專利名稱：具有截錐形滾錐切刀和圓頂區(qū)域切刀嵌件的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及鉆頭。更為具體的說(shuō)，本發(fā)明涉及一種具有截錐形滾錐切刀和圓頂區(qū)域切刀嵌件的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭。
本發(fā)明的背景在油和氣體的勘探和生產(chǎn)的領(lǐng)域中，通常將一種用來(lái)在大地中鉆孔的鉆頭或鑿巖鉆頭稱為旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭。典型的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭采用了多個(gè)滾錐切刀，它們可旋轉(zhuǎn)地安裝得相對(duì)于所述鉆頭的中心軸向下和向內(nèi)地延伸。諸滾錐切刀可以具有一些以預(yù)定的方式設(shè)置在每一切刀上的銑成齒或切刀嵌件。每一滾錐切刀的預(yù)成形齒或嵌件的設(shè)置方式彼此之間通常是不同的，因此，當(dāng)諸錐形切刀旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述諸錐形切刀的齒或嵌件是咬合的。以這種方式進(jìn)行構(gòu)造，位于諸切刀的圓錐形側(cè)面上的諸齒或嵌件就不會(huì)在鉆出的孔內(nèi)形成凹槽。而且，位于圓錐形側(cè)面上咬合旋轉(zhuǎn)的齒或嵌件可以接觸和切削所述鉆孔的整個(gè)底部。
雖然這種典型的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭已經(jīng)被接受作為在大地中鉆孔的工具，但是，有幾種不希望的現(xiàn)象影響著鉆頭的效率和性能。請(qǐng)注意，諸滾錐切刀圓錐形尖端處或其附近的諸齒或諸嵌件是咬合并切削鉆孔的中心的。由于旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭的結(jié)構(gòu)，在諸滾錐切刀的圓錐形尖端處的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)移動(dòng)的距離最小。事實(shí)上，某些齒或嵌件可能除了旋轉(zhuǎn)移動(dòng)之外基本上是靜止的。由于切削量與諸齒或嵌件的移動(dòng)直接相關(guān)，因此，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能量傳遞給切削結(jié)構(gòu)的能量是很少的，從而巖石切削量就很少。所以，井孔的中心對(duì)鉆孔的進(jìn)展提出了一個(gè)難題。
作為對(duì)所述旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭的性能的一種量度是看它是否有保持一恒定鉆孔直徑的能力。這種保持恒定直徑的能力是很重要的，因?yàn)檫@樣可以將諸鉆井套管很方便地從所述鉆孔中取出或插入。對(duì)于定向鉆孔來(lái)說(shuō)，定徑保持能力是極為重要的。典型的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭的另一缺點(diǎn)在于諸圓錐形切刀具有切削出小于規(guī)定值的(under-gage)鉆孔的趨勢(shì)。當(dāng)鉆頭向前鉆進(jìn)時(shí)，巖層有向內(nèi)緊壓或迫使諸滾錐切刀和諸支撐臂向內(nèi)移的趨勢(shì)。其結(jié)果就是使鉆孔尺寸低于規(guī)定值。
本發(fā)明的概述因此，需要一種可以提高深入硬巖層的穿透率的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭。
本發(fā)明提供了一種具有截錐形切刀組件和圓頂區(qū)域嵌件的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭，它可以消除或大大減少已有技術(shù)鉆頭的缺點(diǎn)。
在本發(fā)明的一方面中，提供了一種具有兩級(jí)切削過(guò)程的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭。所述鉆頭包括至少兩個(gè)與所述支撐臂可旋轉(zhuǎn)連接的截錐形切刀組件，其中每一截錐形切刀組件都能圍繞各自軸線向下和向內(nèi)旋轉(zhuǎn)。所述截錐形切刀組件的形狀呈截頭圓錐形或圓錐形截錐體，它具有一藉助圓錐形側(cè)面與一截頭平面相連的背面。所述截頭面可以平行或也可以不平行于所述切刀組件的背面。多個(gè)主切削單元或嵌件按預(yù)定方式設(shè)置在截錐形切刀組件的平截頭面上。諸切刀組件的齒彼此之間是不咬合或嚙合的，并且每一切刀組件的多個(gè)切削單元與其他切刀組件的諸切削單元是隔開的。諸主切削單元在所述鉆孔的中心處圍繞一圓錐形芯巖層切削，它起著可以穩(wěn)定諸切刀組件并將它們向外推以切削出一全定徑的鉆孔的作用。
在本發(fā)明的另一方面中，多個(gè)次級(jí)切削單元或嵌件安裝在所述鉆頭本體圓頂區(qū)域的面向下的表面內(nèi)。當(dāng)所述鉆頭向前鉆進(jìn)時(shí)，諸次級(jí)切削單元削去未被觸動(dòng)的芯巖層。
在本發(fā)明的又一方面中，安裝在諸切刀組件的截頭面和/或切刀組件圓頂區(qū)域上的切刀嵌件可以安裝得具有一前角，從而可以提供一更具切削力的切削作用。
在本發(fā)明的再一方面中，諸切刀嵌件可以是環(huán)形的，并且安裝在那些形成在諸切刀組件的截頭面上和/或圓頂區(qū)域表面的凸塊上。
在本發(fā)明的另一方面中，諸環(huán)形切刀嵌件可以安裝在一些形成在所述表面內(nèi)的匹配輪廓上，它相對(duì)于所述表面以一預(yù)定前角來(lái)安裝諸嵌件。
本發(fā)明的一個(gè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于提高了旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭深入硬巖層的穿透率。安裝在諸切刀的截頭面內(nèi)的超硬切刀嵌件或切削單元適于更為有效地剪切和切削巖層。當(dāng)諸切刀在鉆孔中心內(nèi)圍繞未經(jīng)切削的芯巖旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以切削所述芯巖的整個(gè)360°的圓錐形表面。這種作用減輕了巖層在該處的應(yīng)力，削弱了天然巖石，增強(qiáng)了鉆頭的穿透率。
通過(guò)讓一未經(jīng)切削的巖層留在所述鉆孔的中心內(nèi)，可以促使諸截錐形切刀圍繞其旋轉(zhuǎn)。這樣就提高了諸切刀的方向穩(wěn)定性，尤其是當(dāng)遇到硬的巖層時(shí)。
而且，通過(guò)迫使諸切刀圍繞所述芯巖旋轉(zhuǎn)，可以降低或消除所述鉆孔外壁向內(nèi)緊壓諸支撐臂和諸切刀的趨勢(shì)。其結(jié)果是可以提高鉆頭的性能，并可以獲得一全定徑的鉆孔。在鉆孔中心內(nèi)的未經(jīng)切削的芯巖隨后被一位于鉆頭本體圓頂內(nèi)的次級(jí)切削結(jié)構(gòu)或切刀嵌件所切除。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明為了更好地理解本發(fā)明，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述。在各附圖中

圖1是一具有根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的具有截錐形切刀組件和圓頂區(qū)域切刀嵌件的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭的示意圖；圖2是所述旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭的一部分的側(cè)視圖，它示出了一截錐形切刀組件、諸個(gè)圓頂區(qū)域切刀嵌件和一中心芯巖層；圖3是所述旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭的圓頂區(qū)域的視圖，它示出了諸個(gè)根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的圓頂區(qū)域切刀嵌件；圖4是一根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的截錐形切刀組件的側(cè)視圖；圖5是一根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的斜截錐形切刀組件的側(cè)視圖；圖6A和圖6B是一位于所述切刀組件的平截頭面上或圓頂區(qū)域內(nèi)的切刀嵌件的剖視圖；圖7A和圖7B是根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)造的環(huán)形切刀嵌件和安裝塊的剖視圖；圖8A和圖8B是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的一環(huán)形切刀嵌件和一前角安裝塊的剖視圖。
本發(fā)明的具體描述參閱圖1至圖8，可以最佳地理解本發(fā)明的較佳實(shí)施例和其優(yōu)點(diǎn)，在圖1至圖8中，凡是相同的標(biāo)號(hào)均表示相同和相應(yīng)的構(gòu)件。
為了便于說(shuō)明，圖中以在大地鉆孔中使用的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭10作為本發(fā)明的實(shí)施例。旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭10也可以稱為“旋轉(zhuǎn)鉆頭”或“鑿巖鉆頭”。旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭10最好包括一具有一上螺紋部14、適于用來(lái)與鉆井套管(未示)的下端相連的鉆頭本體12。螺紋部14和所述鉆井套管相應(yīng)的螺紋連接部分可以根據(jù)鉆井表面(未示)處鉆井套管的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)使鉆頭10旋轉(zhuǎn)。鉆頭本體12包括一可以使冷卻的鉆井泥漿或類似材料從所述鉆井套管向下通過(guò)的內(nèi)通道(未示)。所述鉆井泥漿從諸個(gè)噴嘴(圖中所示為兩個(gè)噴嘴)噴出，向下流至鉆孔底部，隨后在所述鉆孔壁和鉆井套管之間的環(huán)形空間內(nèi)、攜帶著鉆井碎屑和巖石碎片而向上流。
在三錐錐齒輪旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭10內(nèi)，三個(gè)基本相同的支臂18(圖中示出了兩個(gè)支臂)從鉆頭本體12上延伸出來(lái)。每一支臂18可旋轉(zhuǎn)地支承一截錐形切刀組件20。所述截錐形切刀組件20的形狀通常是呈被平截去錐形頭部的平截頭錐形形狀。每一平截圓錐形切刀組件20圍繞一向下和向內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸線而旋轉(zhuǎn)。截錐形切刀組件20具有著可以形成一中心間隙并彼此相互隔開的平截頭面22。多個(gè)切刀嵌件24最好是以預(yù)定方式安裝在每一錐形切刀組件20的平截頭面22上。如圖中，諸切刀嵌件24是以一圓形的方式而設(shè)置在平截頭面22上的，但其他的方式也可以用。每一切刀組件20的諸切刀嵌件24與其它切刀組件20的諸切刀嵌件24相隔開，并且不會(huì)以任何形式相互咬合或嚙合。在諸切刀組件20的諸切刀嵌件24之間形成一間隙。諸切刀嵌件24最好是由超硬的耐磨材料制成，諸如多晶金剛石(PCD)、熱穩(wěn)定的多晶金剛石(TSP)以及立方氮化硼(CBN)。每一截錐形切刀組件20還包括多個(gè)切削單元或切削齒26，它們以列設(shè)置并從切刀組件20的錐形表面上向外突伸出來(lái)。
鉆頭10的鉆進(jìn)或切削作用是當(dāng)截錐形切刀組件20在鉆孔底部圍繞各自的軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的。圖2是一截錐形切刀組件20的局部剖視的側(cè)視圖，在鉆孔過(guò)程中所述截錐形切刀組件從一安裝在支撐臂18內(nèi)的主軸28上懸伸出來(lái)。切刀組件20還包括多個(gè)與主軸28旋轉(zhuǎn)支承嚙合的滾柱軸承組件30。切刀組件20由多個(gè)滾珠軸承32而保持在主軸28上，所述滾珠軸承通過(guò)一通道24而插設(shè)在主軸28內(nèi)。如圖所示，主軸28具有一與切刀組件20的內(nèi)腔相嚙合的較大的止推軸承嚙合表面面積34。與傳統(tǒng)的止推軸頸結(jié)構(gòu)相比，這是一種改進(jìn)，它具有軸承壽命更長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。此外，由于采用了平截錐形結(jié)構(gòu)，可以縮短主軸長(zhǎng)度，從而可以降低在鉆井過(guò)程中作用在主軸和諸軸承上的應(yīng)力。
由于諸切刀組件20具有諸個(gè)平截頭面22，并且沒(méi)有彼此相互咬合的齒或切刀嵌件，因此，當(dāng)諸切刀組件20可旋轉(zhuǎn)地切挖所述鉆孔底部時(shí)，在大體沿著鉆頭10縱軸中心的方向上，在所述鉆孔的中心處可以形成一芯巖層40。在位于諸切刀組件20的平截頭面22上并圍繞諸切刀組件軸44旋轉(zhuǎn)的諸切刀嵌件24的作用下，所述錐形芯巖層40的所有側(cè)面都受到切削和削減。以這種方式進(jìn)行構(gòu)造，錐形芯巖層40可以以其360°的表面起到一穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用，以迫使諸切刀組件20圍繞其旋轉(zhuǎn)。錐形芯巖層40還可以起到一支承面的作用，它可以將那些正在旋轉(zhuǎn)的切刀組件20向外推，以在硬巖層內(nèi)鉆出一全定徑井孔。
在錐形芯基40上方延伸的、最終較為狹窄的圓柱形巖層42通常沒(méi)有足夠的結(jié)構(gòu)完整性，不需要進(jìn)一步切削就可以潰散和倒塌。但是，有時(shí)候，直徑在1/4英寸至一英寸之間的窄芯42仍保持原來(lái)的狀態(tài)不動(dòng)。應(yīng)予注意的是，切刀組件軸44的傾斜度可以決定芯巖層42的結(jié)構(gòu)和厚度。
不受支承地豎立在所述鉆孔中心內(nèi)的窄徑圓柱形芯層42是由一次級(jí)切削結(jié)構(gòu)或切削單元切削下來(lái)的，所述次級(jí)切削結(jié)構(gòu)或切削單元安裝在一位于鉆頭本體12下側(cè)面上的圓頂區(qū)域內(nèi)。所述次級(jí)切削結(jié)構(gòu)可以由多個(gè)以預(yù)定方式設(shè)置在圓頂區(qū)域52內(nèi)的切刀嵌件50來(lái)實(shí)現(xiàn)。諸圓頂區(qū)域切刀嵌件50最好是由超硬耐磨的多晶金剛石材料和其它類似物制成的，從而可以有效地對(duì)芯層42進(jìn)行剪切。因此，當(dāng)鉆頭本體12圍繞其中心縱軸32而旋轉(zhuǎn)時(shí)，圓頂區(qū)域切刀嵌件50就可以旋轉(zhuǎn)地剪切除去窄徑圓柱形芯層42的頂部。由于靠近流過(guò)鉆頭本體12的冷卻鉆井泥漿，產(chǎn)生在圓頂區(qū)域切刀嵌件52內(nèi)的熱量就通過(guò)把熱傳遞給鉆頭本體12和鉆井泥漿而迅速擴(kuò)散。
圖3是旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭10的仰視圖，它示出了位于鉆頭本體12的圓頂區(qū)域52內(nèi)的諸圓頂區(qū)域切刀嵌件50。圖中還示出了安裝在諸個(gè)平截錐形切刀組件20的平截頭面22上的諸切刀嵌件24。從該圖中可以清楚地看到，諸切刀組件20彼此相互隔開，相互之間沒(méi)有任何齒或切削結(jié)構(gòu)相互咬合或交錯(cuò)。位于切刀組件20的平截頭面22上的諸切刀嵌件24可以說(shuō)代表了一種用來(lái)加工鉆孔中心的主切削結(jié)構(gòu)，而圓頂區(qū)域切刀嵌件52代表了一種用來(lái)最終切削掉由所述主切削結(jié)構(gòu)形成的芯巖層的次級(jí)切削結(jié)構(gòu)。
以這種方式進(jìn)行構(gòu)造，可以提高旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭10的穿透率。安裝在諸切刀組件20的平截頭面22內(nèi)的超硬切刀嵌件24或主切削結(jié)構(gòu)適于更為有效地剪切和切削所述鉆孔的中心。當(dāng)諸切刀組件20在鉆孔中心內(nèi)圍繞未切削的芯40旋轉(zhuǎn)時(shí)，其整個(gè)360°的錐形表面將被切削和磨低。這種作用減輕了巖層處的應(yīng)力，并減弱了天然巖石。
通過(guò)讓未經(jīng)切削的芯巖層40留在鉆孔中心內(nèi)，可以促使諸截錐形切刀組件20圍繞其旋轉(zhuǎn)。這樣就可以使諸切刀組件20具有更好的方向穩(wěn)定性，尤其是在遇到硬巖層時(shí)更是如此。而且，藉助迫使諸切刀組件20圍繞錐形芯40旋轉(zhuǎn)，可以降低或消除鉆孔外壁向內(nèi)緊壓支撐臂18和諸切刀組件20的趨勢(shì)。其結(jié)果是提高了鉆頭本體和全定徑鉆孔的性能。
現(xiàn)請(qǐng)參閱圖4，圖中示出了截錐形切刀組件20的側(cè)視圖。截錐形切刀組件20是一具有平截頭面22的錐形截頭體，所述平截頭面大體上平行于一形成所述錐體底座的背面60。因此，位于平截頭面22上的諸切刀嵌件24就位于一與背面60大體平行的直線(未示)上。
截錐形切刀組件20的另一實(shí)施例具有諸個(gè)截頭面切刀嵌件24，這些切刀嵌件位于一相對(duì)于圖5所示的切刀組件64內(nèi)的背面60是傾斜的截頭面62上。傾斜角α可以從零變化至45°，當(dāng)傾斜角為零度時(shí)，截頭面62與背面60相平行。
在三錐齒輪旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭10中，三個(gè)切刀組件64所具有的截頭面的傾斜角可以是不同的。例如，兩個(gè)切刀組件可以具有相互平行的截頭面，而第三切刀組件可以具有一斜截頭面?；蛘?，其中一個(gè)切刀組件可以具有一平行的截頭面，第二切刀組件可以具有一預(yù)定角度的截頭面，而第三切刀組件可以具有一較大角度的截頭面。諸切刀組件的角度和結(jié)構(gòu)可以根據(jù)具體應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。放置在斜截頭面62上的諸切刀嵌件24可以更具切削力地切削和剪切巖石層，從而可以使一中心芯巖層40具有略微不同的結(jié)構(gòu)和/或尺寸。
對(duì)截錐形切刀組件的另一種變化和另一個(gè)實(shí)施例是以預(yù)定角度δ使旋轉(zhuǎn)軸44稍稍偏移或歪斜，從而使諸切刀組件可以圍繞偏移軸66來(lái)旋轉(zhuǎn)，如圖4和圖5所示的那樣。所述偏移的旋轉(zhuǎn)軸66可以通過(guò)將截錐形切刀組件20以某一角度安裝在主軸28上以獲得所需偏移來(lái)實(shí)現(xiàn)。偏移的切刀組件可以更具切削力地切入芯巖層40和/或鉆孔的外壁內(nèi)。在一鉆頭內(nèi)，可以使一個(gè)或多個(gè)切刀組件偏置，以提高鉆頭的穿透性。
圖6A和圖6B示出了用于截頭面22或62和圓頂區(qū)域50的切刀嵌件70可以安裝得使其縱軸72垂直于所述表面或者與所述表面成一前角β。所述前角β可以確定在近似0-45°的范圍內(nèi)。最佳的是，所述前角對(duì)于圓頂區(qū)域切刀嵌件來(lái)說(shuō)可以近似為20-35°，而對(duì)于截頭面切刀嵌件來(lái)說(shuō)可以近似為15-25°。所述前角可以使鉆頭更具切削力，并可以人為地增厚諸嵌件的超硬多角形金剛石層74，以提高其使用壽命。諸切刀嵌件70最好是銅焊的、燒結(jié)的、或者利用其它類似方法而固定在那些形成在或預(yù)先制造在截頭面或圓頂區(qū)域的表面內(nèi)的匹配孔里。
在截頭面22或62或圓頂區(qū)域50的表面內(nèi)的材料深度不足以或不適于安裝上述切刀嵌件的情況中，可以使用另一種實(shí)施例。如圖7A和圖7B所示，可以將一其內(nèi)形成有一中心孔82的環(huán)形切刀嵌件80銅焊或以其他方法連接于一形成在所述表面上的凸起或凸塊84上。凸塊84的形狀最好與中心孔82的形狀一致，以保證其間的可靠連接。這種安裝構(gòu)造就不再需要具有某一厚度以形成諸匹配孔，可以增大用于形成連接結(jié)構(gòu)的表面面積，并特別適于截頭面和圓頂區(qū)域的安裝條件。
為了獲得一前角β，如以上所述，可以在所述材料的表面內(nèi)預(yù)先制造出一匹配輪廓86，如圖8A和圖8B所示的那樣。具體地說(shuō)，匹配輪廓86可以包括一凸塊88和一淺凹槽90。當(dāng)將切刀嵌件80焊接到匹配輪廓86時(shí)，就形成了具有所需大小的前角。
環(huán)形切刀嵌件80可以回收利用在制造多晶形金剛石坯塊(PDCs)的過(guò)程中丟棄的廢品材料。諸多晶形金剛石是從所述材料上沖壓下來(lái)的，它在一片圓形材料上留下一中心孔。因此，使用環(huán)形切刀嵌件80是經(jīng)濟(jì)的，并且它不需要進(jìn)行專門的制造。
根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容來(lái)構(gòu)造的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭通過(guò)提高鉆孔中心處的切削作用可以獲得一更好的穿透性能。而若利用傳統(tǒng)的鉆頭，在所述鉆孔中心處的鉆進(jìn)速度是最慢的。位于截錐形切刀組件的平整面上的主切削結(jié)構(gòu)或切削單元在鉆孔中心留下一未經(jīng)切削的錐形巖芯，它提供了這樣一個(gè)優(yōu)點(diǎn)可以穩(wěn)定正在旋轉(zhuǎn)的諸切刀組件并實(shí)現(xiàn)一全定徑孔的切削。所述芯最后是由位于鉆頭本體的圓頂區(qū)域內(nèi)的次級(jí)切削結(jié)構(gòu)來(lái)削掉的。
雖然至此已對(duì)本發(fā)明的其優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了具體描述，但是，應(yīng)予理解的是，還可以對(duì)本發(fā)明作出種種不背離由所附權(quán)利要求書所闡述的本發(fā)明的精神和保護(hù)范圍的變化替代和改變。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭，它具有一可旋轉(zhuǎn)的鉆頭本體和至少兩個(gè)從其上延伸出來(lái)的支撐臂，所述支撐臂在所述鉆頭本體下形成一圓頂區(qū)域，所述旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭包括至少兩個(gè)與所述支撐臂可旋轉(zhuǎn)連接并且都能圍繞各自軸線向下和向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的截錐形切刀組件，所述截錐形切刀組件是形狀呈圓錐形的截錐體，它具有一藉助圓錐形側(cè)面與一截頭面相連的背面，所述背面和所述截頭平面相互之間具有一預(yù)定的角度；多個(gè)主切削單元，它們按預(yù)定方式設(shè)置并與所述截錐形切刀組件的所述平截頭面相連，每一切刀組件的所述多個(gè)切削單元相對(duì)于其它切刀組件的切削單元來(lái)說(shuō)是彼此隔開的；以及多個(gè)次級(jí)切削單元，它們安裝在所述鉆頭本體的所述圓頂區(qū)域的面向下的表面內(nèi)并可以與之一起旋轉(zhuǎn)。
2.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭，其特征在于，所述多個(gè)主切削單元是由超硬耐磨材料制成的嵌件。
3.如權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭，其特征在于，所述嵌件是以一相對(duì)于所述切刀的所述平截頭面以一前角進(jìn)行安裝的。
4.如權(quán)利要求3所述的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭，其特征在于，所述前角在0-45°范圍內(nèi)變化。
5.如權(quán)利要求3所述的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭，其特征在于，所述前角在15-25°范圍內(nèi)變化。
6.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭，其特征在于，所述多個(gè)次級(jí)切削單元是由超硬耐磨材料制成的嵌件。
7.如權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭，其特征在于，所述嵌件是以一相對(duì)于所述圓頂區(qū)域安裝表面以前角進(jìn)行安裝的。
8.如權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭，其特征在于，所述前角在0-45°范圍內(nèi)變化。
9.如權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭，其特征在于，所述前角在20-35°范圍內(nèi)變化。
10.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭，其特征在于，所述多個(gè)主和次級(jí)切削單元是由超硬耐磨材料制成的嵌件，所述材料可以是多晶形金剛石、熱穩(wěn)定的多晶形金剛石和立方氮化硼。
11.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭，其特征在于，所述多個(gè)次級(jí)切削單元是環(huán)形的超硬嵌件，它們安裝在那些形成在所述切刀組件的平截頭面內(nèi)的凸塊上。
12.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭，其特征在于，所述多個(gè)次級(jí)切削單元是環(huán)形的超硬嵌件，它們安裝在那些形成在所述鉆頭本體的圓頂區(qū)域表面內(nèi)的凸塊上。
13.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭，其特征在于，它還包括多個(gè)形成在所述切刀組件的平截頭面上的匹配輪廓，所述匹配輪廓具有一從所述平截頭面起以某一角度延伸出來(lái)的凸起的凸塊；以及多個(gè)焊接于所述諸匹配輪廓的環(huán)形嵌件。
14.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭，其特征在于，它還包括多個(gè)形成在所述圓頂區(qū)域的面向下的表面上的匹配輪廓，所述匹配輪廓具有一從所述平截頭面起以某一角度延伸出來(lái)的凸起的凸塊；以及多個(gè)焊接于所述諸匹配輪廓的環(huán)形嵌件。
15.一種土鉆鉆頭切刀組件，它包括一截頭圓錐形本體，它具有一藉助諸圓錐形側(cè)面與一基本平整的截頭面相連的背面；多個(gè)設(shè)置成列并設(shè)置在所述圓錐形側(cè)面上的切刀單元；以及多個(gè)與所述基本平整的截頭面相焊接的超硬耐磨切刀單元。
16.如權(quán)利要求15所述的切刀組件，其特征在于，所述超硬耐磨切刀單元包括諸個(gè)多晶形金剛石切刀嵌件。
17.如權(quán)利要求15所述的切刀組件，其特征在于，所述多個(gè)超硬耐磨切刀單元均具有一縱向中心軸，所述諸切刀單元焊接于所述平截頭面，并且其縱向中心軸垂直于所述平截頭面。
18.如權(quán)利要求15所述的切刀組件，其特征在于，所述多個(gè)超硬耐磨切刀單元均具有一縱向中心軸，所述諸切刀單元焊接于所述平截頭面，并且其縱向中心軸不垂直于所述平截頭面。
19.如權(quán)利要求15所述的切刀組件，它還包括多個(gè)從所述基本平整的截頭面凸伸出來(lái)的凸塊；以及多個(gè)焊接于所述凸塊的環(huán)形嵌件。
20.如權(quán)利要求15所述的切刀組件，它還包括多個(gè)位于所述基本平整的截頭面內(nèi)的匹配輪廓，所述匹配輪廓包括一以一角度從其上凸伸出來(lái)的凸塊；以及多個(gè)焊接于所述匹配輪廓的環(huán)形嵌件。
21.一種利用一旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭來(lái)鉆出一鉆孔的方法，所述鉆頭具有一鉆頭本體和多個(gè)從其上向下延伸出來(lái)在所述鉆頭本體下方形成一圓頂區(qū)域的支撐臂，所述方法包括以下步驟使數(shù)量相等的截錐形切刀組件圍繞所述鉆頭本體的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，所述截錐形切刀組件的數(shù)量與從其上懸伸出來(lái)的諸支撐臂的數(shù)量相等，所述切刀組件彼此相互隔開；使每一截錐形切刀組件圍繞各自的中心軸旋轉(zhuǎn)，所述截錐形切刀組件均具有一藉助諸圓錐形側(cè)面與一平截頭面相連的背面，所述切刀組件具有多列位于諸圓錐形側(cè)面上的切削結(jié)構(gòu)，以及多個(gè)安裝在所述截錐形切刀組件的平整截頭面上的所述次級(jí)切削單元；以及當(dāng)所述截錐形切刀組件圍繞鉆孔底部旋轉(zhuǎn)時(shí)，在所述鉆孔的中心處形成一尚未被切除的獨(dú)立的圓錐形巖芯，并在所述鉆頭向下前進(jìn)時(shí)圍繞所述圓錐形巖芯切削。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，它還包括以下步驟當(dāng)所述鉆頭向下前進(jìn)時(shí)用多個(gè)安裝在所述圓頂區(qū)域內(nèi)與所述鉆頭體一起旋轉(zhuǎn)的次級(jí)切削單元來(lái)切削所述獨(dú)立圓錐形巖芯的頂部，所述圓頂區(qū)域與鉆頭本體可一起旋轉(zhuǎn)。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，它還包括以下步驟當(dāng)所述諸切刀組件旋轉(zhuǎn)并與其圓錐形側(cè)面相接觸時(shí)，用所述獨(dú)立圓錐形巖芯的圓錐形側(cè)面來(lái)穩(wěn)定所述截錐形切刀組件。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，它還包括以下步驟當(dāng)所述諸切刀組件旋轉(zhuǎn)并與其圓錐形側(cè)面相接觸時(shí)，用所述獨(dú)立圓錐形巖芯的圓錐形側(cè)面來(lái)向外推動(dòng)諸截錐形切刀組件。
25.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)諸切刀組件的步驟包括以下步驟沿著它們各自的與其中心軸相重合的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)諸切刀組件。
26.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)諸切刀組件的步驟包括以下步驟沿著它們各自的與其中心軸成一角度的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)諸切刀組件。
27.一種用來(lái)制造一旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭的方法，所述旋轉(zhuǎn)式錐形鉆頭具有一鉆頭本體和預(yù)定數(shù)量的、從其上懸伸出來(lái)、在所述鉆頭本體下方形成一圓頂區(qū)域的支撐臂，所述方法包括以下步驟形成相等的預(yù)定數(shù)量的截錐形切刀組件，每一切刀組件的形狀都是截頭圓錐形，它具有一藉助諸圓錐形側(cè)面與一基本平整的截頭面相連的背面，所述切刀組件適于圍繞各自的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并且相互之間彼此隔開；將多個(gè)切刀嵌件焊接到所述諸切刀組件的所述平截頭面上；以及將多個(gè)切刀嵌件焊接到所述圓頂區(qū)域的面向下的表面上。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，將所述切刀嵌件焊接到所述平截頭面上的步驟還包括以下步驟在所述諸切刀組件的所述平截頭面上形成多個(gè)凸塊；以及將多個(gè)環(huán)形切刀嵌件焊接到所述凸塊上并使它們圍繞表面區(qū)域。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，將所述切刀嵌件焊接到所述平截頭面的步驟還包括以下步驟在所述諸切刀組件的所述平截頭面上形成多個(gè)匹配輪廓，所述匹配輪廓均具有一從所述平截頭面上方以一角度延伸出來(lái)的凸塊；以及將多個(gè)環(huán)形切刀嵌件焊接到所述匹配輪廓上。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，形成所述匹配輪廓的步驟還包括以下步驟使所述凸塊以一在0-45°范圍內(nèi)的角度來(lái)延伸。
31.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，形成所述匹配輪廓的步驟還包括以下步驟；使所述凸塊以一在15-25°范圍內(nèi)的角度來(lái)延伸。
32.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，將所述切刀嵌件焊接到所述圓頂區(qū)域上的步驟還包括以下步驟在所述圓頂區(qū)域的面向下的表面上形成多個(gè)凸塊；以及將多個(gè)環(huán)形切刀嵌件焊接到所述凸塊上并使它們圍繞表面區(qū)域。
33.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，將所述切刀嵌件焊接到所述平截頭面上的步驟還包括以下步驟在所述諸切刀組件的所述平截頭面上形成多個(gè)匹配輪廓，所述匹配輪廓均具有一在所述平截頭面上方以一角度延伸出來(lái)的凸塊；以及將多個(gè)環(huán)形切刀嵌件焊接到所述諸匹配輪廓上。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，形成所述諸匹配輪廓的步驟還包括以下步驟使所述凸塊以一在0-45°范圍內(nèi)的角度延伸。
35.如權(quán)利要求33是的方法，其特征在于，形成所述匹配輪廓的步驟還包括以下步驟使時(shí)速凸塊以一在15-25°范圍內(nèi)的角度延伸。
全文摘要
一鉆頭(10)至少包括兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)地連接于諸支撐臂(18)的截錐形切刀組件(20)。截錐形切刀組件(20)呈截頭圓錐形或圓錐形截錐體的形狀,并具有一藉助圓錐形側(cè)面與一平截頭面(22,62)相連的背面。主切削單元(24)以預(yù)定方式設(shè)置在平截頭面(22,62)上。諸切刀組件(20)的齒(26)與其它切刀組件(20)的切削單元(24)相互隔開。主切削單元(24)在所述鉆孔的中心內(nèi)圍繞一圓錐形芯巖層(40)進(jìn)行切削,所述芯巖層可以穩(wěn)定諸切刀組件(20)并將它們向外推從而可以切削出一定徑鉆孔。諸次級(jí)切削單元(52)安裝在一圓頂區(qū)域(50)的向下表面內(nèi)。當(dāng)鉆頭(10)向下前進(jìn)時(shí),諸次級(jí)切削單元(52)把尚未切掉的巖芯(42)切除。
文檔編號(hào)E21B10/52GK1194024SQ96196480
公開日1998年9月23日 申請(qǐng)日期1996年8月15日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月23日
發(fā)明者小J·M·香伯格 申請(qǐng)人:德雷瑟工業(yè)公司