專利名稱：用于牙輪鉆頭的保護插件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及鉆井眼，尤其是涉及改善牙輪鉆頭主切刀的抗腐蝕性并減少牙輪鉆頭主切刀的損失。
背景技術：
用于地面鉆孔操作的鉆頭經受大的應力和力?？梢圆捎醚垒嗐@頭穿過硬地層，例如巖石和煤。在將這些地層物質打破時，這些物質會是腐蝕性的并且導致牙輪鉆頭的某些部分腐蝕。當支撐主切刀的鉆頭部分腐蝕時，主切刀會從鉆頭脫落并掉落在井眼中。主切刀的掉落減少鉆頭的鉆孔有效性，并且他們的替換會是成本高昂和耗時的。請參考Portwood的美國專利號6176329，其公開了帶有脊切削切刀元件的鉆頭。脊切削切刀元件從刃帶延伸出并且散布于也從該刃帶延伸出的主切刀元件。

發(fā)明內容
陳述了牙輪地面鉆頭的抗腐蝕性圓錐滾切刀。具體地，通過使用布置在刃帶側壁內的耐用保護插件，會減少導致主切刀元件根切和最終損失的刃帶腐蝕。描述了優(yōu)選的但非限制性的圓錐滾切刀實施例。在實施例中，用于牙輪地面鉆頭的圓錐滾切切刀有大體圓錐形主體。該大體圓錐形主體限定多個刃帶和凹槽。每個刃帶支撐周向一圈的主切刀元件。多個刃帶中的至少一個具有刃帶側壁。刃帶側壁定義相鄰凹槽的邊界。多個保護插件布置在刃帶側壁內。保護插件可以減少對刃帶側壁的腐蝕。一個或更多保護插件可以布置在一對主切刀之間。保護插件可以由碳化鎢組成。它們可以陷入刃帶側壁內、與刃帶側壁齊平或延伸出刃帶側壁。保護插件的頂端可以是大體平坦的或，在某些實施例中，可以是大體圓頂形的。還公開了增加牙輪鉆頭的圓錐滾切刀抗腐蝕性的方法。該方法包括形成具有多個刃帶和多個凹槽的圓錐滾切刀主體。鉆頭主體可以由硬化鋼形成。每個刃帶可以適于支撐周向一圈的主切刀元件。刃帶中的至少一個具有限定相鄰凹槽邊界的刃帶側壁?？梢栽谌袔缺谥行纬啥鄠€隔開孔。之后，保護插件可以插入到刃帶側壁中的每個孔中。


圖1示出根據本公開實施例的牙輪鉆頭的等距視圖；圖2示出根據本公開實施例的與牙輪鉆頭一起使用的三個圓錐滾切刀的等距視圖，每個圓錐滾切刀均包括被置于一個或更多個刃帶內的保護插件；
圖3A和圖3B示出圖2圓錐滾切刀中一個的一部分的詳細視圖；圖4示出根據本公開實施例的圓錐滾切刀的360°旋轉圖，其中圓錐滾切刀中的一個被示為帶有保護插件；以及圖5A和圖5B示出根據本公開的保護插件的替代性實施例。
具體實施例方式現參考圖1，其示出用于地面鉆孔的牙輪鉆頭10。牙輪鉆頭10具有中心軸線12和鉆頭主體14。鉆頭主體14包括在其上端部用于將鉆頭10固定到鉆柱(未示出)的螺紋部分16。牙輪鉆頭10具有如由三個圓錐滾切刀18限定的預定量規(guī)直徑，其中三個圓錐滾切刀18中的兩個在圖1中是可見的。每個圓錐滾切刀18可旋轉安裝在依附于鉆頭主體14的軸承軸上。鉆頭主體14還包括焊接在一起以形成鉆頭主體14的三段或三個腿20(在圖1中示出兩個腿20)。鉆頭進一步包括一個或更多噴嘴22。噴嘴22引導鉆井液朝向鉆孔底部和圓錐滾切刀18的周圍。牙輪鉆頭10還可以包括供應潤滑劑到每個圓錐滾切刀18的軸承的一個或更多潤滑劑箱24。潤滑劑被密封在被置于圓錐滾切刀18內部的環(huán)形密封件內，并且鉆孔液不被置于圓錐滾切刀18內部的環(huán)形密封件所包括。每個切刀18包括錐底面30，當切刀18在鉆孔底部周圍旋轉時其適于保留用于刮掉或削掉鉆孔側壁的邊切刀元件32?，F連同圖1參考圖2，三個圓錐滾切刀18a、18b和18c中的每個是可見的。每個圓錐滾切刀18可旋轉安裝在懸臂式銷或軸頸上，并且每個均具有相應旋轉軸線26a、26b和26c,其中每個均面向下并且向內朝向牙輪鉆頭10的中心。每個圓錐滾切刀18a、18b和18c通過圓錐滾切刀18內部的球軸承相對銷旋轉。每個圓錐滾切刀18a、18b和18c限定大體圓錐形表面，且其具有朝向鉆頭10中心的錐體頂端或鼻端。大體圓錐形表面除其他功能之外還適于支撐主切刀元件60，當圓錐滾切刀18繞鉆孔旋轉時，該主切刀元件60鑿刨或碾碎鉆孔底部。大體圓錐形表面包括被稱為“刃帶”的多個脊，并且在圖1中以附圖標記36指示，并且在圖2中更為具體地被標示為量規(guī)刃帶38a、38b、38c，第一內刃帶40a、40b、40c，第二內刃帶42a、42b、42c，以及鼻端刃帶44 (在圖2中僅示出44b)。這些刃帶中的每個均支撐和固定主切刀元件60。刃帶可以具有刃帶側壁作為其邊界。例如，圓錐滾切刀18b的第一內刃帶40b可以限定第一內刃帶側壁48b。也可以在大體圓錐形表面內在兩個相鄰刃帶之間形成凹槽52(例如在圖1大體被示出，不過參考圖2更為具體地被表示為第一內凹槽54a、54b和54c)。應當進一步注意到圓錐滾切刀18b的兩個相應刃帶側壁，例如刃帶側壁48b和50b，也大體限定了凹槽的邊界，例如內凹槽54b的邊界。因此，刃帶側壁也可以被認為是凹槽側壁。在每個圓錐滾切刀18上，刃帶36可以隨著靠近錐體頂端或鼻端而直徑減小。因此，量規(guī)刃帶38可以是最大直徑的刃帶。朝錐體鼻端移動，第一內刃帶40可以支撐周向一圈主切刀元件60。進一步朝錐體鼻端移動，第二內刃帶42可以具有小于第一內刃帶40的直徑并且還可以支撐周向一圈主切刀元件60。每個切刀18還可以具有支撐主切刀60鼻端一圈主切刀元件60的鼻端刃帶44。在某些實施例中，鼻端一圈可以僅具有一個切刀但仍然可以稱為圈。圓錐滾切刀18的相鄰刃帶可以由凹槽52隔開。例如，參考圖2，每個圓錐滾切刀18a、18b、18c可以具有相應第一內凹槽54a、54b、54c，并且進一步朝向錐體的鼻端可以具
有第二內凹槽。圓錐滾切刀18a、18b和18c通常被設置成彼此“相互嚙合”。更為具體地，相互嚙合可以允許圓錐滾切刀18a、18b、18c具有鉆孔直徑內的較大直徑，以便適應最大可能軸承尺寸。為了實現最大圓錐滾切刀直徑，隨著鉆頭旋轉，某些圈切刀元件60可以被設置成穿過相鄰錐體上的切刀元件60的圈之間。切刀18的相互嚙合在圖4中示出。返回參考圖2，圓錐滾切刀18a的主切刀元件60a從第二內刃帶42a延伸出并與圓錐滾切刀18b的相應內凹槽54b嚙合。凹槽54b為從第二內刃帶42a延伸的主切刀60a提供余隙。在操作過程中，被鉆通產生鉆孔的材料被置于切刀60a和凹槽54b之間。隨著時間的推移，這種材料會腐蝕鉆頭主體14的表面。若在某些區(qū)域減少這種腐蝕，會產生更強更耐久的鉆頭。例如，在鉆通煤層過程中，由牙輪鉆頭10從地層分離出的最終物質可以是泥漿型組合物。這種泥漿會是腐蝕性的并且會從鉆頭主體14腐蝕下材料，具體地是腐蝕下與刃帶36關聯的硬化鋼表面。作為例子，泥漿會聚積在(從圓錐滾切刀18a的第二內刃帶42a延伸的)主切刀元件60a與(圓錐滾切刀18b的)第一內凹槽54b之間。通過主切刀60a驅使材料朝向凹槽54b，這種腐蝕會惡化。若與第一內刃帶40b關聯的硬化鋼被腐蝕掉或其他方式被削弱，則這種腐蝕會是特別成問題的。若這種情況發(fā)生，則從圓錐滾切刀18b的第一內刃帶40b延伸的主切刀60b會從錐體分離。這會導致更低效的鉆孔和/或圓錐滾切刀18的高成本修理或更換。第一內刃帶40b的兩個表面會經受腐蝕。首先，會侵蝕主切刀60a從其延伸的表面。而且，在這個例子中識別為第一內刃帶側壁48b的刃帶側壁也會被腐蝕。第一內刃帶側壁48b的腐蝕會導致根切從第一內刃帶40b延伸的一個或更多主切刀60b?？梢詼p少對刃帶側壁的腐蝕以便產生更耐久的鉆頭10。根據本公開的實施例，保護插件58可以被插入到刃帶側壁內以便保護從該側壁所限定的刃具延伸的主切刀60b。這些保護插件58b可以是由碳化鎢或其他超硬耐腐蝕材料制成的大體圓柱形構件。保護插件58b可以比形成圓錐滾切刀18b主體部分的硬化鋼更強和更耐腐蝕。因此，繼續(xù)上面的例子，通過位于刃帶側壁48b中的保護插件58b從而可以保護從刃帶40b延伸的主切刀60b免于離開圓錐滾切刀18。保護插件58可以壓配合到鉆通刃帶側壁(例如內刃帶側壁48b )所形成的孔中。根據實施例，一個或更多保護插件58b可以周向插入切刀元件60b之間。通過這樣的方式,一個保護插件58b可以被定位成保護兩個主切刀免于由刃帶側壁48b腐蝕所導致的根切。根據替代性實施例，兩個或更多個保護插件58b可以被周向定位于主切刀60b之間。例如，圓錐滾切刀18b的第二內刃帶側壁50b被示為具有兩個保護插件58b，其被定位于從第二內刃帶42b延伸出的主切刀60b之間。作為例子，每個切刀元件的超過兩個保護插件被示為被布置在圓錐滾切刀18a的第二刃帶側壁50a內。在這樣的實施例中，從圓錐滾切刀18a鼻端刃帶延伸出的每個主切刀元件60a有超過兩個保護插件58a。在主切刀60之間定位保護插件58可以避免被布置在刃帶側壁表面之下的保護插件58的主體交叉和干涉可能位于刃帶之下的主切刀元件60的一部分。例如，請參見圖3B，其示出在相關聯的主切刀60前面布置的保護插件58。
保護插件58b可以延伸超出刃帶側壁，例如內刃帶側壁48b。而且，因為保護插件58b通常不用做切削功能，因此它們可以與刃帶側壁48b平齊或低于刃帶側壁48b。根據某些實施例，保護插件58b的頂部表面可以被設置成從低于刃帶側壁48b的表面大約O. 015英寸到高于刃帶側壁48b0. 030英寸。與本公開的教導一致，在某些應用中，保護插件58b可以延伸超出在刃帶側壁48b表面之上的O. 030英寸，從而使得保護插件58b和與第一內凹槽54b相互嚙合的圓錐滾切刀18a的主切刀元件60a之間存在余隙(參見圖4)。這種余隙會確保在鉆孔期間，當兩個圓錐切刀18a、18b滾動時主切刀60a不接觸保護插件58b。 現參考圖3A和圖3B，其示出圖2中一個圓錐滾切刀的詳細視圖。圖3A示出從垂直于刃帶側壁48A觀察的圓錐滾切刀。圖3B示出圖3A的截面圖。具體參考圖3B，其示出主切刀60A與保護插件58A的角度關系。如圖3B所示，保護插件58的縱向軸線與主切刀60的縱向軸線可以定義一個角度。具體地，該角度Θ可以近似等于由刃帶側壁的假想垂直線與刃帶的假想垂直線所形成的角度。在某些實施例中，這個角度可以近似是45°或更大。例如Θ可以近似等于46°。圖4示出例如牙輪鉆頭10的牙輪鉆頭的圓錐滾切刀的360°旋轉圖。該投影示出圓錐滾切刀18a的代表圖。應當清楚投影圖像未示出如圖2所示的圓錐滾切刀18a的所有特征。圓錐滾切刀18a被示為具有類似圓錐滾切刀18b和18c的另兩個圓錐滾切刀。所示的圓錐滾切刀中的一個具有分裂的360°投影，以便更好說明圓錐滾切刀彼此間的相互嚙
八
口 ο圓錐滾切刀18a包括主切刀元件60a。示出從第二內刃帶42a延伸處的一圈主切刀元件60a。還示出根據本公開實施例的一圈保護插件58a。保護插件58a可以減少對第二內刃帶42a的刃帶側壁的腐蝕，并且從而保護主切刀元件60a以免于從錐體18a脫離。保護插件58可以被壓配合到圓錐滾切刀18中。在某些實施例中，在大鉆孔力下，粘合劑可用于確保牢固的壓配合。粘合劑可以是黃銅或銀焊料。在形成圓錐滾切刀18后，可以如圖2所示在相應切刀18a、18b、18c的刃帶側壁中鉆取周向間隔開的孔。在鉆出孔后，保護插件58可以被壓配合到被鉆孔中?，F參考圖5A和圖5B，保護插件58可以具有大體圓柱主體且其帶有限定保護插件58的暴露表面的頂部部分。頂部部分是如圖5A所示大體平坦的，例如頂部部分大體與刃帶側壁平行。在另一些實施例中，暴露的頂部部分是如圖5B所示的大體圓頂形。雖然已經在前述的附屬繪圖和描述中說明和描述了本公開方法和裝置的優(yōu)選實施例，應當理解本發(fā)明不限于已經公開的實施例，在不偏離由附屬權利要求闡述和定義的本發(fā)明精神范圍前提下，能夠對其做出許多重新安排、修改和替換。
權利要求
1.ー種用于牙輪地面鉆頭的圓錐滾切刀，其包括 限定多個刃帶和多個凹槽的大體圓錐形主體； 每個刃帶均支撐周向一圈主切刀元件； 至少ー個刃帶具有限定相鄰凹槽邊界的刃帶側壁； 被置于所述刃帶側壁內以用于減少對所述刃帶側壁的腐蝕的多個保護插件。
2.根據權利要求1所述的圓錐滾切刀，其中所述多個保護插件中的每個均包括碳化鎢。
3.根據權利要求1所述的圓錐滾切刀，其中所述多個保護插件中的每個均具有圓柱形主體部分和頂部部分，該頂部部分限定頂部表面。
4.根據權利要求3所述的圓錐滾切刀，其中所述頂部表面是平坦的。
5.根據權利要求3所述的圓錐滾切刀，其中所述頂部表面是圓頂形的。
6.根據權利要求3所述的圓錐滾切刀，其中所述頂部表面陷入到所述刃帶側壁之下。
7.根據權利要求3所述的圓錐滾切刀，其中所述頂部表面與所述刃帶側壁基本齊平。
8.根據權利要求3所述的圓錐滾切刀，其中所述頂部表面延伸超出所述刃帶側壁。
9.根據權利要求1所述的圓錐滾切刀，其中僅有ー個保護插件被置于ー對所述主切刀元件之間。
10.根據權利要求1所述的圓錐滾切刀，其中至少兩個保護插件被置于ー對所述主切刀元件之間。
11.根據權利要求1所述的圓錐滾切刀，其中所述保護插件中的至少ー個包括限定該保護插件的軸線的圓柱形主體部分；以及 所述保護插件的所述軸線與至少ー個所述主切刀元件的軸線形成45度或更大的角。
12.ー種牙輪鉆頭，其包括 多個圓錐滾切刀， 每個圓錐滾切刀均包括 限定多個刃帶和多個凹槽的大體圓錐形主體； 每個刃帶均支撐周向一圈主切刀元件； 至少ー個刃帶具有限定相鄰凹槽的邊界的刃帶側壁； 被置于所述刃帶側壁內以用于減少對所述刃帶側壁的腐蝕的多個保護插件，其中所述保護插件中的每個均包括碳化鎢； 其中所述保護插件中的每個均包括限定該保護插件的軸線的圓柱形主體部分，以及所述保護插件的所述軸線與從所述至少ー個刃帶延伸的所述主切刀元件的軸線形成45度或更大的角。
13.一種用于増加圓錐滾切刀的抗腐蝕性的方法，其包括 形成具有多個刃帶和多個凹槽的圓錐滾切刀主體，每個刃帶均適于支撐周向一圈主切刀元件，至少ー個刃帶具有限定相鄰凹槽的邊界的刃帶側壁； 在所述刃帶側壁中形成多個間隔開的孔；以及 將保護插件插入到所述間隔開的孔中的每ー個內。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述保護插件被壓配合到所述間隔開的孔中的ー個內。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述保護插件陷入所述刃帶側壁之下。
16.根據權利要求14所述的方法，其中所述保護插件與所述刃帶側壁基本齊平。
17.根據權利要求14所述的方法，其中所述保護插件延伸超出所述刃帶側壁。
18.根據權利要求13所述的方法，其中在將所述保護插件插入到所述間隔開的孔中的一個內之前，粘合劑被施加到該孔或該保護插件。
19.根據權利要求13所述的方法，其進ー步包括將多個主切刀元件插入到所述至少一個刃帶中。
20.根據權利要求13所述的方法，其中所述保護插件包括碳化鎢。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于牙輪地面鉆孔鉆頭的圓錐滾切刀，其具有大體圓錐形主體。大體圓錐形主體限定多個刃帶和凹槽。每個刃帶支撐周向一圈的主切刀元件。多個刃帶中的至少一個具有刃帶側壁。刃帶側壁限定相鄰凹槽的邊界。多個保護插件布置在刃帶側壁內。保護插件可以減少對刃帶側壁的腐蝕。一個或更多保護插件可以布置在一對主切刀之間。
文檔編號E21B10/08GK103032026SQ20121037015
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權日2011年9月30日
發(fā)明者A·孔嘎穆納茨, I·寶阿帆 申請人:維拉國際工業(yè)有限公司