導致牙輪21過早磨損。所以，除上述不同的刀具齒距之外，或作為選擇，牙輪21、23中的一個可以具有不同的尺寸或直徑，如圖15所示。例如，第一牙輪21可以比第二牙輪23大或小5%、10%、25%或者其間的某一量。第一牙輪21上的刀具25和/或刀具齒距也可以比第二牙輪23上的大或小。參照圖16-圖18，顯示了依照本發(fā)明的示例性切削布置，其中，這樣的配置起到減少鉆頭上的第一組切削元件形成“鉆頭循舊槽”(即落入或滑入由第二組切削元件形成的凹槽中)的趨勢的作用，反之亦然。圖16示出了依照本發(fā)明的方面構造的示例性牙輪布置的俯視圖。圖17示出了可選的牙輪布置的俯視圖，牙輪具有較小的牙輪直徑。圖18示出了混合式鉆地鉆頭中示例性牙輪布置的俯視圖，其中一個牙輪具有較小的直徑，并且刀具齒距被改變。這些附圖將彼此結合進行論述。圖16示出了依照本發(fā)明的方面的牙輪型鉆頭211的俯視圖，例如圖5概括性描述的類型。鉆頭211包括三個牙輪，牙輪221、223和225附接于鉆頭本體213，并繞中心軸線215布置。每一牙輪均具有從鼻端231延伸至保徑排237的多排刀具227，根據情況，還可帶有額外的排，例如內排235和根部排239。在一個或更多個牙輪上，牙輪還可以任選地包括緊鄰根部排239的修整器233。雖然圖16 (和圖17)中的刀具227大體上顯示的是TCI(碳化鎢鑲齒)插入物型刀具，但是，應該明白，根據情況，它們可以是等同的銑制齒刀具，這取決于正在被鉆的地層。如圖所示，牙輪221和223具有第一直徑(例如，七又八分之七英寸)，而第三牙輪225具有較小的第二直徑(即，六又八分之一英寸)，這樣，使較小直徑牙輪225沒有與其它牙輪(221，223)嚙合。另外，在同一鉆頭內可以使用不同硬度的牙輪，使得具有第一直徑的牙輪具有第一硬度(例如，IADC517)，而具有較小的第二直徑的牙輪具有小于或大于第一硬度的第二硬度(例如，IADC硬度647)。任選地，并同樣可接受的，鉆頭上的每一牙輪均可以具有獨立的直徑和獨立的硬度，視情況而定。在圖17中，示出了相似的鉆頭211’，其中鉆頭211’包括第一、第二和第三牙輪221、223和225，它們繞鉆頭中心軸線215附接于鉆頭本體213，每一牙輪具有附接在牙輪上或形成在牙輪上并以周向排布置的多個切削元件或齒227，如參照16所論述的那樣。還是如圖所示，第三牙輪225的直徑不同于(小于)第一和第二牙輪221、223的直徑。此外，在第三牙輪225 (其沒有與繞中心軸線215的其它牙輪221、223相嚙合)的至少一排上，一排內的刀具的齒距不同，例如，刀具229與刀具231之間的齒距小于刀具233和刀具231之間的齒距。圖18示出了依照本發(fā)明的實施例的示例性混合式鉆頭311的工作面的俯視圖?；旌鲜姐@頭包括兩個或更多個牙輪刀具(顯示了三個)和兩個或更多個(顯示了三個)固定切削刮刀。牙輪刀具329、331、333可旋轉地(通常在軸頸軸承上旋轉，但是也可使用滾動元件或其它支承件)安裝在各個鉆頭腿317、319、321上。每個牙輪刀具329、331、333均具有大體上以周向排布置在牙輪刀具上的多個切削元件335、337、339。在各鉆頭腿317、319、321之間，至少一個固定刮刀刀具323、325、327從鉆頭本體軸向向下懸置。多個切削元件341、343,345成排布置在各固定刮刀刀具323、325、327的前緣上。各切削元件341、343、345為安裝至碳化鎢或其它硬質金屬制柱頭螺栓的多晶金剛石圓盤，柱頭螺栓則軟焊、硬釬焊或以其它方式固定到各固定刮刀刀具的前緣。也可以使用熱穩(wěn)定多晶金剛石(TSP)或其它常規(guī)固定刮刀切削元件材料。每個固定刮刀刀具323、325、327上的每排切削元件341、343、345從鉆頭本體的中心部分延伸至鉆頭本體的徑向最外側或保徑部分或表面。依照本發(fā)明的方面，截頭圓錐形牙輪刀具之一的刀具333的直徑不同于(在這種情況下，小于)其它牙輪刀具的直徑。同樣，一個或更多個牙輪刀具上的各個周向排切削元件在刀具元件之間具有變化的齒距，如圖所示。也就是說，所示的切削元件335和335’之間的齒距大于切削元件335’和335〃之間的齒距。進一步依照本發(fā)明的方面，鉆地鉆頭本身，尤其是與鉆頭(例如鉆頭11或111)相關并且相對于彼此具有變齒距、變齒距角和/或變牙輪直徑(例如，圖16、圖17或圖18的示例性鉆頭)的至少兩個牙輪的牙輪可以被構造成使得其在同一鉆頭內具有不同硬度的牙輪。例如，參照圖16的示例性鉆頭，牙輪221和223可以具有第一硬度(例如，IADC分類517)，而較小直徑的第三牙輪225可以具有第二硬度(例如，IADC分類647)，這樣在同一鉆頭內使用不同硬度的牙輪。因而，依照本發(fā)明的進一步的方面，同一鉆頭內的兩個或更多個牙輪可以具有按IADC標準測量的不同硬度。例如，牙輪可以具有在54到84范圍內變化的IADC硬度分類，或者，具有從系列I到系列8 (正如圖19中所羅列的)變化的IADC系列分類，該系列分類非遍舉性地包括系列1、系列2、系列3、系列4、系列5、系列6、系列7或系列
8。本領域技術人員應當明白，國際鉆井承包商協(xié)會(IADC)已經建立了鉆頭分類體系，用于識別適合于特定鉆井應用的鉆頭，如1992年2月18-21日提交的由IADC/SPE Paper23937改編的“IADC牙輪鉆頭分類體系”中所描述的。根據該體系，各鉆頭都落入特定的3數字式的IADC鉆頭分類。IADC分類中的第一個數字指明地層“系列”，其表示在鉆頭的牙輪上所使用的切削元件的類型以及鉆頭設計成能鉆的地層的硬度。如圖19所示，1-3范圍內的“系列”代表用于軟(I)、中(2)或硬(3)地層的銑制或鋼齒鉆頭，而4-8范圍內的“系列”代表用于變化的地層硬度的碳化鎢硬合金齒(TCI)鉆頭，其中4最軟，8最硬。所使用的系列編號越高，鉆頭設計成能鉆的地層越硬。進一步如圖19所示，“系列”標號4代表TCI鉆頭設計成能鉆較軟的壓縮強度低的地層。本領域技術人員應當明白，這樣的鉆頭通常最大程度地使用大直徑且高凸伸的圓錐形和/或鑿刀式硬合金齒以及最大牙輪偏移量這二者的結合，以實現較高的鉆進速度和切削元件排的深度的相互嚙合，從而防止粘性地層中的鉆頭泥包。另一方面，還是如圖19所示，“系列”標號8代表TCI鉆頭被設計成能鉆非常硬的磨蝕性地層。本領域技術人員應當明白，這樣的鉆頭通常包括在鉆頭外排中的更耐磨的硬合金齒，以防止鉆頭保徑的損失，以及井底切削排中的最大數量的半球形硬合金齒，以使刀具耐用并延長鉆頭壽命。IADC鉆頭分類中的第二個數字代表給定系列內的地層“類型”，這表示由指明的鉆頭對待鉆的地層類型進行進一步的細分。進一步如圖19所示，對于系列4至8中的每一系列，地層“類型”被指明為I至4。在這種情況下，“I”表示對于系列而言的最軟地層類型，類型“4”表示對于系列而言的最硬地層類型。例如，與IADC分類的前兩個數字為“62”的鉆頭相比，IADC分類的前兩個數字是“63”的鉆頭將用于鉆更硬的地層。另外，正如在此所使用的，應當明白，標示為“54-84”(或“54至84”)的IADC分類范圍的意思是鉆頭的IADC分類在系列5 (類型4)、系列6 (類型I至4)、系列7 (類型I至4)、或系列8 (類型I至4)之中或在任何后面采用的IADC分類之中，這些后面采用的IADC分類描述了旨在用于較低壓縮強度的中硬度地層至非常硬的磨蝕性地層的TCI鉆頭。IADC分類代碼的第三個數字與特定支撐設計以及保徑保護有關，由于通常與本發(fā)明的鉆頭和鉆頭部件的使用無關，因而這里省略了對該內容的描述。在IADC分類中也可以可選地包括第四個數字字母代碼，表示附加的特征，例如中心射流(C)，圓錐形硬合金齒(Y)，額外保徑保護(G)，偏差控制(D)，標準鋼齒(S)，以及其它特征。但是，由于通常與本發(fā)明的中心構思無關，因而為清楚起見，這些標記在此也被省略了。 在不背離申請人的發(fā)明的精神的情況下，可以想出運用上面描述的發(fā)明的一個或更多個方面的其它和進一步的實施例。例如，鉆頭11的任何排刀具25、27實際上都可以運用變化的刀具齒距和/或隨機的刀具齒距和/或齒距角，以減少鉆頭循舊槽的發(fā)生。另外，具有三個或更多個的牙輪的鉆頭可以使用不同的直徑和/或不同的刀具齒距。進一步地，本發(fā)明的各種方法和實施例都可以被歸入到產生所披露的方法和實施例的變化的相互組合中。單個元件的敘述可以包括多個元件，反之亦然。步驟的次序可以以多種順序發(fā)生，除非另外明確限定。在此描述的各種步驟可以結合其它步驟、插入所述步驟和/或分成多個步驟。同樣，已經在功能上對這些元件進行了描述，它們可以作為單獨的部件實施或者可以組合成具有多個功能的部件。本發(fā)明已經在優(yōu)選及其它實施例的上下文中進行了描述，但不是本發(fā)明的每個實施例都進行了描述。對本領域普通技術人員來說可得到對所述實施例的顯而易見的改變和變形。披露和未披露的實施例目的不在于限制或限定申請人構想的本發(fā)明的范圍或適用性，相反，依照專利法，申請人旨在完全保護落入權利要求的等價物的范圍內的全部這樣的改變和改進。
權利要求
1.一種鉆頭,包括: 鉆頭本體，所述鉆頭本體具有縱向中心軸線； 從鉆頭本體延伸的至少一個刮刀； 從鉆頭本體延伸的第一臂和第二臂； 可旋轉地固定于第一臂的第一牙輪； 可旋轉地固定于第二臂的第二牙輪；以及 其中，第一牙輪的直徑大于第二牙輪的直徑。
2.如權利要求1所述的鉆頭，其中，第一牙輪的刀具齒距與第二牙輪的刀具齒距不同。
3.如權利要求1所述的鉆頭，其中，第一牙輪的刀具齒距比第二牙輪的刀具齒距大25%。
4.如權利要求1所述的鉆頭，其中，第一牙輪包括兩種不同的刀具齒距。
5.如權利要求1所述的鉆頭，其中，第一牙輪上的一排刀具以兩種不同的刀具齒距間隔開。
6.如權利要求1所述的鉆頭，其中，第一牙輪上的一排刀具的第一部分以第一刀具齒距間隔開，第一牙輪上的該排刀具的第二部分以不同的第二刀具齒距間隔開。
7.如權利要求1所述的鉆頭，其中，第一牙輪上的一排刀具沿該排刀具周向的三分之一以第一刀具齒距間隔開，并且沿該排刀具周向的三分之二以不同的第二刀具齒距間隔開。
8.如權利要求1所述的鉆頭，其中，第一牙輪在單排刀具中包括兩種不同的刀具齒距。
9.如權利要求1所述的鉆頭，其中，第一牙輪和第二牙輪均具有基本上相等地偏離所述縱向中心軸線的刀具排。
10.如權利要求9所述的鉆頭，其中，基本上相等地偏離所述縱向中心軸線的那些排具有不同的刀具齒距。
11.如權利要求9所述的鉆頭，其中，基本上相等地偏離所述縱向中心軸線的那些排具有不同的直徑。
12.如權利要求1所述的鉆頭，其中，第一牙輪和第二牙輪均具有同樣地偏離所述縱向中心軸線的刀具排，從而使得刀具的切口重疊。
13.如權利要求12所述的鉆頭，其中，重疊的那些排具有不同的刀具齒距。
14.如權利要求12所述的鉆頭，其中，重疊的那些排具有不同的直徑。
15.—種鉆頭,包括: 鉆頭本體，所述鉆頭本體具有縱向中心軸線； 從鉆頭本體延伸的至少一個刮刀； 從鉆頭本體延伸的第一臂和第二臂； 可旋轉地固定于第一臂的第一牙輪，所述第一牙輪具有布置在所述第一牙輪上的基本上成周向排的多個切削元件；和 可旋轉地固定于第二臂的第二牙輪，所述第二牙輪具有布置在所述第二牙輪上的基本上成周向排的多個切削元件； 其中，第一牙輪的刀具齒距與第二牙輪的刀具齒距不同。
16.如權利要求15所述的鉆頭，其中，第一牙輪的刀具齒距比第二牙輪的刀具齒距大25%。
17.如權利要求15所述的鉆頭，其中，第一牙輪包括兩種不同的刀具齒距。
18.如權利要求15所述的鉆頭，其中，第一牙輪上的一排刀具以兩種不同的刀具齒距間隔開。
19.如權利要求15所述的鉆頭，其中，第一牙輪上的一排刀具的第一部分以第一刀具齒距間隔開，并且第一牙輪上的該排刀具的第二部分以不同的第二刀具齒距間隔開。
20.如權利要求15所述的鉆頭，其中，第一牙輪上的一排刀具沿該排刀具周向的三分之一以第一刀具齒距間隔開，并且沿該排刀具周向的三分之二以不同的第二刀具齒距間隔開。
21.如權利要求15所述的鉆頭，其中，第一牙輪在單排刀具中包括兩種不同的刀具齒距。
22.如權利要求15所述的鉆頭，其中，第一牙輪和第二牙輪均具有基本上相等地偏離所述縱向中心軸線的刀具排。
23.如權利要求22所述的鉆頭，其中，基本上相等地偏離所述縱向中心軸線的那些排具有不同的刀具齒距。
24.如權利要求22所述的鉆頭，其中，基本上相等地偏離所述縱向中心軸線的那些排具有不同的直徑。
25.如權利要求15所述的鉆頭，其中，第一牙輪和第二牙輪均具有同樣地偏離所述縱向中心軸線的刀具排， 從而使得刀具的切口排重疊。
26.如權利要求25所述的鉆頭，其中，重疊的那些切口排具有不同的刀具齒距。
27.如權利要求25所述的鉆頭，其中，重疊的那些切口排具有不同的直徑。
28.如權利要求15所述的鉆頭，其中，第一牙輪和第二牙輪具有不同的牙輪直徑。
29.如權利要求15所述的鉆頭，其中，第一牙輪上的切削元件具有比第二牙輪上的切削元件大的IADC硬度。
30.一種鉆地鉆頭,包括: 鉆頭本體； 從鉆頭本體懸置的至少兩個鉆頭腿，所述鉆頭腿具有周向延伸的外表面、前側和后側； 第一牙輪和第二牙輪，所述第一牙輪和第二牙輪可旋轉地安裝在從鉆頭腿向內懸置的懸臂式支承軸上；以及 繞牙輪外表面周向布置的多個刀具， 其中第一牙輪和第二牙輪具有不同的牙輪直徑。
31.如權利要求30所述的鉆地鉆頭，其中，在第一牙輪和第二牙輪中的至少一個上的至少兩個刀具具有不同的齒距。
32.如權利要求30所述的鉆地鉆頭，其中，在第一牙輪和第二牙輪中的至少一個上的至少兩個刀具具有不同的齒距角。
33.如權利要求30所述的鉆地鉆頭，其中，第一牙輪上的刀具具有不同于第二牙輪上的刀具的IADC硬度。
34.如權利要求30所述的鉆地鉆頭，所述鉆地鉆頭還包括帶有前緣和后緣的固定刮刀刀具，所述固定刮刀刀 具具有成排地布置在固定刮刀刀具的前緣上的多個切削元件。
全文摘要
本發(fā)明披露了帶有具有不同直徑的至少兩個牙輪(21)和/或利用不同刀具齒距以便在鉆井作業(yè)期間減少鉆頭循舊槽問題的鉆頭(11)。尤其是，提供鉆地鉆頭，所述鉆頭具有兩個或更多個牙輪以及可任選的一個或更多個刀具刮刀(19)，所述鉆頭被布置成，通過調節(jié)其中一個或更多個牙輪的齒間距、牙輪齒距角和/或直徑，減少牙輪齒在作業(yè)期間的鉆頭循舊槽現象。這些配置在鉆頭作業(yè)期間實現了防鉆頭循舊槽行為，提高了鉆井效率。
文檔編號E21B10/14GK103080458SQ201180032259
公開日2013年5月1日 申請日期2011年6月29日 優(yōu)先權日2010年6月29日
發(fā)明者R·J·巴斯克, J·F·布拉德福德 申請人:貝克休斯公司