用于在大地地層中鉆孔的鉆孔系統(tǒng)和混合型鉆頭及其相關(guān)方法
【專利摘要】公開了鉆頭以及與其相關(guān)的方法。在實(shí)施例中，所述鉆頭包括具有多個(gè)腿部的主體，每個(gè)腿部具有包括前緣表面和后緣表面的下段。多個(gè)錐形刀具中的每一個(gè)以可旋轉(zhuǎn)方式安裝至腿部中一個(gè)的下段，每個(gè)錐形刀具具有錐體軸線，并且包括繞錐體軸線布置的第一多個(gè)切削元件，以便當(dāng)主體繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述第一多個(gè)切削元件均剪切地層。
【專利說(shuō)明】用于在大地地層中鉆孔的鉆孔系統(tǒng)和混合型鉆頭及其相關(guān) 方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求2013年12月5日提交的，標(biāo)題為"Dri 11 ing Systems and Hybrid Drill Bits for Drilling in a Subterranean Formation(用于在大地地層中鉆孔的鉆 孔系統(tǒng)和混合型鉆頭)"的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No . 61 /912，302的權(quán)益，其公開內(nèi)容在此通過引用 以其整體并入。
[0003] 關(guān)于美國(guó)聯(lián)邦政府資助的研究或者開發(fā)的聲明
[0004] 不適用。
【背景技術(shù)】
[0005] 本公開主要涉及例如為了最終采收石油、天然氣和/或礦石，用于鉆出穿過大地地 層的鉆孔的鉆孔系統(tǒng)和鉆地鉆頭。更特別地，本公開涉及混合型鉆頭，該混合型鉆頭包括帶 有切削元件的固定葉片以及帶有切削元件的旋轉(zhuǎn)錐體。
[0006] 鉆地鉆頭連接至鉆柱的下端，并且通過從地面旋轉(zhuǎn)鉆柱、利用井下電機(jī)或者通過 兩者而被旋轉(zhuǎn)。通過所應(yīng)用的鉆頭鉆壓(W0B)，旋轉(zhuǎn)鉆頭接合大地地層并且繼續(xù)前進(jìn)，以沿 朝著目標(biāo)區(qū)域的預(yù)定路徑形成鉆孔。
[0007]在鉆孔操作中，成本通常與將鉆孔鉆至期望深度和位置耗費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)度成比例。 鉆出井所需的時(shí)間繼而極大地受必須在鉆孔操作期間更換和添加鉆頭的次數(shù)影響。情況就 是這樣，因?yàn)槊看胃鼡Q或者添加鉆頭，都必須從井下一段一段地取出可能幾英里長(zhǎng)的鉆桿 的整個(gè)鉆柱。一旦已經(jīng)取出鉆柱，并且更換或者添加了工具，鉆柱必須被一段一段地構(gòu)成， 并且降回鉆孔中。被稱為鉆柱的"起下鉆"的這種過程需要相當(dāng)多的時(shí)間、人工和費(fèi)用。由于 鉆孔成本通常約為每小時(shí)幾千美元，所以期望減少為了完成鉆孔必須對(duì)鉆柱起下鉆的次 數(shù)。
[0008] 在傳統(tǒng)的鉆孔操作期間，一旦鉆頭已經(jīng)受損、磨損和/或其切削有效性已經(jīng)充分地 降低，通常就必需更換或者替換布置在鉆柱下端處的鉆頭。與特定動(dòng)機(jī)無(wú)關(guān)地，每次替換或 者更換鉆頭，都必須執(zhí)行對(duì)鉆柱的起下鉆，因而這提高了與鉆出大地井筒相關(guān)聯(lián)的整體時(shí) 間和成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 一些實(shí)施例涉及一種用于在大地地層中鉆出鉆孔的鉆頭，鉆孔具有規(guī)直徑（gage diameter)。在實(shí)施例中，鉆頭包括鉆頭主體，該鉆頭主體具有鉆頭軸線、被構(gòu)造成將聯(lián)接至 鉆柱的下端的第一端以及被構(gòu)造成接合大地地層的第二端，其中鉆頭主體包括繞鉆頭軸線 周向地布置的多個(gè)腿部，其中每個(gè)腿部都具有從鉆頭的第二端軸向延伸的下段，并且其中 每個(gè)下段都具有相對(duì)于繞鉆頭軸線的鉆頭旋轉(zhuǎn)方向的前緣表面以及相對(duì)于鉆頭旋轉(zhuǎn)方向 的后緣表面。另外，鉆頭包括多個(gè)滾動(dòng)錐形刀具，其中每個(gè)滾動(dòng)錐形刀具都被以可旋轉(zhuǎn)方式 安裝至一個(gè)腿部的下段，并且沿相應(yīng)腿部的前緣表面設(shè)置，其中每個(gè)錐形刀具都具有錐體 旋轉(zhuǎn)軸線，該錐體旋轉(zhuǎn)軸線與鉆頭軸線徑向地間隔開，并且基本垂直于含鉆頭軸線的平面。 每個(gè)錐形刀具都包括以繞相應(yīng)的錐體旋轉(zhuǎn)軸線延伸的第一周向行布置的第一多個(gè)切削元 件。第一多個(gè)切削元件中的每個(gè)都包括被構(gòu)造成當(dāng)鉆頭主體繞鉆頭軸線在鉆頭旋轉(zhuǎn)方向上 旋轉(zhuǎn)時(shí)接合并且剪切大地地層的平坦切削面。
[0010] 其它實(shí)施例涉及一種用于在大地地層中鉆出鉆孔的鉆頭，鉆孔具有規(guī)直徑。在實(shí) 施例中，鉆頭包括鉆頭主體，該鉆頭主體具有鉆頭軸線、被構(gòu)造成將聯(lián)接至鉆柱的下端的第 一端以及被構(gòu)造成接合大地地層的第二端，其中鉆頭主體包括繞鉆頭軸線周向地布置的多 個(gè)腿部，其中每個(gè)腿部都具有從鉆頭的第二端軸向延伸的下段，并且其中每個(gè)下段都具有 相對(duì)于繞鉆頭軸線的鉆頭旋轉(zhuǎn)方向的前緣表面以及相對(duì)于鉆頭旋轉(zhuǎn)方向的后緣表面。另 外，鉆頭包括多個(gè)滾動(dòng)錐形刀具，其中每個(gè)滾動(dòng)錐形刀具都被以可旋轉(zhuǎn)方式安裝在與一個(gè) 腿部的下段螺紋聯(lián)接的軸頸上，其中每個(gè)錐形刀具都沿相應(yīng)腿部的前緣表面設(shè)置。每個(gè)錐 形刀具都包括以繞相應(yīng)的錐體旋轉(zhuǎn)軸線延伸的第一周向行布置的第一多個(gè)切削元件。第一 多個(gè)切削元件中的每個(gè)都包括被構(gòu)造成當(dāng)鉆頭主體繞鉆頭軸線在鉆頭旋轉(zhuǎn)方向上旋轉(zhuǎn)時(shí) 接合并且剪切大地地層的平坦切削面。
[0011] 又一實(shí)施例涉及一種在大地地層中鉆出鉆孔的方法。在實(shí)施例中，該方法包括(a) 將第一軸頸可移除地聯(lián)接至鉆頭主體的腿部，其中鉆頭主體具有鉆頭軸線。另外，該方法包 括(b)將第一滾動(dòng)錐形刀具以可旋轉(zhuǎn)方式聯(lián)接至第一軸頸，其中第一錐形刀具有第一錐體 軸線和多個(gè)切削元件。此外，該方法包括：（c)使鉆頭繞鉆頭軸線在切削方向上旋轉(zhuǎn)，和(d) 在（c)期間使大地地層接合被安裝至第一錐形刀具的多個(gè)切削元件。再另外，該方法包括 (e)使第一錐形刀具在(d)期間繞第一錐體軸線旋轉(zhuǎn)。
[0012] 本文所述的實(shí)施例包括旨在解決與一些現(xiàn)有裝置、系統(tǒng)和方法相關(guān)聯(lián)的各種缺點(diǎn) 的特征和優(yōu)點(diǎn)的組合。上文已經(jīng)相當(dāng)廣泛地概述了所公開實(shí)施例的特征和技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，以便 可以更好地理解下文的詳細(xì)說(shuō)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員通過閱讀下文詳細(xì)說(shuō)明并且通過參考附 圖，將易于明白上述各種特征以及其它特性。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明白，可以易于采用所公開 的構(gòu)思和具體實(shí)施例作為修改或者設(shè)計(jì)用于執(zhí)行所公開實(shí)施例的相同目的的其它結(jié)構(gòu)的 基礎(chǔ)。本領(lǐng)域技術(shù)人員也應(yīng)明白，這些等效構(gòu)造不偏離如在附加權(quán)利要求中提出的本公開 的精神和范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0013]為詳細(xì)說(shuō)明所公開實(shí)施例，現(xiàn)在將參考附圖，其中：
[0014] 圖1是包括根據(jù)本文公開的原理的鉆頭的實(shí)施例的鉆孔系統(tǒng)的示意性局部側(cè)橫截 面圖；
[0015] 圖2是沿截面II-II的圖1的鉆孔系統(tǒng)的鉆頭和鉆柱下端的放大示意性局部側(cè)橫截 面圖；
[0016] 圖3是圖1的鉆頭的透視圖；
[0017] 圖4是圖1的鉆頭的另一透視圖；
[0018] 圖5是圖1的鉆頭的側(cè)視圖；
[0019] 圖6是圖1的鉆頭的橫截面?zhèn)纫晥D；
[0020] 圖7是圖1的鉆頭的端視圖；
[0021] 圖8是圖1的鉆孔組件中的鉆頭的橫截面端視圖；
[0022] 圖9是圖1的鉆頭的一個(gè)可旋轉(zhuǎn)刀具的側(cè)視圖；
[0023] 圖10a-l〇C是示出以各種后傾角度接合地層的示例性切削元件的示意性側(cè)視圖；
[0024] 圖11是根據(jù)本文公開的原理的鉆頭的實(shí)施例的端視圖；
[0025] 圖12是根據(jù)本文公開的原理的鉆頭的實(shí)施例的橫截面端視圖；并且
[0026] 圖13是根據(jù)本文公開的原理的鉆頭的實(shí)施例的橫截面端視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下文討論涉及各種示例性實(shí)施例。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，本文公開的示例 具有廣泛應(yīng)用，并且對(duì)任何實(shí)施例的討論都僅意味著例證該實(shí)施例，并且無(wú)意暗示本公開 (包括權(quán)利要求)的范圍限于該實(shí)施例。
[0028] 貫穿下文說(shuō)明和權(quán)利要求使用的特定術(shù)語(yǔ)涉及具體部件或者組件。本領(lǐng)域技術(shù)人 員應(yīng)明白，不同的人可以通過不同名稱指代相同部件或者組件。本公開無(wú)意在名稱而非功 能不同的組件或者部件之間區(qū)分。附圖不必按比例繪制?？赡鼙壤浯蟮鼗蛘咭陨晕⑹疽?性的形式示出本文的具體部件和組件，并且可能為了清楚和簡(jiǎn)明未示出傳統(tǒng)元件的一些細(xì) To
[0029] 在下文討論和權(quán)利要求中，術(shù)語(yǔ)"包括…"和"包含…"是被以開端方式使用的，并 且因而應(yīng)被理解為指"包括，但是不限于…"。同樣地，術(shù)語(yǔ)"聯(lián)接"或者"聯(lián)接"旨在指間接或 者直接連接。因而，如果第一裝置聯(lián)接至第二裝置，該連接可以通過直接連接，或者通過經(jīng) 由其它裝置、組件和連接件的間接連接。另外，本文使用的術(shù)語(yǔ)"軸向的"和"軸向地"主要指 沿著或者平行于中心軸線（例如，主體或者端口的中心軸線），而術(shù)語(yǔ)"徑向的"和"徑向地" 主要指垂直于中心軸線。例如，軸向距離指沿著或者平行于中心軸線測(cè)量的距離，并且徑向 距離指垂直于中心軸線測(cè)量的距離。說(shuō)明書中和權(quán)利要求中對(duì)上或者下的任何參考都將是 出于清楚目的，"上"、"上部"、"向上"、"上孔"或者"上游"指朝著鉆孔的地面端，并且"下"、 "下部"、"向下"、"下孔"或者"下游"指朝著鉆孔的終端，而與鉆孔取向無(wú)關(guān)。
[0030] 如上所述，在傳統(tǒng)的鉆孔操作期間，通常期望在鉆頭的可用壽命已經(jīng)耗盡之后替 換接合土質(zhì)地層的鉆頭。每次執(zhí)行這種鉆頭替換，整個(gè)鉆柱都必須被起鉆至地面，因而極大 地提高了執(zhí)行鉆孔操作的成本。因而，本文公開的實(shí)施例包括這樣的鉆頭，這些鉆頭包括具 有布置在其上的多個(gè)切削元件的固定葉片以及具有布置在其上的多個(gè)切削元件的旋轉(zhuǎn)錐 體，以有效地增大鉆孔操作期間可用于接合大地地層的切削元件的數(shù)目和切削材料的體 積。
[0031] 現(xiàn)在參考圖1，其中示意性地示出鉆孔系統(tǒng)10的實(shí)施例。在該實(shí)施例中，鉆孔系統(tǒng) 10包括位于穿透大地地層12的鉆孔11上的鉆機(jī)20,以及從鉆機(jī)20的鉆架21懸置在鉆孔11中 的鉆柱30。鉆柱30具有中心或者縱向軸線31、聯(lián)接至鉆架21的第一或者上孔端30a，以及與 端部30a相反的第二或者下孔端30b。另外，鉆柱30包括位于下孔端30b處的鉆頭100,以及從 鉆頭100延伸至上孔端30a的多個(gè)鉆桿接頭33。鉆桿接頭33首尾相連，并且鉆頭100連接至最 下部鉆桿接頭33的下端。井底鉆具組件(BHA)(未示出）能夠被沿著緊鄰鉆頭100的鉆柱30布 置(例如，軸向地處于最下部的鉆桿接頭33和鉆頭100之間）。
[0032]在該實(shí)施例中，鉆頭100通過來(lái)自地面14的鉆柱30的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。特別地，鉆柱30 被接合方鉆桿23的轉(zhuǎn)盤22旋轉(zhuǎn)，方鉆桿23聯(lián)接至鉆柱30的上孔端30a。方鉆桿23,并且因此 鉆柱30從與具有旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體25的游動(dòng)滑車(未示出）附接的鉤子24懸置，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體25允許鉆柱 30相對(duì)于鉆架21旋轉(zhuǎn)。雖然在該實(shí)施例中，從地面14通過轉(zhuǎn)盤22和鉆柱30旋轉(zhuǎn)鉆頭100,但 是通常能夠以布置在地面14處的轉(zhuǎn)盤或者頂部驅(qū)動(dòng)裝置、布置在BHA中的井下泥漿電機(jī)或 者其組合(例如，由轉(zhuǎn)盤通過鉆柱以及由泥漿電機(jī)兩者旋轉(zhuǎn)、由頂部驅(qū)動(dòng)裝置和泥漿電機(jī)旋 轉(zhuǎn)，等等)旋轉(zhuǎn)鉆頭1 〇〇。例如，可以采用通過井下電機(jī)的旋轉(zhuǎn)以補(bǔ)充轉(zhuǎn)盤22的旋轉(zhuǎn)功率(如 果需要)和/或以實(shí)現(xiàn)鉆孔過程的變化。因而，應(yīng)明白，本文公開的各種方面適合在這些鉆孔 構(gòu)造中的每種構(gòu)造中采用，并且不限于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)鉆孔操作。
[0033]在鉆孔操作期間，地面14處的泥漿栗26通過轉(zhuǎn)體25中的端口將鉆液或者泥漿沿著 鉆柱30內(nèi)部栗送。鉆液通過鉆頭100的面中的端口或者噴嘴流出鉆柱30,并且然后通過鉆柱 30和鉆孔11之間的環(huán)空13循環(huán)回地面14。鉆液起潤(rùn)滑和冷卻鉆頭100以及將地層巖肩帶到 地面14的功能。
[0034] 現(xiàn)在簡(jiǎn)要地參考圖2,鉆頭100產(chǎn)生的鉆孔11包括側(cè)壁55、角部56和底部57。鉆孔 (例如，鉆孔11)周圍的平均有效應(yīng)力通常在角部56處最大。因此，與鉆孔11的側(cè)壁55和底部 57相比，角部56通常更硬并且更難以切削。因而，如下文將更詳細(xì)地解釋的，本文公開的實(shí) 施例包括具有旋轉(zhuǎn)錐形刀具的鉆頭(例如，鉆頭100)，旋轉(zhuǎn)錐形刀具有布置在其上的多行切 削元件，由此提高可用于在鉆孔操作期間接合鉆孔11的角部56的切削元件的數(shù)目。
[0035] 現(xiàn)在參考圖3-7,其中示出系統(tǒng)10的鉆頭100。鉆頭100具有鉆頭100在箭頭103所示 的切削方向上繞其旋轉(zhuǎn)的中心縱向軸線105、第一或者上端100a以及與上端100a相反的第 二或者下端l〇〇b。另外，鉆頭100包括鉆頭主體101，該鉆頭主體101具有在上端100a處用于 將鉆頭100連接至鉆柱30的螺紋連接部或者銷106、在下端100b處用于接合和切削地層(例 如，地層12)的切削結(jié)構(gòu)120、以及在銷106和切削結(jié)構(gòu)120之間軸向延伸的鉆柄108。鉆柄108 提供接觸表面，以便扭轉(zhuǎn)工具和/或組件可以?shī)A持鉆頭100,以利于將鉆頭100連接至鉆柱 30 〇
[0036] 鉆頭100具有由三個(gè)滾動(dòng)錐形刀具131、132、133和三個(gè)固定葉片121、122、123的徑 向最外部范圍限定的預(yù)定規(guī)直徑，所述滾動(dòng)錐形刀具131、132、133被繞它們的各自軸線135 可旋轉(zhuǎn)地安裝在從主體101懸置的軸承軸或者軸頸上，而所述固定葉片121、122、123從鉆頭 主體101懸置。圖7示意性地示出在鉆頭100在繞軸線100沿切削方向103旋轉(zhuǎn)時(shí)，鉆頭100(相 對(duì)于鉆頭軸線105)的徑向外部范圍，其中規(guī)圓102的直徑D 1Q()等于鉆頭100的全規(guī)直徑(full gage diameter)。在該實(shí)施例中，圓102被繞鉆頭軸線105同心地布置。
[0037]鉆頭主體101由被焊接在一起以形成鉆頭主體101的三個(gè)周向地布置的部段或者 腿部107組成。更特別地，每個(gè)腿部107都具有與鉆頭100的端部100a-致的第一或者上端 107a、與鉆頭100的下端100b-致的第二或者下端107b、從上端107a軸向延伸的第一或者上 段109,以及從下端107b軸向延伸至相應(yīng)的上段109的第二或者下段111。腿部107的上段109 被焊接在一起，而下段111周向地間隔開。每個(gè)固定葉片121、122、123都與相應(yīng)腿部107的下 段111整體成型（即，單件成型），并且進(jìn)一步地，固定葉片121、122、123每個(gè)都從相應(yīng)腿部 107的下段111徑向向外地延伸。特別地，葉片121、122、123每個(gè)都沿鉆頭100的外圍軸向地， 并且沿一個(gè)腿部107的下端107b朝著軸線105徑向地延伸，其中腿部107接合在一起。在該實(shí) 施例中，每個(gè)腿部107的下段111都包括其中一個(gè)葉片121、122、123,因而在鉆頭100上設(shè)置 總共三個(gè)周向間隔開的葉片121、122、123。
[0038]在該實(shí)施例中，下段111均勻地周向間隔開，并且從其懸垂的固定葉片121、122、 123均勻地周向間隔開。由于存在三個(gè)下段111和三個(gè)相應(yīng)的固定葉片121、122、123,所以下 段111均勻地成120°角度地間隔開，并且固定葉片121、122、123均勻地成120°角度地間隔 開。
[0039] 簡(jiǎn)要地參考圖6,鉆頭100也包括從上端100a軸向延伸的中心孔115,以及從孔115 向下延伸至下端l〇〇b的多個(gè)流動(dòng)通道116。流動(dòng)通道116具有被布置在它們的最下端（即，近 端l〇〇b)處的端口或者噴嘴118?？?15、流動(dòng)通道116和噴嘴118促進(jìn)來(lái)自鉆柱30(參見圖1) 的鉆液流經(jīng)鉆頭100。噴嘴18朝著鉆孔(例如，鉆孔11)的底部并且繞錐形刀具131、132、133 和葉片121、122、123引導(dǎo)鉆液。從噴嘴118噴出的鉆液將地層鉆肩從鉆頭100沖走，并且向鉆 頭100提供對(duì)流冷卻。雖然在圖6中示出兩個(gè)通道116,但是應(yīng)明白，在其它實(shí)施例中包括超 過或者少于兩個(gè)通道116,同時(shí)仍符合本文公開的原理。
[0040] 現(xiàn)在參考圖7,每個(gè)腿部107的下段111都包括徑向延伸的前緣面或者表面125或者 徑向延伸的后緣面或者表面126。分別將每個(gè)腿部107上的表面125、126描述為"前緣"和"后 緣"，是因?yàn)橄鄬?duì)于鉆頭100的旋轉(zhuǎn)方向103,表面125先于同一腿部107上的表面126。每個(gè)腿 部107的表面125、126都成角度γ地間隔開，并且每個(gè)腿部107的后緣表面126都相對(duì)于直接 周向地相鄰的錐形刀具(例如，刀具131、132、133)的軸線135以角度φ定向，該錐形刀具關(guān)于 切削方向103跟隨后緣表面126(即，直接相鄰的后緣錐形刀具）。通常，角度γ優(yōu)選地在0°和 90°之間，并且更優(yōu)選地在30°和60°之間。在該實(shí)施例中，每個(gè)角度γ都相同，并且特別地， 每個(gè)角度γ都為50°。另外，通常角度Φ優(yōu)選在0°和45°之間，并且更優(yōu)選地在0°和30°之間。 在該實(shí)施例中，每個(gè)角度φ都相同，并且特別地，每個(gè)角度Φ都為20°。如下文將更詳細(xì)所述 的，錐形刀具131、132、133每個(gè)都通過軸頸140聯(lián)接至相應(yīng)腿部107的下段111，并且沿相應(yīng) 腿部107的前緣表面126設(shè)置。每個(gè)后緣表面126都包括余隙凹部126a。如下文將更詳細(xì)所述 的，每個(gè)腿部107中的余隙凹部126a都提供足夠的空間和余隙，以適應(yīng)周向地相鄰的后緣錐 形刀具131、132、133繞其相應(yīng)軸線135的旋轉(zhuǎn)，并且也提供足夠的空間和余隙，以允許周向 地相鄰的后緣錐形刀具131、132、133與其相應(yīng)的腿部107分離并被移除。
[00411 再次參考圖3-7,葉片121、122、123每個(gè)都具有在相應(yīng)腿部107的下段111的前緣表 面125和后緣表面126之間被周向地布置的徑向外部的面對(duì)地層刀具支撐表面124。每個(gè)葉 片121、122、123的面對(duì)地層刀具支撐表面124上都支撐多個(gè)切削元件150。切削元件150包括 切削面152,并且沿葉片121、122、123的支撐表面124成行地安裝。應(yīng)明白，在其它實(shí)施例中， 切削元件150可以以除成行以外的任何其它適當(dāng)布置來(lái)布置，同時(shí)仍符合本文公開的原理。 在該實(shí)施例中，切削元件150的切削面152包括聚晶金剛石復(fù)合片(PDC);然而，應(yīng)明白，在其 它實(shí)施例中，切削元件150和切削面152可以包括多種材料和/或設(shè)計(jì)。另外，也應(yīng)明白，切削 面152為平坦的。如圖7中最清楚地示出的，每個(gè)葉片121、122、123的徑向最外部切削元件 150(相對(duì)于鉆頭軸線105)的切削面152的徑向最外部頂端/邊緣(相對(duì)于鉆頭軸線105)都延 伸至全規(guī)直徑D 1QQ，并且因而達(dá)到規(guī)圓102。
[0042] 現(xiàn)在參考圖7和8，如上所述，錐形刀具131、132、133每個(gè)都被安裝在從一個(gè)腿部 107的下段111上的前緣表面125延伸的銷或者軸頸140上(參見圖8)。特別地，錐形刀具131、 132、133每個(gè)都包括具有中心旋轉(zhuǎn)軸線135的大致圓錐形主體130、與相應(yīng)腿部107相鄰的第 一端或者背面130a、與背面130a相反并且遠(yuǎn)離相應(yīng)腿部107的第二端或者前端130b，以及從 背面130a軸向地延伸至前端130b的漸縮或者圓錐表面130c。在該實(shí)施例中，圓錐表面130c 大致朝著軸線135徑向向內(nèi)地漸縮，同時(shí)從背面130a軸向地延伸至前端130b，以便錐形刀具 131、 132、133每個(gè)都在背面130a處比前端130b處徑向更寬。如圖8中所示，每個(gè)軸線135都與 鉆頭100的中心軸線106徑向地間隔開。換句話說(shuō)，軸線135不與軸線105相交。錐形刀具131、 132、 133每個(gè)的主體130的外表面都包括表面130c上的繞軸線135周向地延伸的多個(gè)間隔開 的環(huán)狀帶134。環(huán)狀帶134限定用于安裝多個(gè)切削元件150的刀具支撐表面，切削元件150與 上述切削元件150基本相同。因而，如圖7中所示，主體130上的每個(gè)切削元件150都沿軸線 135與背面130a軸向地間隔開。在該實(shí)施例中，一對(duì)刀具環(huán)狀支撐表面134被設(shè)置在每個(gè)錐 體131、132、133上，每個(gè)表面134都支撐切削元件150的環(huán)狀行138。因而，在該實(shí)施例中，刀 具131、132、133每個(gè)上都包括兩個(gè)軸向間隔開的切削元件150環(huán)狀行138。然而，應(yīng)明白，在 其它實(shí)施例中，可以在每個(gè)刀具131、132、133的主體130上包括超過或者少于兩行138切削 元件150,同時(shí)仍符合本文公開的原理。例如，簡(jiǎn)要地參考圖11，其中示出包括具有總共三個(gè) 軸向間隔開的切削元件150環(huán)狀行238的旋轉(zhuǎn)錐體231、232、233的實(shí)施例的鉆頭200。再次參 考圖7,每個(gè)錐體131、132、133上的每一行138中的徑向最外部切削元件150(相對(duì)于鉆頭軸 線105)的切削面152的徑向最外部頂端/邊緣(相對(duì)于鉆頭軸線105)延伸至全規(guī)直徑D 1Q()，并 且因而達(dá)到規(guī)圓102。再次參考圖7和8,周向凹槽或者"排肩槽"137徑向地延伸到主體130 內(nèi)，并且繞每個(gè)刀具131、132、133的軸線135周向地延伸。在鉆孔操作期間，被切削元件150 從地層(例如，地層12)剪切的鉆肩被引導(dǎo)到排肩槽137中，然后被鉆液(例如，鉆孔泥漿)從 切削結(jié)構(gòu)120掃除。在該實(shí)施例中，排肩槽137關(guān)于中心軸線135軸向地位于上述各個(gè)帶134 之間。
[0043]特別參考圖8,在該實(shí)施例中，每個(gè)刀具131、132、133的主體130都包括穿過其中從 背面130a徑向地延伸至前端130b的中心通道136。每個(gè)通道136都由從相應(yīng)的錐體131、132、 133的背面130a軸向地延伸至前端130b的內(nèi)部表面136a限定。每個(gè)軸頸140都被布置在相應(yīng) 的錐體131、132、133的通道136內(nèi)，并且包括第一或者近端140a、與近端140a相反的第二或 者遠(yuǎn)端140b、從遠(yuǎn)端140b軸向地延伸的接合座141，以及近端140a處的螺紋連接器144。在該 實(shí)施例中，每個(gè)軸頸140都被以例如在美國(guó)專利號(hào)8，020,638中所述和所示的傳統(tǒng)方式由鎖 球142固定在通道136內(nèi)，該專利的公開內(nèi)容在此通過引用以其整體并入。鎖球142也在鉆孔 操作期間支撐主體130繞軸線135相對(duì)于軸頸140的旋轉(zhuǎn)。也應(yīng)明白，在一些實(shí)施例中，可以 沿軸頸140和表面136a布置另外的軸承機(jī)構(gòu)(例如，滾柱軸承）（未示出），以在操作期間進(jìn)一 步支撐主體130繞軸線135的旋轉(zhuǎn)。密封蓋148被螺紋固定在緊鄰前端130b的各通道136內(nèi)， 以密封通道136,并且在一些實(shí)施例中提供用于在操作期間將潤(rùn)滑液(例如，油脂)注入通道 136的注入端口。應(yīng)明白，在一些實(shí)施例中，可以在通道136內(nèi)包括另外的密封組件(例如，旋 轉(zhuǎn)密封件），以進(jìn)一步限制流體（例如，潤(rùn)滑液、鉆液等等）在操作期間流出或者流入通道 136。例如，在一些實(shí)施例中，在內(nèi)部表面136a或者軸頸140上包括另外的密封管，同時(shí)仍符 合本文公開的原理。在鉆頭100裝配期間，每個(gè)軸頸140都被以先前所述的方式接收在一個(gè) 刀具131、132、133的通道136內(nèi)，并且被進(jìn)一步安裝至一個(gè)腿部107的下段111。特別地，每個(gè) 軸頸140上的連接器144都被螺紋接收在延伸到一個(gè)腿部107的下段111的前緣表面125內(nèi)的 端口 128中，從而將軸頸140并且因而將主體130與之固定。結(jié)果，每個(gè)刀具131、132、133都在 操作期間繞其相應(yīng)的軸線135自由地旋轉(zhuǎn)。
[0044]由于每個(gè)軸頸140在延伸到一個(gè)腿部107的下段111上的前緣表面125內(nèi)的端口 128 中的螺紋接合，所以軸頸140被可移除地安裝至每個(gè)腿部107的下段111，以便刀具131、132、 133能夠易于與其相應(yīng)的軸頸140-起從鉆頭100移除。換句話說(shuō)，每個(gè)軸頸140及其相應(yīng)的 刀具131、132、133都能夠通過從腿部107擰下軸頸140而從相應(yīng)的腿部107分離并且移除。結(jié) 果，一旦刀具131、132、133上的切削元件150故障或者可用壽命耗盡，操作者就能夠起出鉆 頭100,分別通過將軸頸140從端口 128擰松和擰緊而移除和替換錐體131、132、133,由此使 得鉆孔操作繼續(xù)，不存在對(duì)整個(gè)鉆頭100的相對(duì)昂貴的替換并且不存在對(duì)軸頸140或者鉆頭 100的損傷。
[0045] 例如，現(xiàn)在將描述用于安裝至一個(gè)腿部107的下段111的錐形刀具131的特定移除 程序;然而，應(yīng)明白，對(duì)于其它腿部107上的每個(gè)其它錐形刀具132、133,這些程序都相同。特 別地，當(dāng)期望從相應(yīng)腿部107的下段111移除錐形刀具131時(shí)，密封蓋148被從通道136移除， 由此允許接觸接合座141。接合座141包括按尺寸和形狀成型，以在安裝和移除過程期間接 收匹配扳手或者用于將扭矩傳遞給軸頸140的其它工具的內(nèi)部輪廓。在該實(shí)施例中，接合座 141的內(nèi)部輪廓包括沿相應(yīng)軸線135從遠(yuǎn)端140b軸向地延伸的多個(gè)平表面。在這些操作中， 在移除密封蓋148之后，扳手或者其它適當(dāng)?shù)墓ぞ?例如，按形狀和尺寸成型，從而相應(yīng)于組 成接合座141的平表面的工具)被插入接合座141內(nèi)，并且之后繞軸線135傳遞扭矩，從而將 軸頸140從前緣表面125擰下。隨著軸頸140被從前緣表面125擰下，錐形刀具131沿軸線135 的軸向運(yùn)動(dòng)被直接周向地相鄰的前緣腿部1〇7(即，關(guān)于切削方向103的直接相鄰的前緣腿 部107)上的余隙凹部126a所容納。在該實(shí)施例中，錐形刀具131的軸向運(yùn)動(dòng)也被相應(yīng)腿部 107上的前緣表面125相對(duì)于直接相鄰的前緣腿部107上的后緣表面126以上述角度Φ的布置 所容納。另外，在該實(shí)施例中，一旦軸頸140被從前緣表面125完全擰下，則錐形刀具131沿方 向147相對(duì)于相應(yīng)的腿部107旋轉(zhuǎn)，以便從鉆頭100移除刀具131和軸頸140兩者。這種沿方向 147的旋轉(zhuǎn)也被余隙凹部126a所容納，以便防止錐形刀具131上的切削元件150接合周向地 相鄰的葉片122上的后緣表面126。結(jié)果，由于軸頸140的螺紋接合，以及直接相鄰的前緣腿 部107的前緣表面126上的余隙凹部126a相對(duì)于相應(yīng)腿部107上的前緣表面125的尺寸、形狀 和布置的尺寸、形狀和布置，錐形刀具131易于從鉆頭100上的相應(yīng)腿部107移除，以便可以 維修和/或替換錐形刀具131，以便促進(jìn)之后以鉆頭100進(jìn)行的鉆孔操作。將錐形刀具131安 裝在鉆頭100的相應(yīng)腿部107上的安裝程序與上文對(duì)移除錐形刀具131所述的操作完全相 反，因而省略該程序的詳細(xì)說(shuō)明。
[0046] 再次參考圖7,當(dāng)沿著軸線105觀察鉆頭100時(shí)，錐形刀具131、132、133的每個(gè)中心 軸線135都被關(guān)于定向?yàn)槠叫杏诓⑶野S線105的相應(yīng)平面110定向?yàn)榻嵌圈?。通常，每個(gè) 角度Θ都優(yōu)選地范圍為從60°至120°，并且更優(yōu)選地近似為90° (即，90° ±5°)。在該實(shí)施例 中，每個(gè)角度Θ都為90°。因而，在該實(shí)施例中，每個(gè)錐形刀具131、132、133的軸線135都在相 應(yīng)的平面110處平行于鉆頭100的切削方向1〇3(即，軸線135平行于圖7中所示的切削方向箭 頭103限定的圓的切線）。另外，現(xiàn)在參考圖9,刀具131、132、133每個(gè)都被安裝至相應(yīng)腿部 107的前緣表面125,以便其中心軸線135在徑向地或者從沿軸線105的半徑布置的一點(diǎn)觀察 鉆頭100時(shí)關(guān)于平面110成角度0地定向。通常，角度β優(yōu)選地范圍為從60°至120°，并且更優(yōu) 選地近似為90° (即，90° ±5°)。如圖7和9兩者中所示，在該實(shí)施例中，每個(gè)刀具131、132、133 都被布置成每個(gè)刀具131、132、133的背面130a比前端130b更接近相應(yīng)平面110,每個(gè)背面 130都平行于相應(yīng)平面110。
[0047] 在一些實(shí)施例中，一個(gè)或者更多個(gè)葉片121、122、123和/或刀具131、132、133上的 每個(gè)切削元件150的切削面152的方向可以被設(shè)計(jì)或者布置成提高其在鉆孔操作期間的耐 用性和可用壽命。例如，現(xiàn)在參考圖l〇a-l〇 C，其中示出隨著三個(gè)示例性切削元件150在橫跨 表面15(例如，地層表面）的箭頭方向151上移動(dòng)或者拖曳時(shí)，它們被定向?yàn)椴煌暮髢A角。 本文使用的切削元件的切削面的"后傾角"涉及在切削面(例如，切削面152)和正交于正在 被切削的地層表面(例如，表面15)的線之間形成的角度α。如圖10b中所示，當(dāng)后傾角α為零 時(shí)，切削面152基本垂直于表面15。如圖10a中所示，當(dāng)切削面152被定向?yàn)殛P(guān)于表面15成大 于90°的角度時(shí)，后傾角α為負(fù)。如圖10c中所示，當(dāng)切削面152被定向?yàn)殛P(guān)于表面15成小于 90°的角度時(shí)，后傾角α為正。
[0048] -般而言，后傾角α越大，切削元件的侵蝕性越小，并且切削元件150經(jīng)歷的負(fù)荷越 低。因此，在兩個(gè)切削元件150的切削面152每個(gè)都具有負(fù)后傾角α?xí)r，具有更大的負(fù)后傾角α 的切削元件150侵蝕性更大；并且在兩個(gè)切削元件150的切削面152每個(gè)都具有正后傾角α 時(shí)，具有更大的負(fù)后傾角α的切削元件150侵蝕性較小。另外，在一個(gè)切削元件150的切削面 152具有負(fù)后傾角α，并且另一切削元件150的切削面152具有正后傾角α?xí)r，具有負(fù)后傾角α 的切削元件150侵蝕性更大。因而，如果忽略所有其它因素，當(dāng)每個(gè)切削元件150都在方向 151中跨表面15移動(dòng)或者拖曳時(shí)，圖10a中所示的切削元件150經(jīng)歷比圖10b中所示的切削元 件更大的負(fù)荷，并且圖l〇b中所示的切削元件150經(jīng)歷比圖10c中所示的切削元件150更大的 負(fù)荷。由于本文公開的鉆頭(例如，鉆頭100)的實(shí)施例包括可在運(yùn)行期間暴露于大地地層的 更多個(gè)可用的切削元件150,所以角度θ、β可以被選擇成對(duì)于至少一些切削元件150提供更 有侵蝕性的后傾角α，同時(shí)仍保持足夠的可用壽命。另外，由于每個(gè)旋轉(zhuǎn)刀具131、132、133都 易于在鉆頭100上移除和替換，而固定葉片121、122、123不易于移除和替換，所以在一些實(shí) 施例中，被布置在固定葉片121、122、123上的切削元件150可以被構(gòu)造成具有較小侵蝕性后 傾角α(以促進(jìn)更長(zhǎng)的耐久性），而被布置在旋轉(zhuǎn)刀具131、132、133上的切削元件150可以被 構(gòu)造成具有更大侵蝕性后傾角α(由于它們能夠被替換）。此外，再次簡(jiǎn)要地參考圖2,在一些 實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)刀具131、132、133上的每個(gè)切削元件150的后傾角（例如，角α)都經(jīng)調(diào)節(jié)(例 如，通過改變上文所述以及在圖7和8中所示的角度Θ和β，以及調(diào)節(jié)切削元件150沿軸線135 距離背面130a的軸向間距），以便隨著每個(gè)刀具131、132、133繞其相應(yīng)的軸線135旋轉(zhuǎn)，切削 元件150相繼接合側(cè)壁55、角部56并且最終接合鉆孔11的底部57。
[0049] 現(xiàn)在參考圖1-5、7和8,在鉆孔操作期間，鉆頭100在方向103上繞對(duì)齊的軸線31、 105旋轉(zhuǎn)，以便被布置在每個(gè)葉片121、122、123以及刀具131、132、133上的切削元件150接合 地層12，以延長(zhǎng)鉆孔11。隨著鉆頭100以所述方式旋轉(zhuǎn)，刀具131、132、133也繞它們相應(yīng)的軸 線135(參見圖7和8)旋轉(zhuǎn)，以將從表面134延伸的每個(gè)切削元件150都暴露于大地地層12。在 至少一些實(shí)施例中，刀具131、132、133被布置在鉆頭100上，以便布置在其上的切削元件150 接合鉆孔11的角部56,由此提高在鉆孔操作期間暴露于角部56的切削元件150的總數(shù)目。在 這些鉆孔操作期間，應(yīng)明白，刀具131、132、133上的切削元件150接合地層12，以便切削面 152剪掉地層12的部分，以延長(zhǎng)鉆孔11。切削元件150和地層12之間的這種剪切接觸與被布 置在傳統(tǒng)的滾動(dòng)錐形鉆頭上的切削元件所實(shí)現(xiàn)的接觸有本質(zhì)上的不同，相反，傳統(tǒng)的滾動(dòng) 錐形鉆頭上的切削元件被構(gòu)造成刺穿、挖鑿和壓碎地層(例如，地層12)。
[0050] 雖然在圖8中示出用于將每個(gè)錐形刀具131、132、133可旋轉(zhuǎn)地安裝至每個(gè)腿部107 的下段111的特定布置，但是應(yīng)明白，可能存在其它布置。例如，在一些實(shí)施例中，軸承套圈 被安裝在凹部136內(nèi)，以在操作期間支撐施加在刀具131、132、133上的徑向方向的負(fù)荷(關(guān) 于軸線135)，以及每個(gè)刀具131、132、133的主體130繞它們相應(yīng)的軸線135的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。特別 地，現(xiàn)在參考圖12,其中示出鉆頭100(示出并且描述為鉆頭100A)的實(shí)施例。除了軸承套圈 160被安裝在每個(gè)旋轉(zhuǎn)刀具131、132、133的主體130的通道136內(nèi)之外，鉆頭100A與上述鉆頭 100基本相同。套圈160的形狀大致為圓柱形，并且包括第一或者近端160a、第二或者遠(yuǎn)端 160b以及在端部160a、160b之間延伸的外部圓柱形表面164。另外，套圈160包括從近端160a 徑向地延伸的多個(gè)銷166。在該實(shí)施例中，銷166的形狀大致為圓柱形;然而，銷166的確切形 狀和比例可以極大地變化，同時(shí)仍符合本文公開的原理。此外，雖然在圖12中僅示出兩個(gè)銷 166,但是應(yīng)明白，銷166的數(shù)目以及它們沿套圈160的位置也可以變化，同時(shí)仍符合本文公 開的原理。
[0051 ] 仍參考圖12,鉆頭100A也包括基本與上述軸頸140相同的軸頸140A，只是軸頸140A 按尺寸和比例成型以在被安裝在主體130的通道136內(nèi)時(shí)配合在軸承套圈160內(nèi)（即，軸頸 140A通常比軸頸140徑向地更小或者更窄）。另外，由于軸頸140A與軸頸140相比的通常徑向 更窄的形狀，所以在端部140a、140b之間形成環(huán)狀肩臺(tái)146。
[0052]在裝配期間，套圈160在軸頸140A上滑動(dòng)，以便遠(yuǎn)端160b接合或者抵靠環(huán)狀肩臺(tái) 146。之后，軸頸140A和套圈160兩者都被安裝在主體的通道136內(nèi)，以便套圈160的外部圓柱 形表面164以滑動(dòng)方式接合內(nèi)部表面136a。另外，通過鎖球142的接合，以與上文對(duì)鉆頭100 (參見圖8)的軸頸140所述的相同的方式將套圈160和軸頸140A固定在通道136內(nèi)。之后，軸 頸140A上的上述螺紋連接器144以與上文對(duì)鉆頭100所述的相同的方式螺紋接合在端口 128 內(nèi)。另外，隨著軸頸140A被螺紋固定至上述一個(gè)腿部107的下段111上的前緣表面125,環(huán)狀 肩臺(tái)146接合遠(yuǎn)端160b，以便近端160a坐落于在下段111的下前緣表面125內(nèi)延伸的凹槽127 內(nèi)。另外，隨著近端160a坐落在凹槽127內(nèi)，每個(gè)銷166都坐落于在凹槽127內(nèi)延伸的多個(gè)相 應(yīng)埋頭孔129其中之一內(nèi)。在該實(shí)施例中，每個(gè)埋頭孔129都被布置成以及按尺寸成型以相 應(yīng)于套圈160上的銷166。因而，在鉆孔操作期間，隨著主體130繞軸線135旋轉(zhuǎn)，套圈160通過 套圈160和凹槽127的接合將關(guān)于軸線135的徑向方向的負(fù)荷傳遞給鉆頭100A的其它部分。 另外，通過銷166和埋頭孔129的接合而關(guān)于鉆頭100A可旋轉(zhuǎn)地固定套圈160。
[0053]另外，在一些實(shí)施例中不包括單獨(dú)的密封蓋148以降低組件的總數(shù)目。例如，現(xiàn)在 參考圖13，其中示出鉆頭100 (示出和描述為鉆頭100B)的實(shí)施例。除了不包括在操作期間密 封內(nèi)部通道136的密封蓋148之外，鉆頭100B基本與上述鉆頭100A相同。作為代替，包括密封 組件170,從而有效地將通道136與井下環(huán)境密封開。特別地，組件170包括沿表面136a周向 地延伸的環(huán)狀密封管172,以及被布置在密封管172內(nèi)的密封構(gòu)件174。在一些實(shí)施例中，密 封構(gòu)件174包括0形環(huán)或者任何其它適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)密封件;然而，可以采用適合限制和/或防止 接合表面之間的流體流動(dòng)的任何密封構(gòu)件，同時(shí)仍符合本文公開的原理。另外，鉆頭100B也 包括基本與上述軸頸140A相同的軸頸140B，只是軸頸140B軸向延長(zhǎng)，以便其延長(zhǎng)至緊鄰主 體130的前端130b的一點(diǎn)。在操作期間，當(dāng)上述軸頸140B和套圈160被接收在通道136內(nèi)時(shí)， 密封構(gòu)件174接合軸頸140B和密封管172兩者，以便在密封管172和構(gòu)件174之間形成靜態(tài)密 封，并且在構(gòu)件174和軸頸140B之間形成動(dòng)態(tài)密封，從而有效地將通道136與井下環(huán)境密封 開。
[0054] 在所述方式中，本文公開的鉆頭（例如，鉆頭100、10(^、10(?、200)的實(shí)施例、可暴 露于地層12的切削元件150的數(shù)目大大增加。結(jié)果，根據(jù)本文公開的原理設(shè)計(jì)的鉆頭的可用 壽命延長(zhǎng)，所以替換和/或維修鉆頭必要的鉆柱31起下鉆之間的時(shí)間也大大延長(zhǎng)，由此降低 鉆孔操作的總成本。另外，由于軸頸140、140A、140B并且因而刀具131、132、133被以上述方 式分別可移除地聯(lián)接至鉆頭100、100A、100B，所以操作者可以在布置在錐形刀具131、132、 133上的切削元件150故障或者可用壽命耗盡時(shí)簡(jiǎn)單地替換錐形刀具131、132、133，由此進(jìn) 一步降低鉆孔操作的總成本。
[0055] 雖然本文公開的實(shí)施例已經(jīng)包括具有在軸線105處相交或者接合的下段111的腿 部107,但是應(yīng)明白，在其它實(shí)施例中，下段111可以不以這種方式相交或者接合，并且作為 代替，每個(gè)都可以在與軸線105徑向間隔開的一點(diǎn)處終止，同時(shí)仍符合本文公開的原理。另 外，應(yīng)明白，在一些實(shí)施例中，在鉆頭100上包括超過或者少于三個(gè)固定葉片121、122、123， 同時(shí)仍符合本文公開的原理。此外，雖然本文所示和所述的實(shí)施例已經(jīng)包括每個(gè)都包括切 削元件150的葉片121、122、123，但是應(yīng)明白，在一些實(shí)施例中（例如，參見圖11中的鉆頭 200)，在固定葉片121、122、123中的一個(gè)或者更多個(gè)上不包括切削元件150,同時(shí)仍符合本 文公開的原理。又進(jìn)一步，雖然本文公開的實(shí)施例已經(jīng)包括被分別可移除地聯(lián)接至鉆頭 100、10(^、1008的軸頸140、14(^、1408，但是應(yīng)明白，其它實(shí)施例包括與鉆頭（例如，鉆頭 100、10(^、10(?、200)整體成型的軸頸，同時(shí)仍符合本文公開的原理。例如，一些實(shí)施例包括 被焊接至一個(gè)腿部107的下段111的軸頸(例如，軸頸140、140A、140B)。同樣地，在一些實(shí)施 例中，每個(gè)刀具131、132、133上的切削元件150行的數(shù)目和布置可以被設(shè)計(jì)成使得刀具131、 132、133可以在鉆孔操作期間接合鉆孔11的一個(gè)或者更多個(gè)部段55、56、57。也應(yīng)明白，在一 些實(shí)施例中，可以使用傳統(tǒng)的滾柱軸承以除了上述特定支撐機(jī)構(gòu)之外或者作為其代替，支 撐每個(gè)刀具131、132、133繞相對(duì)軸線135的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)仍符合本文公開的原理。還應(yīng)明白，在 一些實(shí)施例中，可以使用傳統(tǒng)的油囊(或者類似的這種裝置）以向刀具131、132、133供應(yīng)潤(rùn) 滑劑(例如，油、油脂），以便在鉆孔操作期間進(jìn)一步促進(jìn)它們繞軸線135的旋轉(zhuǎn)。
[0056] 雖然已經(jīng)示出和描述了優(yōu)選實(shí)施例，但是不偏離其教導(dǎo)的范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員 能夠做出它們的變型。本文所述的實(shí)施例僅是示例性而非限制性的。本文所述的系統(tǒng)、設(shè)備 和過程的許多變體和變型都是可能的，并且處于本公開的范圍內(nèi)。例如，各種零件的相對(duì)尺 寸、制成各種零件的材料以及其它參數(shù)能夠變化。因而，保護(hù)范圍不限于本文所述的實(shí)施 例，而是僅由下文的權(quán)利要求限定，其范圍應(yīng)包括權(quán)利要求主旨的所有等效物。除非另外明 確指出，否則都可以通過任何順序執(zhí)行方法權(quán)利要求中的步驟。方法權(quán)利要求中的步驟之 前記載的標(biāo)識(shí)符，諸如(a)、（b)、（c)或者（1)、（2)、（3)無(wú)意并且不指定步驟的特殊順序，而 是被用于簡(jiǎn)化之后對(duì)這些步驟的引用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于在大地地層中鉆出鉆孔的鉆頭，所述鉆孔具有規(guī)直徑，所述鉆頭包括： 鉆頭主體，所述鉆頭主體具有鉆頭軸線、第一端和第二端，所述第一端被構(gòu)造成聯(lián)接到 鉆柱的下端，所述第二端被構(gòu)造成與大地地層接合，其中所述鉆頭主體包括繞所述鉆頭軸 線周向地布置的多個(gè)腿部，其中每個(gè)腿部具有從所述鉆頭的所述第二端軸向地延伸的下 段，并且其中每個(gè)下段都具有相對(duì)于繞所述鉆頭軸線的鉆頭旋轉(zhuǎn)方向的前緣表面以及相對(duì) 于所述鉆頭旋轉(zhuǎn)方向的后緣表面； 多個(gè)滾動(dòng)錐形刀具，其中每個(gè)滾動(dòng)錐形刀具被以可旋轉(zhuǎn)方式安裝至所述腿部中的一個(gè) 腿部的所述下段，并且沿相應(yīng)的腿部的所述前緣表面設(shè)置，其中每個(gè)錐形刀具具有錐體旋 轉(zhuǎn)軸線，所述錐體旋轉(zhuǎn)軸線與所述鉆頭軸線徑向間隔開，并且基本垂直于包含所述鉆頭軸 線的平面； 其中每個(gè)錐形刀具包括沿著繞相應(yīng)的所述錐體旋轉(zhuǎn)軸線延伸的第一周向行布置的第 一多個(gè)切削元件，其中所述第一多個(gè)切削元件中的每一個(gè)包括平坦切削面，所述平坦切削 面被構(gòu)造成當(dāng)所述鉆頭主體繞所述鉆頭軸線在所述鉆頭旋轉(zhuǎn)方向上旋轉(zhuǎn)時(shí)與大地地層接 合并且剪切大地地層。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，還包括： 多個(gè)周向間隔開的固定葉片，其中每個(gè)固定葉片從所述腿部中的一個(gè)腿部的所述下段 徑向向外延伸，其中每個(gè)固定葉片具有周向地布置在相應(yīng)的腿部的所述前緣表面和所述后 緣表面之間的徑向外部的面向地層表面;和 多個(gè)切削元件，所述多個(gè)切削元件被安裝至每個(gè)葉片的所述面向地層表面，并且被構(gòu) 造成當(dāng)所述鉆頭主體繞所述鉆頭軸線在所述鉆頭旋轉(zhuǎn)方向上旋轉(zhuǎn)時(shí)與地層接合并且剪切 地層。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的鉆頭，其中每個(gè)錐形刀具具有背面、前端以及從所述背面延伸 至所述前端的圓錐表面，其中每個(gè)錐形刀具的所述背面與相應(yīng)的固定葉片的所述下段的所 述前緣表面周向地相鄰。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的鉆頭，其中每個(gè)錐形刀具被以可旋轉(zhuǎn)方式安裝至從相應(yīng)的腿 部的所述下段延伸的軸頸，其中每個(gè)軸頸以可移除方式聯(lián)接至相應(yīng)的下段。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鉆頭，其中每個(gè)軸頸被螺紋聯(lián)接至相應(yīng)的腿部的所述下段。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鉆頭，其中每個(gè)腿部的所述下段的所述后緣表面包括余隙凹 部，所述余隙凹部被構(gòu)造成防止與周向相鄰的腿部的所述下段聯(lián)接的錐形刀具之間的干 涉。7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鉆頭，其中每個(gè)腿部的所述下段的所述后緣表面包括余隙凹 部，所述余隙凹部被構(gòu)造成提供用于移除與周向相鄰的腿部的所述下段聯(lián)接的錐形刀具和 軸頸的空間。8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鉆頭，其中每個(gè)錐形刀具的錐體軸線被定向?yàn)橄鄬?duì)于周向相 鄰的所述固定葉片的所述后緣表面成角度Φ，以相對(duì)于所述鉆頭旋轉(zhuǎn)方向引導(dǎo)所述錐形刀 具，其中每個(gè)角度φ為小于45°的銳角。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的鉆頭，其中每個(gè)角度φ小于30°。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中每個(gè)錐形刀具包括沿第二周向行布置的第二多個(gè) 切削元件，所述第二周向行相對(duì)于所述錐體旋轉(zhuǎn)軸線與所述第一周向行軸向間隔開，其中 所述第二多個(gè)切削元件中的每一個(gè)包括平坦切削面，所述平坦切削面被構(gòu)造成當(dāng)所述鉆頭 主體繞所述鉆頭軸線在所述鉆頭旋轉(zhuǎn)方向上旋轉(zhuǎn)時(shí)與大地地層接合并且剪切大地地層。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的鉆頭，其中所述第一多個(gè)切削元件相對(duì)于所述鉆頭軸線的 徑向最外部切削元件的切削面在端視圖中延伸至基準(zhǔn)圓，其中所述基準(zhǔn)圓由所述全規(guī)直徑 限定并且繞所述鉆頭軸線同心地布置;并且 其中所述第二多個(gè)切削元件相對(duì)于所述鉆頭軸線的徑向最外部切削元件的切削面在 端視圖中延伸至所述基準(zhǔn)圓。12. -種用于在大地地層中鉆出鉆孔的鉆頭，所述鉆孔具有規(guī)直徑，所述鉆頭包括： 鉆頭主體，所述鉆頭主體具有鉆頭軸線、第一端以及第二端，所述第一端被構(gòu)造成聯(lián)接 到鉆柱的下端，所述第二端被構(gòu)造成與大地地層接合，其中所述鉆頭主體包括繞所述鉆頭 軸線周向地布置的多個(gè)腿部，其中每個(gè)腿部具有從所述鉆頭的第二端軸向地延伸的下段， 并且其中每個(gè)下段具有相對(duì)于繞所述鉆頭軸線的鉆頭旋轉(zhuǎn)方向的前緣表面以及相對(duì)于所 述鉆頭旋轉(zhuǎn)方向的后緣表面； 多個(gè)滾動(dòng)錐形刀具，其中每個(gè)滾動(dòng)錐形刀具被以可旋轉(zhuǎn)方式安裝在與所述腿部中的一 個(gè)腿部的所述下段螺紋聯(lián)接的軸頸上，其中每個(gè)錐形刀具沿相應(yīng)的腿部的所述前緣表面設(shè) 置； 其中每個(gè)錐形刀具包括沿著繞相應(yīng)的錐體旋轉(zhuǎn)軸線延伸的第一周向行布置的第一多 個(gè)切削元件，其中所述第一多個(gè)切削元件中的每一個(gè)包括平坦切削面，所述平坦切削面被 構(gòu)造成當(dāng)所述鉆頭主體繞所述鉆頭軸線在所述鉆頭旋轉(zhuǎn)方向上旋轉(zhuǎn)時(shí)與大地地層接合并 且剪切大地地層。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的鉆頭，還包括： 多個(gè)周向間隔開的固定葉片，其中每個(gè)固定葉片從所述腿部中的一個(gè)腿部的所述下段 徑向向外延伸，其中每個(gè)固定葉片具有周向地布置在相應(yīng)的腿部的所述前緣表面和所述后 緣表面之間的徑向外部的面向地層表面； 多個(gè)切削元件，所述多個(gè)切削元件被安裝至每個(gè)葉片的所述面向地層表面，并且被構(gòu) 造成當(dāng)所述鉆頭主體繞所述鉆頭軸線在所述鉆頭旋轉(zhuǎn)方向上旋轉(zhuǎn)時(shí)與地層接合并且剪切 地層。14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的鉆頭，其中每個(gè)錐形刀具的所述錐體旋轉(zhuǎn)軸線與所述鉆頭 軸線徑向間隔開，并且基本垂直于包含所述鉆頭軸線的平面。15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的鉆頭，其中每個(gè)錐形刀具具有背面、前端以及從所述背面延 伸至所述前端的圓錐表面，其中每個(gè)錐形刀具的所述背面與相應(yīng)的腿部的所述下段的所述 前緣表面周向地相鄰。16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的鉆頭，其中每個(gè)腿部的所述下段的所述后緣表面包括余隙 凹部，所述余隙凹部被構(gòu)造成提供用于移除與周向相鄰的腿部的所述下段聯(lián)接的錐形刀具 和軸頸的空間。17. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的鉆頭，其中每個(gè)錐形刀具的每個(gè)錐體軸線被定向?yàn)橄鄬?duì)于 周向相鄰的所述固定葉片的所述后緣表面成角度Φ，以相對(duì)于所述鉆頭旋轉(zhuǎn)方向引導(dǎo)所述 錐形刀具，其中每個(gè)角度Φ為小于45°的銳角。18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的鉆頭，其中每個(gè)角度φ小于30°。19. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的鉆頭，其中每個(gè)錐形刀具包括沿著第二周向行布置的第二 多個(gè)切削元件，所述第二周向行相對(duì)于所述錐體旋轉(zhuǎn)軸線與所述第一周向行軸向間隔開， 其中所述第二多個(gè)切削元件中的每一個(gè)包括平坦切削面，所述平坦切削面被構(gòu)造成當(dāng)所述 鉆頭主體繞所述鉆頭軸線在所述鉆頭旋轉(zhuǎn)方向上旋轉(zhuǎn)時(shí)與大地地層接合并且剪切大地地 層。20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的鉆頭，其中所述第一多個(gè)切削元件相對(duì)于所述鉆頭軸線的 徑向最外部切削元件的切削面在端視圖中延伸至基準(zhǔn)圓，其中所述基準(zhǔn)圓由所述全規(guī)直徑 限定并且繞所述鉆頭軸線同心地布置;并且 其中所述第二多個(gè)切削元件相對(duì)于所述鉆頭軸線的徑向最外部切削元件的切削面在 端視圖中延伸至所述基準(zhǔn)圓。21. -種在大地地層中鉆出鉆孔的方法，所述方法包括： (a) .將第一軸頸以可移除方式聯(lián)接至鉆頭主體的腿部，其中所述鉆頭主體具有鉆頭軸 線； (b) .將第一滾動(dòng)錐形刀具以可旋轉(zhuǎn)方式聯(lián)接至所述第一軸頸，其中所述第一錐形刀具 有第一錐體軸線和多個(gè)切削元件； (c) .使所述鉆頭繞所述鉆頭軸線在切削方向上旋轉(zhuǎn)； (d) .在(c)期間，使安裝至所述第一錐形刀具的所述多個(gè)切削元件與大地地層接合；以 及 (e) .在(d)期間，使所述第一錐形刀具繞所述第一錐體軸線旋轉(zhuǎn)。22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述腿部包括：固定葉片，所述固定葉片具有徑 向外部的面向地層表面;和多個(gè)切削元件，所述多個(gè)切削元件被安裝至所述面向地層表面， 并且其中（d)還包括： 在(c)期間，使被安裝至所述固定葉片的所述面向地層表面的所述多個(gè)切削元件與大 地地層接合。23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中（d)還包括:在(c)期間，利用被安裝至所述固定 葉片的所述面向地層表面的多個(gè)切削元件以及被安裝至所述第一錐形刀具的多個(gè)切削元 件剪切大地地層。24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中(a)包括將所述第一軸頸擰入所述腿部。25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括： (f) .在(d)之后，將所述鉆頭從所述鉆孔起鉆； (g) .在(f)之后，通過從所述腿部擰下所述第一軸頸而從所述鉆頭主體移除所述第一 錐形刀具。26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，還包括： (h) .在(g)之后，將第二軸頸以可移除方式聯(lián)接至鉆頭主體的腿部； (i) .將第二滾動(dòng)錐形刀具以可旋轉(zhuǎn)方式聯(lián)接至所述第二軸頸，其中所述第二錐形刀具 有第二錐體軸線和多個(gè)切削元件； (j) .使所述鉆頭繞所述鉆頭軸線在所述切削方向上旋轉(zhuǎn)； (k) .在（j)期間，使被安裝至所述固定葉片的所述面向地層表面的多個(gè)切削元件以及 被安裝至所述第二錐形刀具的多個(gè)切削元件與大地地層接合。27. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述第一錐體軸線與所述鉆頭軸線徑向地間隔 開，并且基本垂直于包含所述鉆頭軸線的第一平面。28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述第一錐形刀具有背面、前端以及從所述背面 延伸至所述前端的圓錐表面； 其中(b)還包括將所述第一錐形刀具的所述背面設(shè)置成與所述固定葉片周向地相鄰。
【文檔編號(hào)】E21B10/14GK105874147SQ201480066202
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2014年12月5日
【發(fā)明人】杰弗里·羅納德·克勞森
【申請(qǐng)人】國(guó)民油井Dht有限公司