專利名稱：組合旋轉(zhuǎn)鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及在地面鉆孔用的旋轉(zhuǎn)鉆頭，特別涉及具有整體式鉆頭體和固定在該鉆頭體上一個或一個以上的支承臂的鉆頭。
本發(fā)明的技術(shù)背景各種類型的旋轉(zhuǎn)鉆頭或鑿巖鉆頭可用來在地面上鉆孔。這種鑿巖鉆頭的例子包括用來鉆探油井和氣井的滾動錐形鉆頭或旋轉(zhuǎn)錐形鉆頭。一種典型的滾動錐形鉆頭包括一鉆頭體，該鉆頭體具有可與一鉆頭套管連接的上端。若干支承臂(通常是三個)懸置在鉆頭體的下端上，且各支承臂具有相對鉆頭體設(shè)定的旋轉(zhuǎn)軸線徑向向內(nèi)和向下突出的心軸。
通常的滾動錐形鉆頭一般由三個分段組成。這些分段可用在各分段之間的焊接槽縱向地定位在一起。然后利用普通技術(shù)將它們互相焊接而形成鉆頭體。各分段還包括一自鉆頭體延伸的、相關(guān)的支承臂。一擴大的腔室或通道形成于該鉆頭體內(nèi)，以接受來自鉆頭套管的鉆探流體。名稱為“用于焊接鑿巖鉆頭的定位系統(tǒng)”的美國專利第4,054,772號公布了一種用三個單獨分段制造三錐形旋轉(zhuǎn)鑿巖鉆頭的方法和裝置。本申請將在許多方面參考使用美國專利第4,054,772號。
切削錐形頭部安裝在各心軸上，并由一軸承可轉(zhuǎn)動地支承，而該軸承安裝在心軸和在切削錐形頭部內(nèi)的心軸接納腔室的內(nèi)側(cè)之間。在鉆頭體下側(cè)靠近支承臂處可形成有一個或幾個噴嘴。設(shè)置這些噴嘴通常是為了能使來自鉆頭套管的鉆探流體通過鉆頭體流向正在形成的鉆孔的底部。通過鉆頭套管提供的鉆探流體具有以下功能沖走從鉆孔底部鉆下來的東西，清洗切削錐形頭部，以及攜帶這些切削物徑向向外、然后在鉆頭體外側(cè)和鉆孔壁之間形成的環(huán)形空間內(nèi)向上移動。名稱為“具有多排有效范圍、用于堅硬結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)鑿巖鉆頭”的美國專利第4,056,153號和名稱為“鑿巖鉆頭”的美國專利第4,280,571號公布了若干普通的滾動錐形鉆頭的例子，這些鉆頭帶有安裝在從支承臂突出的心軸上的切削錐形組件。本申請將在許多方面參考使用美國專利第4,056,153號和美國專利第4,280,571號。
在使用這種旋轉(zhuǎn)或鑿巖鉆頭鉆探時，切削物或其它形式的碎屑可能因受約束的流體流動的布局而聚集在井底。這種受約束的流體流動布局的例子包括鉆頭體的下部靠近各支承臂，在鉆頭體外側(cè)和相鄰的鉆孔壁之間的環(huán)形空間。受約束的流體流動的其它區(qū)域還可能包括各切削錐形頭部的后面和鉆孔的壁。這種碎屑聚集的結(jié)果是，流體流動的區(qū)域減小了，而流動通過該區(qū)域的流體速度增加了，從而沖蝕相鄰的金屬零件。經(jīng)過長期沖蝕，諸如軸承和密封圈之類的重要零件可能暴露在鉆探流體和井內(nèi)碎屑之下，從而可能導(dǎo)致相關(guān)的鑿巖鉆頭過早地失效。
本發(fā)明的簡要說明按照本發(fā)明，與上述鑿巖鉆頭和旋轉(zhuǎn)錐形鉆頭有關(guān)的缺陷和問題基本上可解決或限制。本發(fā)明的一個方面包括一整體式的或單一的鉆頭體，它在鉆探過程中環(huán)繞相關(guān)的旋轉(zhuǎn)鉆頭的外側(cè)提供增加的流體流動，而增加的流體流動從鉆孔底部將切削物和其它碎屑帶到井面上。鉆頭體靠近相關(guān)的支承臂的下部較佳的是包括一中凸的外表面，它能夠消除在與各支承臂相關(guān)的切削錐形組件上方的切削物和/或鉆探流體的停滯。鉆頭體的中凸表面和在支承臂之間的空間促使切削物和任何其它的碎屑從切削錐形組件向外朝向鉆孔壁移動，然后向上通過在鉆孔壁和相關(guān)的鉆頭套管之間形成的環(huán)形空間。
本發(fā)明的另一個方面包括一旋轉(zhuǎn)錐形鉆頭，它具有一整體式鉆頭體，該鉆頭體帶有至少三個支承臂，而該支承臂位于形成于鉆頭體外側(cè)的槽內(nèi)。支承臂和與其相關(guān)的槽較佳的是可以選擇，以使得支承臂厚度的主要部分可位于相關(guān)的槽內(nèi)。
本發(fā)明的再一個方面包括一旋轉(zhuǎn)錐形鉆頭，它具有整體式鉆頭體，而至少一個支承臂置于形成于鉆頭體外側(cè)的槽內(nèi)。支承臂相對延伸通過它的縱向軸線可以具有基本對稱的形狀，以及一帶有心軸的內(nèi)側(cè)面，而該心軸自內(nèi)側(cè)面向內(nèi)和向下突出，以便將切削錐形組件安裝在相關(guān)的心軸上。支承臂還包括一上表面，一尾翼面，以及一底緣。內(nèi)側(cè)面和尾翼面較佳的是在底緣處相交。在有些用途里，各支承臂從其上表面到其底緣的長度可以選擇，使其至少是支承臂寬度的三倍。
提供按照本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)錐形鉆頭、即具有整體式鉆頭體、而支承臂固定在形成于鉆頭體上的槽內(nèi)的鉆頭的重要的技術(shù)上的優(yōu)點是，可以減少用來制造各支承臂的原材料的數(shù)量。此外，通過改變各槽的位置可以獲得在鉆頭設(shè)定的旋轉(zhuǎn)軸線和相關(guān)的切削錐形組件之間所需的偏移，而不需要改變各支承臂和/或從其上突出的、相關(guān)的心軸的結(jié)構(gòu)。通過消除使支承臂和/或相對與其相關(guān)的心軸扭曲支承臂提供一偏移的需要，可減少大量的不同類型和結(jié)構(gòu)的支承臂，從而顯著降低制造和庫存費用。此外，通過若干其它的因素也可獲得額外的費用降低，例如，由于重量減輕可降低每個支承臂的運輸費用，由于它們降低的重量和較小的形狀，大多數(shù)支承臂可以只進行一次熱處理和加工。此外，由于支承臂的標準化，在制造過程中只需要少量的機械安裝工作，而對于設(shè)計修改來說，只需要修正少量的圖紙和工藝文件。顯著降低費用的一個方面是能夠給消費者提供相同寬范圍的鉆頭尺寸和偏移量，而同時大大降低為生產(chǎn)出不同尺寸和類型的鉆頭所必須的零部件庫存量。
本發(fā)明的另一個技術(shù)上的優(yōu)點是，設(shè)置了一基本上沿平行于各支承臂縱向軸線的方向延伸的潤滑劑儲存槽，并在制造和組裝支承臂和潤滑劑儲存槽時提供較大的方便。潤滑劑儲存槽的位置有利于保護一相關(guān)的蓋子，而該蓋子在鉆探過程中密封著潤滑劑儲存槽。
在本發(fā)明的一個方面里，安裝在旋轉(zhuǎn)鉆頭的整體式鉆頭體上的支承臂和切削錐形組件提供了出眾的沖蝕保護。該組件包括一具有一內(nèi)側(cè)面、一尾翼面和一底緣的支承臂。一心軸固定在該內(nèi)側(cè)面上并相對支承臂向下傾斜。選擇支承臂和形成于支承臂內(nèi)側(cè)面的各加工區(qū)域的尺寸，以便使流體相對于支承臂和安裝在相關(guān)的心軸上的切削錐形組件較好地流動。
本發(fā)明的另一個技術(shù)上的優(yōu)點是，可以制造一具有一鉆頭體和不同類型材料形成的支承臂的旋轉(zhuǎn)錐形鉆頭，而利用一般的加工步驟、即與制造具有一鉆頭體和作為鉆頭體整體一部分的支承臂的旋轉(zhuǎn)錐形鉆頭相關(guān)的步驟是不可能實現(xiàn)的。
附圖的簡要說明為了更好地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，現(xiàn)在請結(jié)合附圖閱讀下面的說明，其中

圖1是一已去掉部分零件的旋轉(zhuǎn)錐形鉆頭的正視的示意圖，其中，固定在鉆頭套管一端上的本發(fā)明的特征部分位于一鉆孔里；圖2是組成本發(fā)明一實施例的一旋轉(zhuǎn)錐形鉆頭的、部分分解的立體圖；圖3是顯示組成本發(fā)明一實施例的一整體式鉆頭體、支承臂和錐形切削組件部分的、剖視的零件分解圖；圖4是圖3所示鉆頭體的端面視圖；圖5是顯示在形成于組成本發(fā)明另一實施例的一單一的鉆頭體里的槽的中心線與相關(guān)鉆頭設(shè)定的轉(zhuǎn)動軸線之間的偏移情況的剖視的示意圖；圖6是顯示組成本發(fā)明又一實施例的、替換的槽和支承臂結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖7是顯示一組成本發(fā)明再一實施例的、具有潤滑劑儲存槽的、并已去掉部分零件的支承臂的剖視圖；以及圖8是圖7所示支承臂的立體圖。
本發(fā)明的詳細說明通過參看圖1-8可較好地理解本發(fā)明較佳的實施例及其優(yōu)點，所有附圖里相同的或相應(yīng)的零件用相同的標號表示。
如用于說明目的的附圖所示，本發(fā)明體現(xiàn)在用于在地上鉆鉆孔的旋轉(zhuǎn)錐形鉆頭20。有時候，旋轉(zhuǎn)錐形鉆頭20可叫做“旋轉(zhuǎn)鉆頭”或“鑿巖鉆頭”。旋轉(zhuǎn)錐形鉆頭20較佳的是包括螺紋接頭或插頭44，以便將鉆頭20固定在鉆頭套管22上。螺紋接頭44和與鉆頭套管22的對應(yīng)的螺紋連接(未畫出)被設(shè)計成容許鉆頭20隨在井面上的鉆頭套管22的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。
如圖1所示，鉆頭20可固定在鉆頭套管22上并置于鉆孔24內(nèi)。在鉆頭套管22的外側(cè)和鉆孔24的內(nèi)側(cè)或壁28之間形成有環(huán)形空間26。除了使鉆頭20轉(zhuǎn)動，鉆頭套管22還常常用來提供一導(dǎo)管，以使來自井面的鉆探流體(未畫出)和其它流體與在鉆孔24底部的鉆頭20連通。這種鉆探流體可被引導(dǎo)從鉆頭套管22流向在鉆頭20上的各噴嘴60。由鉆頭20形成的切削和在鉆孔24底部的其它碎屑將與來自噴嘴60的鉆探流體混和，并通過環(huán)形空間26返回到井面。
為了使旋轉(zhuǎn)錐形鉆頭20產(chǎn)生切削動作和鉆探動作，通過鉆探套管22轉(zhuǎn)動使切削錐形組件100環(huán)繞著鉆孔24的底部滾動。由此形成的、由壁28限定的鉆孔24的內(nèi)徑大致對應(yīng)于切削錐形組件100的外徑或口徑。隨鉆頭20的轉(zhuǎn)動，切削錐形組件100互相合作形成鉆孔24的壁28。有時候，切削錐形組件100可叫做“旋轉(zhuǎn)錐形刀具”或“滾動錐形刀具”如圖1、2和3所示，各切削錐形組件100包括帶有突出的鑲嵌件104的刃口102，它們隨鉆頭套管22作用在鉆頭20上的重量和轉(zhuǎn)動而對著鉆孔24的側(cè)面和底部刮削和刨削。各切削錐形組件100上的刃口102和鑲嵌件104的位置可改變，以提供所需的井底切削作用。包括具有代替鑲嵌件104的銑成齒的切削錐形組件(并不限于此)等其它類型的切削錐形組件也可令人滿意地用于本發(fā)明。由鉆頭20產(chǎn)生的切削和其它碎屑通過自噴嘴60排出的鉆探流體可從鉆孔24的底部被帶到井面。由流體帶上來的碎屑一般從鉆頭20下面徑向向外流動，然后通過環(huán)形空間26向上流向井面。
鉆頭20較佳的是包括一整體式的或單一的鉆頭體40，它上部42具有使鉆頭20固定在鉆頭套管22下端的螺紋接頭或插頭44。三個支承臂70較佳的是固定在鉆頭體40相對插頭44的另一端上，并從該端縱向延伸。各支承臂70較佳的是包括心軸82，它連接在各支承臂70的內(nèi)側(cè)面76上，并從該內(nèi)側(cè)面76延伸。本發(fā)明的一個重要特征是，能從鉆頭體40上卸下一個或幾個支承臂70，并利用同一個鉆頭體40重新安裝成鉆頭20。或者反過來，也可將支承臂70和與其相關(guān)的切削錐形組件100從一個鉆頭體40上卸下并用來重新安裝成另一個鉆頭20。
鉆頭體40包括下部46，而下部46具有形成于其上的中凸的外表面48。選擇中凸表面48的尺寸和切削錐形組件100的位置，以便使在鉆頭體40下部46和切削錐形組件100之間的流體較佳地流動。如下面將詳細說明的，通過調(diào)整相關(guān)的支承臂70的長度和在鉆頭體40外部的各支承臂70的間隔可改變切削錐形組件100相對下部46的位置。
如圖2和3所示，鉆頭體40包括位于上部42和下部46之間的中部52。縱向軸線或中心軸線50延伸通過鉆頭體40，并且一般與鉆頭20設(shè)定的旋轉(zhuǎn)軸線對應(yīng)。中部52較佳的是具有圓柱形的結(jié)構(gòu)，其外部徑向間隔地形成若干槽54。槽54的數(shù)目與將要固定在其上的支承臂70的數(shù)目對應(yīng)。使在中部52外側(cè)的槽54之間的間隔與在支承臂70和相關(guān)的切削錐形組件100之間所需的間隔相對應(yīng)。通過改變相關(guān)的槽54的位置可獲得所需的、縱向軸線50和鉆頭20及切削錐形組件100設(shè)定的旋轉(zhuǎn)軸線之間的偏差。有關(guān)偏差的各種例子將分別參考圖5和6所示的鉆頭體140和240來討論。
各支承臂70具有延伸通過它的縱向軸線72。支承臂70較佳的是安裝在各槽54里，而它們的縱向軸線72大致互相平行并與相關(guān)的鉆頭體40的縱向軸線50大致平行。作為本申請的一部分，各支承臂70也可通過一系列的形成于各槽54的周界和相關(guān)的支承臂70的相鄰部位之間的焊縫(未畫出)而焊接在各相關(guān)的槽54里。
圖3是一零件分解圖，它顯示了鉆頭體40的一部分、一個支承臂70以及與它相關(guān)的切削錐形組件100之間的相互關(guān)系。各切削錐形組件100較佳的是以基本相同的方式安裝在與其相關(guān)的心軸82上。各支承臂70較佳的是以基本相同的方法安裝在與其相關(guān)的槽54內(nèi)。由于關(guān)于其它兩個支承臂70和與其相關(guān)的切削錐形組件100的介紹基本相同，因此，這里只介紹一個支承臂70和切削錐形組件100。
支承臂70具有大致矩形的外形和縱向軸線72。支承臂70相對縱向軸線72的各橫截面具有不同的外形。按照本發(fā)明的介紹，支承臂70的外形可以變化，這取決于相關(guān)的鉆頭20的用途。無論從內(nèi)側(cè)面76或外側(cè)面80看，支承臂70較佳的是相對縱向軸線72具有對稱的外形。當從心軸82與相關(guān)的支承臂70相對的另一端看，支承臂70和從其上突出的心軸82也具有相對縱向軸線72大致對稱的外形。
支承臂70包括上表面或上端74，內(nèi)側(cè)面76，底緣78和外側(cè)面80。支承臂70還包括側(cè)面84和86，它們較佳的是相對縱向軸線72平行延伸。使各支承臂70的大小可與相關(guān)的槽54相容。如圖2和3所示，各支承臂70的一部分，包括上端或上表面74、以及從其上延伸的內(nèi)側(cè)面76和側(cè)面84和86的相鄰部分被制成可安裝在相關(guān)的槽54里的尺寸。
固定在相關(guān)的槽54內(nèi)的支承臂70的那部分部分地由在側(cè)面84和86之間的支承臂的寬度，以及在內(nèi)側(cè)面76和外側(cè)面80之間的支承臂70的厚度所限定。在一種應(yīng)用中，較佳的是至少支承臂70這部分厚度的一半位于和固定在相關(guān)的槽54內(nèi)。
如下面參考圖7和8將要詳細描述的那樣，如果需要提供本發(fā)明的不同的特征，可改變內(nèi)側(cè)面76。內(nèi)側(cè)面76的形狀基本上可在上表面74和底緣78之間進行改變。在圖2和8所示的實施例里，內(nèi)側(cè)面76包括下面將詳細討論的傾斜表面144和146。內(nèi)側(cè)面76和外側(cè)面80在各支承臂70的底緣78處連接。外側(cè)面80靠近底緣78形成的部分通常叫做尾翼面88。
心軸82較佳的是相對支承臂70的縱向軸線72和鉆頭20設(shè)定的旋轉(zhuǎn)軸線向下和向內(nèi)傾斜。心軸82的這種取向能在鉆探過程中使各切削錐形組件100與鉆孔24的側(cè)面和底面接觸。在有些用途里，它可較佳地定位，使各支承臂70和與其相關(guān)的、帶有切削錐形組件100的心軸82與鉆頭20設(shè)定的旋轉(zhuǎn)軸線偏移。通過在鉆頭體40外側(cè)形成與鉆頭體40的縱向軸線50偏移的相關(guān)的槽54可容易地獲得所需的偏移。偏移量可沿著鉆頭20轉(zhuǎn)動方向，從0到5或6度、或0到二分之一英寸之間變化。
如果需要，支承臂70的下部可相對縱向軸線72彎曲，以便提供所需的偏移。還有，心軸82也可相對縱向軸線72彎折或傾斜，以便提供所需的偏移。然而，通過改變相關(guān)的槽54的位置來獲得所需的偏移，可使支承臂70標準化并顯著地降低制造費用，以及支承臂70和與它相關(guān)的切削錐形組件100的庫存量。
如圖1、2和3所示，各切削錐形組件100較佳的是包括底部108和從其上延伸的圓錐形的殼體或尖端106。在有些用途里，底部108包括一截頭圓錐體形狀的外表面110，該外表面110較佳的是以與殼體106傾斜方向相反的方向傾斜。底部108還可以包括一背面112，該背面112可位于靠近相關(guān)的支承臂70的內(nèi)側(cè)面76的部位。本發(fā)明一個實施例的重要特征是背面112，形成于相關(guān)的支承臂70的外側(cè)面80上的尾翼面88和內(nèi)側(cè)面76的鄰接部位之間的關(guān)系。
底部108較佳的是包括開口120和從其上延伸的室114。室114較佳的是延伸通過底部108并進入尖端106。選擇開口120和室114的尺寸，以便能讓各切削錐形組件100安裝在相關(guān)的心軸82上。較佳的是將一個或幾個支承組件122安裝在心軸82上，并位于在室114內(nèi)的支承壁和在心軸82的環(huán)形支承表面81之間?？墒褂贸Ｒ?guī)的滾珠夾持系統(tǒng)124將切削錐形組件100安裝在心軸82上。
可用具有適當強度、韌性和耐磨性的各種可硬化的鋼或其它的高強度的工程合金來制造切削錐形組件100，以便能經(jīng)受井底鉆探的嚴酷條件。保護在室114內(nèi)的、允許切削錐形組件100轉(zhuǎn)動的支承組件122和其它支承件可延長鉆頭20的使用壽命。一旦讓鉆探碎屑進入切削錐形組件100和心軸82的支承表面之間，將很快地使鉆頭20失效。本發(fā)明提供增強的、環(huán)繞著鉆頭20外側(cè)以及相關(guān)的支承臂70和切削錐形組件100的流體流動，以便有助于避免碎屑進入各切削錐形組件100和與其相關(guān)的心軸82的各支承表面之間。通常，可在切削錐形組件100和相關(guān)的心軸82的支承表面之間的間隙內(nèi)設(shè)置一諸如密封件116的彈性密封件。然而，當密封件116失效時，鉆探流體和碎屑將通過切削錐形組件100和與其相關(guān)的心軸82之間的間隙很快地污染各支承表面。
在有些用途里，鉆頭體40可用具有所需冶金特征的、圓柱形的、整塊的原材料或棒材(未畫出)制成，以便制成鉆頭20。AISI 8620合金鋼是可以用來制造鉆頭體40的這種類型材料的一個例子。
可利用通常的制螺紋技術(shù)在鉆頭體40的上部42上形成螺紋接頭44。在確定鉆頭體40中部52的外徑時的一個基本要求是提供螺紋接頭44所需要的材料厚度。下面的、有關(guān)齒輪鉆頭接頭的API(美國石油學(xué)會)表顯示了鉆頭的各種尺寸和所需要的接頭尺寸。
螺紋接頭1 2 34鉆頭尺寸 螺紋接頭的 鉆頭的分斜徑鉆頭的分斜徑(英寸) 尺寸和式樣 (±1/64英寸) (±1/64英寸)3 3/4到4 1/2(包括)2 3/8 REG3 3/64 3 5/644 5/8到5(包括)2 7/8 REG3 39/64 3 11/645 1/8到7 3/8(包括)3 1/2 REG4 7/64 4 9/647 1/2到9 3/8(包括)4 1/2 REG5 21/64 5 23/649 1/2到14 1/2(包括) 6 5/8 REG7 23/64 7 25/6414 5/8到181/2(包括) 7 5/8 REG8 15/32 8 1/218 5/8及更大(包括)8 5/8 REG9 35/64 9 37/64鉆頭20的尺寸由與三個切削錐形組件100相關(guān)的最大外徑或測量直徑確定。各切削錐形組件100相對鉆頭20設(shè)定旋轉(zhuǎn)軸線的位置是槽54和與其相關(guān)的支承臂70的尺寸一個函數(shù)。因此，適合于7 英寸鉆頭的具有螺紋接頭44的相同的整體式鉆頭體40也可用于
英寸鉆頭或在它們之間的任何尺寸的鉆頭。需要注意的是，當鉆頭尺寸從7英寸增加到
英寸時，鉆頭體40中部52的外徑可基本保持不變。因此，對于
英寸的鉆頭來說，在鉆頭體40外側(cè)和鉆孔24的壁28之間的環(huán)形空間26里流動區(qū)域與7 英寸的鉆頭相比顯著增加。
如圖3所示，在鉆頭體40的上部42可形成一擴大的腔室56。在上部42設(shè)置一開口58，以便鉆頭套管22和腔室56之間流體連通。腔室56較佳的是具有均勻的內(nèi)徑，并從開口58延伸至鉆頭體40中部52的中間位置處。在有些用途里，腔室56可與鉆頭體40的縱向軸線50同軸。在鉆頭體40內(nèi)可形成一個或幾個流體通道62，該流體通道62在腔室56和在鉆頭體40下部46上的中凸表面中間延伸?？稍诟髁黧w通道62上設(shè)置具有一個或幾個出口59的噴嘴和噴嘴襯墊60，以便讓腔室56里的流體通過各流體通道62和相關(guān)的噴嘴60與鉆頭體40的外側(cè)連通。
本發(fā)明的一個重要特征是，可改變在鉆頭體40內(nèi)的流體通道62和相關(guān)的噴嘴60的位置而不影響槽54和相關(guān)的支承臂70的位置。例如，在圖4中，鉆頭體40有環(huán)繞著鉆頭體40外周、互相徑向間隔的三個槽54和三個流體通道62。在圖4所示的具體例子里，流體通道62在徑向互相大致間隔120度。同樣的，各支承槽54也與相鄰的槽54在徑向大致間隔120度。圖5所示的鉆頭體140是本發(fā)明的另一個實施例，它包括一個基本上與相關(guān)的鉆頭體140的縱向軸線50平行的和同軸延伸的流體通道162。一噴嘴60設(shè)置在流體通道162內(nèi)，緊靠著相關(guān)的中凸表面48和鉆頭體140的縱向軸線50相交處。
如圖2和4所示，各槽54包括后壁64和一對側(cè)壁66和68。選定后壁64和側(cè)壁66及68的尺寸，以便容納鄰接的、相關(guān)的支承臂70的內(nèi)側(cè)面76和側(cè)面84及86。各槽的寬度(Wp)部分地由相關(guān)的側(cè)壁66和68之間的距離決定。本發(fā)明的一個重要特征是，將各支承臂70的聯(lián)合寬度限制在小于鉆頭體40的一半周長內(nèi)。通過限制支承臂70的寬度，可在相鄰的支承臂70之間形成足夠的空間160，從而可以增加在支承臂70和在鉆頭體40下部46的中凸表面48之間的流體流動。
本發(fā)明的另一個重要特征是，可以改變支承臂70的長度，以便在安裝在各支承臂70上的相關(guān)的切削錐形組件100和在鉆頭體40下部46的下端中凸表面48之間提供所需的流體流動。在一種用途里，支承臂70從上表面74到底緣78的長度較佳地選定在至少是支承臂70寬度的三倍。
如上面所述的，圖5所示的的鉆頭體140代表了本發(fā)明的另一個實施例。除了下面所述的，鉆頭體40和鉆頭體140具有相同的特征。與鉆頭體40相比，鉆頭體140具有三個基本上是矩形的槽154。支承臂70的內(nèi)側(cè)面76和側(cè)面84及86可改變，以適應(yīng)槽154的形狀。本發(fā)明的優(yōu)點之一是，通過相對縱向軸線50改變在鉆頭體40和140外側(cè)的槽54和/或154的間隔，可以相對相關(guān)的鉆頭20設(shè)定的旋轉(zhuǎn)軸線改變支承臂70和其上的各切削錐形組件100的間隔。
在圖5中，半徑線150自與縱向軸線50對應(yīng)的鉆頭體140的中心延伸。各槽154的中心線155與各半徑線150偏移一個距離(D0)。一般，對于相關(guān)的支承臂70和切削錐形組件100來說，相對縱向軸線50的偏移量(D0)與所需的、從0度到5或6度(0-5°或6°)的角度或徑向間隔對應(yīng)。當各槽154的中心線155與各半徑線150重合，在相關(guān)的切削錐形組件100和鉆頭20設(shè)定的旋轉(zhuǎn)軸線之間將沒有偏移。按照鉆頭體140的外徑，偏移量(D0)可從0到半英寸之間進行改變，以便給相關(guān)的切削錐形組件100提供所需的偏移。
通過圖6所示的鉆頭體240和支承臂270顯示了本發(fā)明的又一個實施例。為了說明用，圖6僅示出一個支承臂270和與其相關(guān)的槽254，按照本發(fā)明，通常在鉆頭體240上安裝三個支承臂270和與其相關(guān)的切削錐形組件100。鉆頭體240具有基本上相對縱向軸線50平行延伸的、并與其同軸的流體通道262。槽254的中心線294和相關(guān)的支承臂270與自縱向軸線50延伸的半徑線250偏移。
槽254包括后壁264和相對后壁264以大致等于45度的銳角延伸的側(cè)壁66和68。置于槽254內(nèi)的支承臂270部分具有八角形的橫截面，它部分地由具有中心部分242的內(nèi)側(cè)面276和自該部分延伸的傾斜面244和246所限定。選定內(nèi)側(cè)面276的尺寸，使其可與槽254上對應(yīng)的后壁264和側(cè)壁66及68相配合。八角形橫截面的支承臂270與槽254上的呈銳角傾斜的側(cè)壁66和68配合，可使支承臂270焊接在相關(guān)的槽254內(nèi)。此外，槽254的形狀也可容納增加的或減小的相關(guān)的支承臂270相配合，提供了空間271和273，以便將支承臂270焊接在槽254中。而且，槽254的形狀也與有關(guān)支承臂270尺寸的增減相容，以便在相同尺寸的鉆頭體240上形成具有不同測量直徑的鉆頭。
支承臂270的外側(cè)面280可具有在支承臂270中心線294相對兩側(cè)的、縱向延伸的、且互相對稱的傾斜表面291和293。外側(cè)面280的中心部分292較佳的是在傾斜表面291和293之間縱向延伸。在一種用途里，中心部分292具有大致等于鉆孔24壁28曲率半徑一半的曲率半徑。
在圖6所示的本發(fā)明的實施例里，在后壁264上形成有鍵槽282，而在內(nèi)側(cè)面276的中心部分242上形成有鍵槽284。鍵286位于鍵槽282和284內(nèi)，以便在組裝鉆頭過程中，有助于支承臂270在相關(guān)的槽254內(nèi)的適當定位和對齊?？墒褂酶鞣N組合的鍵和鍵槽，以使支承臂70和270分別與槽54和254對齊和定位。
圖7和8較詳細地描述了支承臂70。支承臂70固定在槽54內(nèi)的部分具有與前面所述的支承臂270相同的外部形狀。支承臂70和支承臂270之間的一個不同之點在于支承臂70的內(nèi)側(cè)面76上形成有第一開口75和第二開口77。在一種用途中，沿支承臂70的縱向軸線72可形成一腔室90，而該腔室?guī)в醒由熘料嚓P(guān)的鑿巖鉆頭20外側(cè)的一開口126。上表面74、外側(cè)面80和相鄰的側(cè)面84和86的一部分已從支承臂70的上部取掉，以提供開口126和腔室90并在其中安裝潤滑劑儲存槽92。本發(fā)明容許在制造過程中形成腔室90和通道94。潤滑劑容器具有圓筒形狀，以便可與潤滑劑腔室90配合。潤滑劑容器92包括封閉端192，其上延伸通過一潤滑劑開口194。潤滑劑容器92的另一端具有凸緣196，以支承一使?jié)櫥瑒┤萜?2與相關(guān)的鉆頭的外側(cè)隔絕的、能變形的、彈性的膜片198。蓋子93較佳地覆蓋在膜片198上，并容許來自支承臂70外側(cè)的流體壓力通過開口126作用在膜片198上。可使用卡環(huán)199或其它的適當機構(gòu)將蓋子93、膜片198和容器92固定在腔室90內(nèi)。在蓋子93里的開口193容許外部壓力與膜片198連通。潤滑劑容器92和潤滑劑腔室90可通過在支承臂70側(cè)面的充填孔(未畫出)充填適量的潤滑劑。潤滑劑容器92和潤滑劑通道94配合，給位于心軸82外側(cè)和相關(guān)的切削錐形組件100的室114之間的支承組件提供潤滑。
潤滑劑通道94較佳的是形成于支承臂70內(nèi)，以便使來自腔室90的潤滑劑與滾珠通道96及在滾珠座圈98內(nèi)的滾珠軸承124連通。在心軸82內(nèi)也可形成另外的通道(未畫出)，以便提供通向在切削錐形組件100和心軸82之間的支承組件122的流道。通過使腔室90基本上與相關(guān)的支承臂70的縱向軸線72平行，可在井底鉆探過程中，通過增加蓋子93和鉆孔24的壁28之間的距離較好地保護潤滑劑儲存槽92和相關(guān)的蓋子93。形成開口126的上表面74和側(cè)面84和86也可互相配合，以便在鉆探過程中保護蓋子93。
通過自支承臂70的外側(cè)延伸的滾珠通道96和心軸82和在心軸82里的滾珠座圈98送入若干滾珠軸承124，可將切削錐形組件100固定在相關(guān)的心軸82上。一相配合的滾珠座圈一般形成于切削錐形組件100的內(nèi)側(cè)。一旦送入滾珠軸承，與滾珠座圈配合的滾珠軸承124將防止切削錐形組件100與心軸82分離。接著，可通過焊接或其它已知的方法堵塞滾珠通道96。在有些用途里，也可在通道96里放置球塞(未畫出)。
在本發(fā)明的一個實施例里，第一開口75和第二開口77形成于各支承臂70的內(nèi)側(cè)面76上。第一柱銷或定位銷53及第二柱銷或定位銷55較佳的是位于各槽54的后壁64上。柱銷53和54自各后壁64徑向延伸，并分別與第一開口75和第二開口77配合，以便在組裝鉆頭20時使各支承臂70固定在相關(guān)的槽54內(nèi)。在本發(fā)明的一個實施例里，第一開口75較佳的是包括一從上表面74延伸的、并能接納第一柱銷53的縱向縫槽。第二開口77較佳的是具有能接納第二柱銷55的圓柱形狀。第一開口75較佳的是成一縱向縫槽，以便能補償在支承臂70和相關(guān)的槽54之間的尺寸變化，包括第一開口75、第二開口77和各第一柱銷53、第二柱銷55的相對位置的變化。
第一開口75和第二開口77的這種形狀在制造和/或組裝相關(guān)鉆頭的過程中是非常有益的。例如，可將一個支承臂70從相關(guān)的槽54上拆下并將一個新的支承臂70安裝在其中，即使新的支承臂70在尺寸上與原來的支承臂70略有不同也沒有關(guān)系。此外，柱銷或定位銷53和54也可自支承臂70的內(nèi)側(cè)面76延伸安裝，而適當?shù)拈_口設(shè)置在相關(guān)的槽54上。
雖然詳細地描述了本發(fā)明和它的優(yōu)點，但應(yīng)該明白，在不超出由附后的權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的構(gòu)思和范圍的情況下還可作出許多改變、變化和替換。
權(quán)利要求
1.一種鉆孔用的旋轉(zhuǎn)錐形鉆頭，包括一整體式鉆頭體，具有一可連接在轉(zhuǎn)動所述鉆頭的鉆頭套管上的上部；所述鉆頭體，具有與所述鉆頭設(shè)定的旋轉(zhuǎn)軸線相對應(yīng)的縱向軸線；諸支承臂，固定在所述鉆頭體上并沿所述上部的相反方向延伸，各支承臂具有一內(nèi)側(cè)面，內(nèi)側(cè)面上連接著一心軸，各心軸相對與其相關(guān)的支承臂向下和向內(nèi)突出；所述各支承臂具有一相對所述鉆頭體的縱向軸線平行延伸的縱向軸線；諸切削錐形組件，其數(shù)量與所述支承臂的數(shù)量相等，各切削錐形組件分別安裝在所述心軸之一上；所述鉆頭體具有一下部，該下部形成有中凸外表面，以便在所述切削錐形組件和所述鉆頭體的下部之間提供加強的流體流動；以及所述鉆頭體具有一位于所述鉆頭體的上部和下部之間的中部，所述中部的外側(cè)形成有諸槽，以便將所述支承臂固定在所述鉆頭體上，而所述槽的數(shù)量等于所述支承臂的數(shù)量。
2.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其特征在于，所述各槽還包括一延伸通過所述槽和固定在所述槽上的所述支承臂的中心線；以及一自所述鉆頭體的縱向軸線延伸的、與所述中心線平行的半徑線，且中心線與所述半徑線偏移一段距離。
3.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其特征在于，所述各槽還包括一相對所述鉆頭體的縱向軸線平行延伸的后壁；一對垂直于所述后壁延伸的側(cè)壁；以及選定所述后壁和所述側(cè)壁的尺寸，以使所述一個支承臂部分地插入其中。
4.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其特征在于，所述各槽還包括一相對所述鉆頭體的縱向軸線平行延伸的后壁；一對相對所述后壁成銳角延伸的側(cè)壁；以及選定所述后壁和所述側(cè)壁的尺寸，以使所述一個支承臂部分地插入其中。
5.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其特征在于，還包括至少一個軸承組件，安裝在各心軸和相關(guān)的切削錐形組件之間；一儲存潤滑劑的儲存槽，安裝在各支承臂里；一流體通道，自各儲存槽至所述軸承組件延伸通過各支承臂，以使?jié)櫥瑒┰谒龈鲀Υ娌酆退鲚S承組件之間連通；以及所述流體通道具有具有一內(nèi)徑，所述潤滑劑儲存槽具有圓柱形結(jié)構(gòu)，而該圓柱形結(jié)構(gòu)具有大于所述流體通道的內(nèi)徑的外徑，且所述潤滑劑儲存槽與所述流體通道的一部分同軸對齊。
6.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其特征在于，還包括各槽具有一后壁，一第一柱銷和一第二柱銷從所述后壁徑向延伸；形成于所述各支承臂內(nèi)側(cè)面的一第一開口和一第二開口；以及所述第一開口和所述第二開口分別與所述第一柱銷和第二柱銷配合，使各支承臂固定在與其相關(guān)的槽里。
7.如權(quán)利要求6所述的鉆頭，其特征在于，還包括在所述各支承臂內(nèi)側(cè)面上的所述第一開口是一部分延伸穿透的縱向縫槽，并能在其中接納所述第一柱銷；以及在所述各支承臂內(nèi)側(cè)面上的所述第二開口是一圓孔，并能在其中接納所述第二柱銷。
8.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其特征在于，還包括各槽具有一后壁，后壁上形成有一鍵槽；一自所述各支承臂內(nèi)側(cè)面徑向延伸的、并從該內(nèi)側(cè)面突出的配合鍵；以及所述鍵和所述鍵槽互相配合，從而在安裝過程中使各支承臂對齊并定位在其相關(guān)槽內(nèi)。
9.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其特征在于，還包括各槽具有一自其上徑向延伸的鍵；一配合的鍵槽形成于所述各支承臂的內(nèi)側(cè)面，其大小并能接納所述相關(guān)槽內(nèi)的鍵；以及所述鍵和所述鍵槽互相配合，從而在安裝所述鉆頭的過程中使各支承臂對齊并定位在相關(guān)槽內(nèi)。
10.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其特征在于，還包括各支承臂具有一位于相關(guān)槽內(nèi)的上端和一靠近所述心軸的底緣；以及各支承臂從所述上端到所述底緣的長度至少是所述支承臂寬度的三倍。
11.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其特征在于，還包括各支承臂的一部分固定在所述各槽之一內(nèi)；各支承臂的所述部分相對于所述縱向軸線具有一寬度和一厚度；以及各支承臂的所述部分的所述厚度的至少一半位于并固定在所述各槽之一內(nèi)。
12.一種供具有鉆頭體的旋轉(zhuǎn)錐形鉆頭用的支承臂和切削錐形組件，包括所述支承臂具有一延伸通過它的縱向軸線，一上端，一內(nèi)側(cè)面，一具有形成于其上并作為其一部分的尾翼面的外側(cè)面，以及一底緣，而所述內(nèi)側(cè)面和所述尾翼面在所述底緣處相連；所述支承臂具有自所述內(nèi)側(cè)面延伸的第一側(cè)面和第二側(cè)面；選擇所述上端、所述內(nèi)側(cè)面與所述第一側(cè)面和所述第二側(cè)面連接部分的尺寸，以便將所述支承臂的一部分固定在所述鉆頭體的一槽內(nèi)；一固定在所述內(nèi)側(cè)面靠近所述底緣處的心軸，該心軸相對所述支承臂向下和向內(nèi)傾斜；所述切削錐形組件具有一開口和一從其上延伸通過的腔室，以便將所述切削錐形組件安裝在所述心軸上；以及在所述支承臂的所述內(nèi)側(cè)面設(shè)置一裝置，該裝置在安裝所述鉆頭過程中使在所述槽內(nèi)的所述支承臂對齊和定位。
13.如權(quán)利要求12所述的支承臂和切削錐形組件，其特征在于，所述支承臂從上端到所述底緣的長度至少是所述支承臂寬度的三倍。
14.如權(quán)利要求12所述的支承臂和切削錐形組件，其特征在于，還包括在所述支承臂的內(nèi)側(cè)面上形成有一第一開口和一第二開口；以及所述第一開口和所述第二開口分別與在所述鉆頭體的相關(guān)槽內(nèi)的一第一柱銷和一第二柱銷配合，使所述支承臂定位在相關(guān)的所述槽內(nèi)。
15.如權(quán)利要求14所述的支承臂和切削錐形組件，其特征在于，還包括在所述支承臂內(nèi)側(cè)面上的所述第一開口是部分延伸穿透的一縱向縫槽，并能在其中接納所述第一柱銷；以及在所述支承臂內(nèi)側(cè)面上的所述第二開口是一圓孔，并能在其中接納所述第二柱銷。
16.如權(quán)利要求12所述的支承臂和切削錐形組件，其特征在于，還包括一鍵槽形成于所述支承臂的內(nèi)側(cè)面，并能接納在所述鉆頭體的相關(guān)槽內(nèi)的鍵；以及所述鍵和所述鍵槽互相配合，從而使在相關(guān)槽內(nèi)的支承臂對齊并定位。
17.如權(quán)利要求12所述的支承臂和切削錐形組件，其特征在于，還包括一從所述支承臂的內(nèi)側(cè)面上突出的鍵，以便插入形成于所述鉆頭體的相關(guān)槽內(nèi)的配合鍵槽；以及所述鍵和所述鍵槽互相配合，從而使在所述相關(guān)槽內(nèi)的所述支承臂對齊并定位。
18.如權(quán)利要求12所述的支承臂和切削錐形組件，其特征在于，所述切削錐形組件還包括一錐形切削體，該錐形切削體具有其上形成有一開口的底部，和一背離所述開口的尖端，所述底部的外部具有一自所述底部延伸的截頭圓錐體形狀并環(huán)繞著所述開口。
19.如權(quán)利要求12所述的支承臂和切削錐形組件，其特征在于，還包括一軸承組件，安裝在所述心軸和所述切削錐形組件之間；一儲存潤滑劑的儲存槽，安裝在所述支承臂里；所述儲存槽具有一相對于所述支承臂的所述縱向軸線平行延伸的縱向軸線；以及一流體通道，自所述儲存槽延伸至所述軸承組件，以使?jié)櫥瑒┰谒鰞Υ娌酆退鲚S承組件之間連通。
20.如權(quán)利要求19所述的支承臂和切削錐形組件，其特征在于，還包括所述儲存槽通過在所述支承臂的所述外側(cè)面上的一開口安裝在所述支承臂的上部；以及所述流體通道自所述儲存槽延伸至所述支承組件的部分與所述支承臂的所述縱向軸線平行。
21.如權(quán)利要求12所述的支承臂和切削錐形組件，其特征在于，還包括所述第一側(cè)和所述第二側(cè)互相平行并與所述縱向軸線平行；以及所述第一側(cè)和所述第二側(cè)在所述內(nèi)側(cè)面和所述外側(cè)面之間延伸。
22.如權(quán)利要求12所述的支承臂和切削錐形組件，其特征在于，所述支承臂的一部分還包括垂直于所述縱向軸線、呈八角形的橫截面。
23.如權(quán)利要求12所述的支承臂和切削錐形組件，其特征在于，還包括所述支承臂相對所述支承臂的所述縱向軸線和所述心軸具有對稱的形狀。
全文摘要
一種用來形成鉆孔(24)的旋轉(zhuǎn)錐形鉆頭(20)具有一整體式鉆頭體(40)，該鉆頭體具有帶中凸表面(48)的下部和可與鉆頭套管(22)連接的上部(42)。若干支承臂(70)較佳地固定在鉆頭體(40)的槽(54)內(nèi)并下懸。各支承臂(70)具有供心軸(82)連接的內(nèi)側(cè)面(76)和一外側(cè)面(80)。各心軸(82)相對相關(guān)的支承臂(70)的縱向軸線(72)和鉆頭體(40)的中心軸線(50)向下和向內(nèi)延伸。與支承臂(70)數(shù)量相等的錐形切削組件(100)分別安裝在各心軸(82)上。
文檔編號E21B10/24GK1155314SQ95194611
公開日1997年7月23日 申請日期1995年8月8日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月8日
發(fā)明者艾倫D·赫夫斯圖特勒, 韋斯利·P·迪茨 申請人:德萊塞工業(yè)股份有限公司