專利名稱：旋轉(zhuǎn)鉆頭中備用切削件插入件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)通常涉及具有鉆頭本體的固定切削齒旋轉(zhuǎn)鉆頭，更特別地，
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)鉆頭通常用于在土層中鉆井眼或鉆井。 一種類型的旋轉(zhuǎn)鉆頭 是固定切削齒鉆頭(經(jīng)常稱為"刮刀鉆頭，，)，其通常包括固定到鉆頭 本體的面區(qū)域上的多個(gè)切削件。 一般地，在一些實(shí)例中，固定切削齒 型鉆頭的切削件或者具有盤形形狀，或者具有更細(xì)長的基本上圓筒形 形狀。切削表面包括硬的超研磨材料(比如用于形成所謂"金剛石臺(tái)" 的聚晶金剛石的相互約束的顆粒)可以設(shè)在每個(gè)切削件的基底的基本 圓形端表面上。這種切削件經(jīng)常稱為"聚晶金剛石復(fù)合"(PDC)切削 件或切削齒。通常，PDC切削件與鉆頭本體分別制造并被固定在形成 于鉆頭本體的外表面中的凹窩內(nèi)。粘結(jié)材料(比如粘合劑)或者，更
通常地，黃銅合金可以用于將切削件固定到鉆頭本體上。
旋轉(zhuǎn)鉆頭的鉆頭本體通常固定到具有美國石油學(xué)會(huì)(API)的螺 紋連接件的硬化鋼柄上，所述螺紋連接件用于將鉆頭連接到鉆柱上。 鉆柱包括在鉆頭和其他地面鉆井設(shè)備之間端對(duì)端地連接的管狀管和設(shè) 備段。諸如轉(zhuǎn)盤或頂部驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)備可以用于旋轉(zhuǎn)井眼內(nèi)的鉆柱和 鉆頭。替代地，鉆頭的柄可以直接連接到井下馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)軸上，然后，其可用于使鉆頭旋轉(zhuǎn)。
參照?qǐng)D1，傳統(tǒng)的固定切削齒旋轉(zhuǎn)鉆頭10包括鉆頭本體12，所述 鉆頭本體一般具有徑向突出的并且軸向延伸的翼片或刀片14，所述翼 片或刀片被從鉆頭本體的面20上的通道延伸的排屑槽16分隔開。多 個(gè)PDC切削齒18設(shè)在在鉆頭本體12的面20上延伸的刀片14上。鉆 頭本體12的面20包括構(gòu)造成接合被鉆地層的刀片14的表面，以及在 通道內(nèi)的鉆頭本體12的外表面和排屑槽16。多個(gè)PDC切削齒18可 以沿著形成在其旋轉(zhuǎn)前緣內(nèi)的凹窩22內(nèi)的每一片刀片14設(shè)置，而且 PDC切削齒18被可以與鉆頭本體12整體形成的支撐壁(buttress) 24從后面支承。
鉆頭10還可以包括用于將鉆頭10連接到鉆柱(未顯示)上的API 螺紋連接部分30。此外，縱向孔(未顯示)縱向延伸穿過至少一部分 鉆頭本體12，而且內(nèi)部的流體通道(未顯示)提供縱向孔和噴嘴32 之間流體連通，所述噴嘴32設(shè)在鉆頭本體12的面20處并且開口入導(dǎo) 向排屑槽16的所述通道。
在鉆井操作過程中，鉆頭IO被放置在井眼孔的底部并被旋轉(zhuǎn)，與 此同時(shí)，鉆井流體被泵送穿過縱向孔、內(nèi)部流體通道和噴嘴32到達(dá)鉆 頭本體12的面20。在鉆頭10旋轉(zhuǎn)時(shí)，PDC切削齒18橫向刮切掉下 面的土層。地層鉆屑與鉆井流體混合并且懸浮在鉆井流體內(nèi)，穿過排 屑槽16并向上穿過井眼壁和鉆柱外表面之間的環(huán)形空間流到土層地 面。
固定切削齒旋轉(zhuǎn)鉆頭10的鉆頭本體12可以由鋼成。這種鋼鉆頭 本體通常通過機(jī)械加工(使用傳統(tǒng)的機(jī)械加工工藝，例如包括車、銑 和鉆)鋼坯來形成刀片14、排屑槽16、凹窩22、支撐壁24、內(nèi)部縱 向孔和流體通道(未顯示)，以及鉆頭10的其他特征。
圖2是刀片14的放大透視圖，顯示出其上的多個(gè)PDC切削齒18 被安裝在凹窩22內(nèi)并且被支撐壁24從后面支承。如在此看到的，PDC 切削齒18可以包括在圓筒形基底38的基本上平面的端表面上形成的 聚晶金剛石復(fù)合臺(tái)36，基底38由硬質(zhì)金屬材料(比如碳化鴒)制成。通常，PDC切削齒18被其基底38通過銅焊、焊接或使用高強(qiáng)度粘合 劑粘接而固定在凹窩22內(nèi)。
為了提高鉆頭10的切削作用和/或防止鉆頭IO的磨損，希望在一 個(gè)或多個(gè)刀片14上提供旋轉(zhuǎn)到至少 一些主PDC切削齒18的后面的額 外"備用"切削齒18'。
在鉆頭10中提供這種備用切削齒18'的原因包括由于機(jī)械加 工設(shè)備或鉆頭IO的切削件與鉆頭IO的其他特征(比如相鄰的刀片14) 之間的干涉，很難使用傳統(tǒng)的機(jī)械加工設(shè)備和技術(shù)(例如，比如多軸 銑床)來對(duì)備用切削齒18'的凹窩22'進(jìn)行機(jī)械加工，因此很難加工 鋼鉆頭本體12。規(guī)定的另一種方式為，在機(jī)械加工設(shè)備和鉆頭10之 間的干涉可以用允許對(duì)備用切削齒18'的凹窩22'進(jìn)行機(jī)械加工的 方式來排除機(jī)械加工設(shè)備的位置，特別是鉆頭的切削件的位置。此外， 很難在對(duì)鉆頭10的不打算加工的其他區(qū)域不進(jìn)行機(jī)械加工的情況下 來加工備用切削齒18'的凹窩22'。
Sherwood， Jr.等的美國專利7,070,011公開了一種具有設(shè)在切削 齒凹窩形凹槽中的主切削件的鋼本體的旋轉(zhuǎn)鉆頭，所述凹窩形凹槽部 分地由切削齒支撐件限定。支撐件在鉆頭的制造過程中附連到鋼本體 上。每個(gè)切削件本體的至少一部分被固定到鋼鉆頭本體的表面上，而 且每個(gè)切削件本體的至少另一部分匹配地接合支撐件中的一個(gè)的表 面。然而，美國專利7,070,011未描述、教導(dǎo)或建議使用在此公開的支 撐件將備用切削齒固定到具有鋼本體的旋轉(zhuǎn)鉆頭上。
因此，現(xiàn)有技術(shù)需要有一種便于將備用切削齒放置在旋轉(zhuǎn)鉆頭上 的方法以及需要一種包括備用切削齒的旋轉(zhuǎn)鉆頭。

發(fā)明內(nèi)容
在一些實(shí)施例中，本發(fā)明包括用于固定切削齒旋轉(zhuǎn)鉆頭的切削齒 插入件。所述切削齒插入件具有切削齒插入件本體，所述切削齒插入 件本體包括用于在切削齒插入件本體中限定切削齒凹槽的至少 一個(gè)表 面。切削齒凹槽可以構(gòu)造成在其中接收備用切削件的至少一部分。在另外的實(shí)施例中，本發(fā)明包括用于鉆地下地層的固定切削齒旋 轉(zhuǎn)鉆頭。用于保持備用切削齒的至少 一個(gè)切削齒插入件可以被可拆卸 地附連到旋轉(zhuǎn)到主切削齒的切削凹窩后面的鉆頭本體的面上。切削齒 插入件可以包括限定其中的切削齒凹槽的至少 一個(gè)表面，所述切削齒
凹槽構(gòu)造成在其中接收備用切削齒的至少一部分(例如，比如PDC切 削件)。備用切削齒的后傾量和暴露量可通過適當(dāng)?shù)貥?gòu)造切削齒凹槽 的位置和方向而容易地進(jìn)行調(diào)整。
在另 一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明包括一種制造固定切削齒旋轉(zhuǎn)鉆頭的 方法。所述方法包括提供具有構(gòu)造成在鉆井過程中接合地下地層的面 的鉆頭本體(其可以具有多個(gè)刀片)。至少一個(gè)切削齒插入件凹槽形成
在旋轉(zhuǎn)到切削齒凹窩后面的鉆頭本體的面(例如，在刀片的面)中， 所述切削齒凹窩構(gòu)造成在其中接收主切削件。可以提供包括切削齒插 入件本體的 一個(gè)或多個(gè)切削齒插入件，所述切削齒插入件本體具有其 中限定的切削齒凹槽的至少一個(gè)表面。切削齒凹槽構(gòu)造成在其中接收 備用切削件的至少一部分。所述一個(gè)或多個(gè)切削齒插入件的每一個(gè)可 以至少部分地固定在鉆頭本體面上的切削齒插入件凹槽內(nèi)，而且至少 一個(gè)備用切削齒可以至少部分地固定在所述一個(gè)或多個(gè)切削齒插入件 的切削齒凹槽內(nèi)。所述一個(gè)或多個(gè)切削齒插入件可以可拆卸地固定在
的拆卸和修理。


結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明的下列描述，可以很容易地確定由說明書和 權(quán)利要求書一起決定(特別是權(quán)利要求指出并明確提出的)的本發(fā)明 所視為的發(fā)明的各個(gè)特征和優(yōu)點(diǎn)，其中
圖l是示例性的固定切削齒旋轉(zhuǎn)鉆頭的透視圖2是與圖1所示相同的固定切削齒旋轉(zhuǎn)鉆頭的放大圖，顯示了 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例安裝在刀片上的備用切削齒；
圖3A是可用于將備用切削齒安裝在旋轉(zhuǎn)鉆頭的刀片上的切削齒插入件的一個(gè)實(shí)施例的透視圖3B是圖3A所示的切削齒插入件的另一個(gè)透視圖3C是圖3A所示的切削齒插入件的俯視圖3D是圖3C所示的切削齒插入件的側(cè)視圖4是可用于將備用切削齒安裝在旋轉(zhuǎn)鉆頭的刀片上的切削齒插 入件的另一個(gè)實(shí)施例的透視圖5A-5F說明了 一種使用與圖3A-3D所示相同的插入件將備用切 削齒安裝在旋轉(zhuǎn)鉆頭的刀片上的方法；
圖6是固定切削齒旋轉(zhuǎn)鉆頭的端視圖，顯示了使用與圖3A-3D所
上；5 、 ' " '、、 、
圖7顯示了圖6所示的固定切削齒旋轉(zhuǎn)鉆頭的切削齒的輪廓。
具體實(shí)施例方式
在 一 些實(shí)例中，在此提出的說明不是任何特別的切削件的插入件、 切削件、或鉆頭的實(shí)際視圖，而只是用來描述本發(fā)明的理想化表示。 另外，圖之間的共同元件可以保持相同的數(shù)字標(biāo)記。
可用于將備用切削齒18'固定在旋轉(zhuǎn)鉆頭10 (圖1)(其可以具有 鋼鉆頭本體)的面上的切削齒插入件50如圖3A-3D所示。參照?qǐng)D3A, 切削齒插入件50可以包括大致圓筒形切削齒插入件本體52，所述切 削齒插入件本體具有設(shè)在其一端的切削齒凹槽54。例如，切削齒插入 件本體52可以包括鋼合金、碳化鵠、或任何其他足夠硬且耐磨的材料。 作為另一個(gè)實(shí)例，例如，切削齒插入件本體52可以包括顆?；?(particle-matrix)復(fù)合材料，比如一種包括用金屬基材料(例如，鈷 或鈷基合金)粘合在一起的碳化鴒顆粒的材料。
參照?qǐng)D3B-3C,切削齒插入件本體52可以具有大致圓筒形橫向側(cè) 表面60和兩個(gè)相對(duì)的基本為平面的且平行的端表面61A，在圖3A、 3B和3C中僅一個(gè)端表面可見。在一些實(shí)施例中，切削齒插入件本體 52還可以具有一個(gè)或多個(gè)另外的基本為平面的平坦表面61B，其可以與一個(gè)相對(duì)于平行的端表面61A成小于90度(90°)的銳角的平面共 面并位于該平面中。切削齒凹槽54可以具有的尺寸和形狀構(gòu)造成在其 中至少部分地接收備用切削齒18'(圖2)。在一些實(shí)施例中，切削齒 凹槽54可以具有的尺寸和形狀構(gòu)造成在其中基本全部接收備用切削 齒18'，使得備用切削齒18'不會(huì)從切削齒插入件本體52橫向突出來 而超出大致圓筒形橫向側(cè)表面60，如圖3D所示。換句話說，備用切 削齒18'僅可以豎直向外突出來而超出上端表面61A，如圖3D所示。 通過實(shí)例的方式但不局限于此，切削齒凹槽54可以具有與部分右 端圓筒體相應(yīng)的形狀，而且可以由切削齒插入件本體52的大致圓筒形 的、弓形表面56和切削齒插入件本體52的大致平坦的表面58限定而 成，弓形表面56在大致平坦的表面58處終止。換句話說，弓形表面 56與平坦的表面58相交并且可以從該平坦的表面基本橫向延伸。在 一些實(shí)施例中，大致平坦的表面58還可以設(shè)在相對(duì)端表面61A中的 一個(gè)或兩個(gè)都成小于90度(90°)的銳角67的平面中，和/或相對(duì)切 削齒插入件本體52的縱軸Al成小于90度(90。)的銳角68的平面中。 切削齒凹槽54可以與平表面61B、；鏡向側(cè)表面60和端表面61A中的 一個(gè)或多個(gè)相交，如圖3B所示。而且，切削齒凹槽54可以沿凹槽軸 線Ar延伸，所述凹槽軸線相對(duì)切削齒插入件本體52的縱軸Al成小 于90度(90。)的銳角69。如在此所使用的，術(shù)語"凹槽軸線，，指切削 齒凹槽54的形狀關(guān)于其基本對(duì)稱的任何軸線。在一些實(shí)施例中，凹槽 軸線可以與用于形成切削齒凹槽54的鉆軸線或機(jī)械加工軸線重合。在 這種構(gòu)造中，凹槽軸線AR還可以相對(duì)橫向側(cè)表面60成小于90度(90。) 的銳角。例如，備用切削齒18'(比如PDC備用切削齒18')可以至 少部分地接收在切削齒插入件本體52的切削齒凹槽54內(nèi)，如圖3D 所示。
如圖3D所示，切削齒凹槽54可選擇地定位在切削齒插入件本體 52內(nèi)，使得位于其中的備用切削齒18'的切削面19相對(duì)切削齒插入件 本體52的側(cè)表面60成選定角66,所述側(cè)表面60與切削齒插入件本 體52的縱軸Al平行。當(dāng)切削齒插入件50固定到鉆頭10 (圖1)的面20上而且備用切削齒18 '位于切削齒插入件50的切削齒凹槽54內(nèi)時(shí)， 選定角66可以用于限定備用切削齒18'的選定后傾角。類似地，切削 齒插入件本體52中的切削齒凹槽54的深度D可以被調(diào)整以便當(dāng)切削 齒插入件50固定到鉆頭10(圖l)的面20上而且備用切削齒18'位于 切削齒插入件50的切削齒凹槽54內(nèi)時(shí)，為備用切削齒18'提供選定的 暴露量。
如圖3D所示，切削齒插入件本體52可^皮構(gòu)造成使得備用切削齒 18'可以被主要地或基本上在切削齒凹槽54內(nèi)被固定到切削齒插入件 本體52上。換句話說，備用切削齒18'不是明顯地直接結(jié)合到備用切 削齒18'安裝在其上的鉆頭本體的刀片14的任一表面上。
可選地，切削齒插入件50可以包括一個(gè)或多個(gè)定位特征，其構(gòu)造 成便于以選定方向、以側(cè)傾方式將切削齒插入件50放入鉆頭IO(圖1) 的鉆頭本體12內(nèi)。通過實(shí)例的方式而且不局限于此，切削齒插入件 50可以包括旋轉(zhuǎn)定位銷62，其可以部分地插入形成在切削齒插入件本 體52的表面60中的相應(yīng)孔64中。旋轉(zhuǎn)定位銷62可用于以選定的旋 轉(zhuǎn)方向?qū)⑶邢鼾X插入件50放在鉆頭10的鉆頭本體12內(nèi)，從而在切削 齒插入件50被固定到鉆頭IO(圖1)的面20上的刀片14上而且備用 切削齒18'位于切削齒插入件50的切削齒凹槽54內(nèi)時(shí)，限定出備用切 削齒18'的選定的側(cè)傾角。
切削齒插入件50的另一個(gè)實(shí)施例如圖4所示。如在此所看到的， 切削齒插入件本體52可以包括大致平面的對(duì)準(zhǔn)表面或平面68，其可 形成在切削齒插入件本體52的橫向側(cè)表面60中并與其相交。對(duì)準(zhǔn)表 面或平面68可用于以選定旋轉(zhuǎn)方向?qū)⑶邢鼾X插入件50放入鉆頭10 (圖1)的鉆頭本體12內(nèi)，旋轉(zhuǎn)定位銷62的位置如圖3A-3D所示。 在另外一個(gè)實(shí)施例中，切削齒插入件50可以包括限定在切削齒插入件 本體52的表面中的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(比如線或槽)，其可以與設(shè)在鉆頭IO(圖 1)的鉆頭本體12上的相應(yīng)標(biāo)記(或其他特征)對(duì)準(zhǔn)。
現(xiàn)在將參照?qǐng)D5A-5F描述一種使用如圖3A-3D所示的切削齒插入 件50將備用切削齒18'固定到與圖1所示相同的旋轉(zhuǎn)鉆頭10的面20上的方法。
圖5A是與圖1所示相似的固定切削齒旋轉(zhuǎn)鉆頭10的刀片14的 放大的局部透視圖，所述固定切削齒旋轉(zhuǎn)鉆頭具有鋼鉆頭本體12。圖 5A顯示了在已經(jīng)在其中形成切削齒凹窩22之后并且在將主PDC切削 齒18 (圖2)固定在其中之前時(shí)的刀片14。切削齒凹窩22已經(jīng)鄰近 刀片14的前表面26形成。前表面26通常指與在鉆進(jìn)過程中向前旋轉(zhuǎn) 的或與鉆頭本體12的旋轉(zhuǎn)方向相關(guān)的前端的刀片14的側(cè)面。如在圖 5A中看到的，切削齒插入件凹槽70設(shè)在刀片14的面20上，且處于 在其上希望提供備用切削齒18'的所需位置處。例如，切削齒插入件凹 槽70可以設(shè)在旋轉(zhuǎn)到同一刀片上的切削齒凹窩22后面的刀片14的面 20中，所述切削齒凹窩構(gòu)造成在其中接收主PDC切削齒18。切削齒 插入件凹槽70可以具有構(gòu)造成在其中接收切削齒插入件50 (圖 3A-3D)的尺寸和形狀。通過實(shí)例的方式但不局限于此，切削齒插入 件凹槽70可以是大致圓筒形的而且可以具有比切削齒插入件50的大 致圓筒形的切削齒插入件本體52的直徑大2.54厘米(一英寸)的百 分之幾的直徑D，以便允許切削齒插入件50被焊接或銅焊在刀片14 的切削齒插入件凹槽70內(nèi)。在其他實(shí)施例中，切削齒插入件凹槽70 可以具有比切削齒插入件50的大致圓筒形的切削齒插入件本體52的 直徑大2.54厘米(1英寸)的百分之幾直徑D，以便允許切削齒插入 件504皮壓入配合或者收縮配合到刀片14的切削齒插入件凹槽70中。
通過實(shí)例的方式但不局限于此，例如，通過使用配有平底圓筒形 切削件的傳統(tǒng)的鉆床或銑床在刀片14中鉆切削齒插入件凹槽70而在 刀片14中形成切削齒插入件凹槽70。
參照?qǐng)D5B，可以通過基本上沿鉆軸80向刀片14鉆進(jìn)而形成切削 齒插入件凹槽70。通過實(shí)例的方式但不局限于此，鉆軸80可以大致 垂直于平面82，所述平面82與刀片14的面20在形成切削齒插入件 凹槽70的位置處基本上相切。通過以這種方式允許鉆出切削齒插入件 凹槽70，傳統(tǒng)的鉆孔設(shè)備和技術(shù)可以用于鉆出切削齒插入件凹槽70 而不會(huì)遇到先前描述的干涉問題，當(dāng)試圖對(duì)位于鉆頭10的刀片14中的并且構(gòu)造成將備用切削齒18'(圖2)直接接收到鉆頭10的刀片14 中的切削齒凹窩22'進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，可能發(fā)生干涉問題。
參照?qǐng)D5C，從切削齒插入件凹槽70延伸的并且構(gòu)造成在其中接 收切削齒插入件50 (圖3A-3D)的定位銷60的定位銷凹槽72可以設(shè) 在刀片14中。通過實(shí)例的方式但不局限于此，例如，通過使用配有圓 底的圓筒形切削件的傳統(tǒng)銑床在刀片14中銑出定位銷凹槽72而在刀 片14中形成定位銷凹槽72。
如前所述，定位銷凹槽72可以設(shè)在繞切削齒插入件凹槽70的圓 周邊緣74的選定位置處，使得當(dāng)切削齒插入件50插入切削齒插入件 凹槽70中并且定位銷92設(shè)在定位銷凹槽72內(nèi)時(shí)，切削齒插入件50 以選定旋轉(zhuǎn)方位位于切削齒插入件凹槽70內(nèi)。以這種方式，可以選擇 性地限定位于設(shè)在切削齒插入件凹槽70中的切削齒插入件50內(nèi)的備 用切削齒18'的側(cè)傾角。
參照?qǐng)D5D,在刀片14中形成切削齒插入件凹槽70和定位銷凹槽 72之后，切削齒插入件50可以對(duì)準(zhǔn)并插入切削齒插入件凹槽70，使 得定位銷62設(shè)在放入定位銷凹槽72中。
在將切削齒插入件50插入切削齒插入件凹槽70之后，切削齒插 入件50可以被固定在切削齒插入件凹槽70內(nèi)(如果切削齒插入件50 尚未壓入配合或收縮配合到切削齒插入件凹槽70中，或者如果希望用 除了壓入配合或收縮配合之外的其他方法來將切削齒插入件50固定 在切削齒插入件凹槽70內(nèi))。如前所述，在切削齒插入件凹槽70內(nèi)， 將銅焊材料或粘合材料可選地設(shè)在切削齒插入件50和刀片14的周圍 表面之間的界面處。在這種構(gòu)造中，如果切削齒插入件50損壞，其可 以相對(duì)容易地拆卸下來以便更換。
參照?qǐng)D5E，除了先前所述的用于將切削齒插入件50固定在切削 齒插入件凹槽70內(nèi)的裝置之外或者作為其替代物的是，可以沿著切削 齒插入件50和鄰近切削齒插入件凹槽70的刀片14的區(qū)域之間的至少 一部分界面設(shè)置焊道78。再者，這種將切削齒插入件50固定在切削 齒插入件凹槽70內(nèi)的方法便于切削齒插入件50的拆卸和修理。而且，削齒插入件50的選定區(qū)域、焊道78、刀片 14的周圍區(qū)域上或周圍可以選擇性地施加表面硬化材料(圖5E中未 顯示)。這種表面硬化材料是現(xiàn)有技術(shù)公知的，常常包括散布在整個(gè)金 屬合金基材料中的硬顆粒(例如，比如碳化鴒材料的顆粒)，而且所述 表面硬化材料可用于防止底層結(jié)構(gòu)磨損。特別地，在結(jié)合本發(fā)明制造 鉆頭時(shí)，不需要鉆頭本體的其他熱循環(huán)。
在已經(jīng)將切削齒插入件50插入并固定在切削齒插入件凹槽70內(nèi) 之后，備用切削齒18'可以被插入并固定在切削齒插入件50的切削齒 凹槽54內(nèi)，如圖5F所示。通過實(shí)例的方式但不局限于此，在此以與 先前所述的將切削齒插入件50固定在切削齒插入件凹槽70內(nèi)類似的 方式，使用銅焊材料或粘合材料可以將備用切削齒18'固定在切削齒凹 槽54內(nèi)。在另外的方法中，可以在將切削齒插入件50插入和/或固定 在切削齒插入件凹槽70內(nèi)之前將備用切削齒18'插入并固定在切削齒 凹槽54內(nèi)，盡管熱約束條件可能規(guī)定不能采用這種方法，例如，由于 如果用焊接將切削齒插入件50固定在刀片14上，可能破壞備用切削 齒18'的金剛石臺(tái)。
雖然在此已經(jīng)描述和說明了備用切削齒18'包括PDC切削齒，在 另外的實(shí)施例中，備用切削齒18'可以包括現(xiàn)有技術(shù)已知的任何類型或 構(gòu)造的超研磨切削齒或其他切削齒，例如，比如包括硬質(zhì)材料(比如 碳化鎢)但不包括其上的金剛石臺(tái)的柱頭螺栓。此外，迄今雖然在此 僅描述了和在附圖中說明了單個(gè)切削齒插入件50和單個(gè)備用切削齒 18',然而鋼本體的鉆頭10可以設(shè)有多個(gè)切削齒插入件50和多個(gè)備用 切削齒18'。
本發(fā)明的固定切削齒旋轉(zhuǎn)鉆頭90的端視圖如圖6所示。如在此所 看到的，如前所述，在此多個(gè)備用切削齒18'可以使用切削齒插入件 50 (圖6中未顯示)而被固定在鉆頭90的至少一個(gè)刀片14上。每一 個(gè)備用切削齒18'可以包括PDC備用切削齒18'。在一些實(shí)施例中， 每一個(gè)備用切削齒18'具有的直徑可以小于主切削齒18的直徑。例如， 每一個(gè)備用切削齒18'具有的直徑小于設(shè)在同一刀片14上并且在其上向前旋轉(zhuǎn)的主切削齒18的直徑。在另外的實(shí)施例中，每一個(gè)備用切削 齒18'具有的直徑可以等于或大于設(shè)在同一刀片14上并且在其上向前 旋轉(zhuǎn)的主切削齒18的直徑。此外，在此至少一個(gè)備用切削齒18'可以 設(shè)在鉆頭90的每一個(gè)主刀片14 (如在此所使用的，術(shù)語"主刀片，，是 指基本上延伸到鉆頭中心的刀片)上，如圖6所示。在另外的實(shí)施例 中， 一個(gè)或多個(gè)備用切削齒18'可以設(shè)在鉆頭90的每一個(gè)刀片14上。
如在圖6中所看到的，鉆頭90的至少一個(gè)刀片14可以包括在備 用切削齒18'位置處的一個(gè)或多個(gè)支承結(jié)構(gòu)94。每一個(gè)支承結(jié)構(gòu)94可 以包括包含硬質(zhì)材料(例如，比如碳化鵠)的柱頭螺栓和襯墊。每一 個(gè)結(jié)構(gòu)94可以具有構(gòu)造成在鉆進(jìn)過程中接合地下地層表面的至少一 個(gè)支承表面95。此外，每一個(gè)支承結(jié)構(gòu)94可以包括覆蓋其至少一部 分支承表面95的金剛石臺(tái)、金剛石孕鑲材料、或者任何包括構(gòu)造成用 于增加支承結(jié)構(gòu)94的耐磨性的一個(gè)或多個(gè)金剛石的其他結(jié)構(gòu)和材料。
圖7說明了圖6所示的鉆頭卯的"切削齒輪廓"是現(xiàn)有技術(shù)所已知 的，其顯示了一個(gè)刀片14的橫截面。重疊的圓中的每一個(gè)表示如果主 切削齒18和備用切削齒18'繞鉆頭90的縱軸沿圓周旋轉(zhuǎn)到如圖7所示 的刀片14位置處，主切削齒18和備用切削齒18'將在刀片14上占據(jù) 的位置。在一些實(shí)施例中，備用切削齒18'可以主要沿著其上安裝有各 個(gè)備用切削齒18'的每個(gè)刀片14的肩部區(qū)域(在圖7中通常表示為96) 設(shè)置。在另外的實(shí)施例中，至少一個(gè)備用切削齒18'設(shè)在其上安裝有各 個(gè)備用切削齒18'的每個(gè)刀片14的錐形區(qū)域(通常表示為98)內(nèi)、在 鼻形區(qū)域(通常表示為100)內(nèi)、或者在刻度(gage)區(qū)域(通常表 示為102)內(nèi)。在一些實(shí)施例中，備用切削齒18'可構(gòu)造成相對(duì)主切削 件18相對(duì)暴露不足。換句話說，備用切削齒18'可以從刀片14的面 20向外延伸的距離小于位于同一刀片上向前旋轉(zhuǎn)的主切削齒18從該 刀片14的面20向外延伸的距離。在另外的實(shí)施例中，備用切削齒18' 可以構(gòu)造成相對(duì)主切削件18相對(duì)過度暴露、或者具有相對(duì)主切削件 18基本上相等的暴露量。換句話說，備用切削齒18'從刀片14的面20 可以向外延伸的距離等于或大于位于同一刀片上向前旋轉(zhuǎn)的主切削齒18從該刀片14的面20向外延伸的距離。
根據(jù)本發(fā)明制造具有鋼本體和六個(gè)刀片的旋轉(zhuǎn)鉆頭。以前述的與 參照?qǐng)D5A-5F的切削齒插入件50和備用切削齒18'相關(guān)的基本類似的 方式，使用切削齒插入件在刀片肩部區(qū)域中將兩到三個(gè)備用切削齒固 定到每個(gè)刀片上的鉆頭面上。然后，使用鉆頭進(jìn)行四次試運(yùn)行，在兩 種不同的地下地層中的每一種中進(jìn)行其中兩次試運(yùn)行。試運(yùn)行包括鉆 井眼孔和和為先前鉆好的井眼孔擴(kuò)孔。進(jìn)行的四次試運(yùn)行的操作參數(shù) 為最大鉆壓(WOB)范圍為從大約66,723牛頓到大約133,447牛頓(從 大約15,000磅到大約30,000磅)、最大轉(zhuǎn)據(jù)范圍為從大約4,881牛頓.米 到大約10,169牛頓.米(大約3,600英尺-磅到大約7,500英尺-磅)、 最大鉆進(jìn)速度(ROP )在大約30.5米/小時(shí)到大約76.0米/小時(shí)之間(大 約100英尺/小時(shí)到大約250英尺/小時(shí)之間)。
在進(jìn)行試運(yùn)行之后，用視覺和借助磁粉檢測(cè)(MPI)方法檢測(cè)備 用切削齒，以便確定備用切削齒和切削齒插入件是否經(jīng)歷了不可接受 的磨損量。備用切削齒和切削齒插入件未出現(xiàn)不可接受的磨損量。如 上所述，本發(fā)明可以便于在具有剛本體的旋轉(zhuǎn)鉆頭上使用備用切削齒， 其可以便于制造呈現(xiàn)改進(jìn)的耐久性和/或穩(wěn)定性的剛本體旋轉(zhuǎn)鉆頭。
如上所討論的，本發(fā)明具有與具有包括鋼的鉆頭本體的旋轉(zhuǎn)鉆頭 相關(guān)的實(shí)用性。最近，用于形成具有包括顆粒基復(fù)合材料的鉆頭本體 的旋轉(zhuǎn)鉆頭的新方法經(jīng)過努力已經(jīng)開發(fā)出，從而改進(jìn)了 土鉆旋轉(zhuǎn)鉆頭 的性能和耐久性。這種方法已經(jīng)在2005年11月10日提交的未決美國 專利申請(qǐng)11/271,153和也在2005年11月10日提交的未決美國專利申 請(qǐng)11/272,439中公開。
與傳統(tǒng)的滲透方法相比(其中，硬質(zhì)顆粒(例如碳化鴒))被熔融 的液體金屬基材料(例如銅基合金)滲透到耐火模具內(nèi)，這些新方法 通常涉及壓制粉末混合物以形成粉末壓實(shí)的生坯，并且燒結(jié)該粉末壓 實(shí)的生坯以形成鉆頭本體。如必要的或希望的，可以在燒結(jié)粉末壓實(shí) 的生坯之前，使用與那些用于形成鋼鉆頭本體相同的傳統(tǒng)機(jī)械加工技 術(shù)對(duì)其進(jìn)行機(jī)械加工。此外，在將粉末壓實(shí)的生坯燒結(jié)為部分燒結(jié)的部分燒結(jié)(brown)狀態(tài)之后、和/或在將粉末壓實(shí)的生坯燒結(jié)為想要 的最終密度之后，可以進(jìn)行另外的機(jī)械加工過程。例如，希望在鉆頭 本體處于生坯、部分燒結(jié)、或完全燒結(jié)狀態(tài)時(shí)，在用這種方法形成的 鉆頭的一個(gè)或多個(gè)刀片14上機(jī)械加工備用切削齒18'(圖1)的凹窩 22'。然而，由于鋼本體鉆頭，干涉問題可能阻止形成希望的凹窩22'。 因此，本發(fā)明的實(shí)施例還可用于將備用切削齒18'固定到具有包括顆粒 基復(fù)合材料的鉆頭本體的鉆頭面上。
通過實(shí)例的方式但不局限于此，如圖5A-5B所示的切削齒插入件 凹槽70可以設(shè)在包括處于生坯、部分燒結(jié)、或完全燒結(jié)狀態(tài)的顆?；?復(fù)合材料的刀片14的面20中?？蛇x地，與圖5C所示類似的定位銷 凹槽72也可以設(shè)在刀片14中。然后，與圖3A-3D所示相似的切削齒 插入件50可以固定在切削齒插入件凹槽22內(nèi)，如圖5D所示。在一 些實(shí)施例中，切削齒插入件50通過共同燒結(jié)刀片14(或鉆頭本體) 和切削齒插入件50而固定到刀片14上。在這種實(shí)施例中，當(dāng)切削齒 插入件50位于切削齒插入件凹槽22內(nèi)時(shí)，切削齒插入件50可以包括 生坯或部分燒結(jié)結(jié)構(gòu)，而且當(dāng)切削齒插入件50與刀片14一起共同燒 結(jié)并且固定到所述刀片14上時(shí)，切削齒插入件50可以被燒結(jié)到希望 的最終密度。在另外的實(shí)施例中，在將切削齒插入件50定位于切削齒 插入件凹槽70內(nèi)之前，切削齒插入件50可以具有希望的最終密度。 在另外的實(shí)施例中，可以直到刀片14和鉆頭本體已經(jīng)燒結(jié)到希望的最 終密度后，將切削齒插入件50插入切削齒插入件凹槽70中。然后， 備用切削齒18'可以被插入并固定在切削齒插入件50的切削齒凹槽54 內(nèi)，如前根據(jù)圖5F所述的一樣。
雖然在此根據(jù)某些優(yōu)選實(shí)施例已對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，所述領(lǐng)域 的技術(shù)人員將意識(shí)到且理解本發(fā)明不限于此。而是在不偏離如下文權(quán) 利要求書所提出的本發(fā)明的范圍的情況下，可以對(duì)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行添 加、刪除和修改。另外，如發(fā)明人所預(yù)期的， 一個(gè)實(shí)施例的特征與另 一個(gè)實(shí)施例的特征相結(jié)合仍包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。更進(jìn)一步地，本 發(fā)明對(duì)于不同和各種鉆頭輪廓以及切削齒類型和構(gòu)造都具有實(shí)用性。
權(quán)利要求
1. 一種用于固定切削齒旋轉(zhuǎn)鉆頭的切削齒插入件，所述切削齒插入件包括細(xì)長的切削齒插入件本體，所述切削齒插入件本體具有用于在其中限定切削齒凹槽的至少一個(gè)表面，所述切削齒凹槽沿著相對(duì)切削齒插入件本體的縱軸線成小于90度的銳角定向的凹槽軸線延伸到切削齒插入件本體中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削齒插入件，其中，限定切削齒凹槽 的所述至少一個(gè)表面包括切削齒插入件本體的平坦表面；以及切削齒插入件本體的弓形表面，所述弓形表面與所述平坦表面相 交并從該平坦表面處延伸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的切削齒插入件，其中，切削齒插入件本 體的平坦表面以相對(duì)于切削齒插入件本體的縱軸線成小于90度的銳 角定向。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的切削齒插入件，其中，細(xì)長的切削齒插 入件本體基本上為圓筒形并且包括在兩個(gè)基本為平面的端表面之間延 伸的基本上圓筒形的橫向側(cè)表面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的切削齒插入件，其中，限定切削齒凹槽 的切削齒插入件本體的所述至少一個(gè)表面包括至少一個(gè)部分圓筒形表 面。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削齒插入件，其中，切削齒插入件包 括構(gòu)造成便于將切削齒插入件旋轉(zhuǎn)定位在旋轉(zhuǎn)鉆頭面上的至少 一個(gè)定 位特征。
7. —種用于鉆地下地層的固定切削齒旋轉(zhuǎn)鉆頭，所述鉆頭包括 鉆頭本體，其包括在其面上延伸的多個(gè)刀片，每一個(gè)刀片包括鄰近每個(gè)刀片的前邊緣的、且被構(gòu)造成在其中接收主切削件的多個(gè)主切 削齒凹窩；至少一個(gè)切削齒插入件，所述切削齒插入件附連到所述多個(gè)刀片的刀片上并處于插入件凹槽內(nèi)，所述插入件凹槽延伸到旋轉(zhuǎn)到所述多 個(gè)主切削齒凹窩后面的刀片的面中，所述至少 一個(gè)切削齒插入件包括 切削齒插入件本體，該切削齒插入件本體具有其中限定切削齒凹槽的 至少 一個(gè)表面，所述切削齒凹槽構(gòu)造成在其中接收備用切削件的至少 一部分。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其中，所述切削齒插入件包 括其中具有切削齒凹槽的大致圓筒形切削齒插入件本體，所述切削齒 凹槽至少部分由切削齒插入件本體的平坦表面和切削齒插入件的弓形 表面限定，所述弓形表面與平坦表面相交并從該平坦表面處延伸。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其中，切削齒插入件本體的 平坦表面以相對(duì)切削齒插入件本體的縱軸線成小于90度的銳角定向。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其中，所述切削齒插入件 包括細(xì)長的切削齒插入件本體，所述切削齒凹槽沿著相對(duì)于細(xì)長切削 齒插入件本體的縱軸成小于90度的銳角定向的凹槽軸線延伸到所述 細(xì)長切削齒插入件本體中。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其中，所述至少一個(gè)切削 齒插入件附連到多個(gè)刀片的刀片上，使得切削齒插入件本體的縱軸線 基本上垂直于刀片的面定向。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其中，所述至少一個(gè)切削 齒插入件和刀片組合構(gòu)造而成，以便為將接收在切削齒凹槽中的備用 切削件提供選定的側(cè)傾角。
13. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，還包括至少一個(gè)備用切削 件，該至少 一個(gè)備用切削件至少部分地設(shè)在所述至少 一個(gè)切削齒插入 件的切削齒凹槽內(nèi)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其中，所述至少一個(gè)備用 切削件主要地直接結(jié)合到切削齒凹槽內(nèi)的至少一個(gè)切削齒插入件上。
15. —種用于制造固定切削齒旋轉(zhuǎn)鉆頭的方法，所述方法包括 提供包括多個(gè)刀片的鉆頭本體，所述多個(gè)刀片中的每一個(gè)具有面； 在多個(gè)刀片的至少一個(gè)刀片的面中、在旋轉(zhuǎn)到構(gòu)造成在其中接收主切削齒的所述至少一個(gè)刀片的切削齒凹窩后面的位置處形成至少一個(gè)切削齒插入件凹槽；提供至少 一 個(gè)包括切削齒插入件本體的切削齒插入件，所述切削 齒插入件本體具有在其中限定切削齒凹槽的至少 一個(gè)表面，所述切削 齒凹槽構(gòu)造成在其中接收備用切削件的至少 一部分；將至少 一個(gè)切削齒插入件至少部分地固定在至少 一個(gè)切削齒插入 件凹槽內(nèi)；以及將至少一個(gè)備用切削齒至少部分地固定在所述至少一個(gè)切削齒插 入件的切削齒凹槽內(nèi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，提供包括切削齒插入件 本體的至少一個(gè)切削齒插入件的步驟包括將切削齒插入件本體形成為大致圓筒形；以及平坦表面和切削齒插入件的弓形表面，弓形表面與平坦表面相交并從 該平坦表面處延伸，平面表面和弓形表面中的每一個(gè)至少部分地限定 所述切削齒凹槽。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括使切削齒插入件本體的 平坦表面相對(duì)于切削齒插入件本體的縱軸線成小于90度的銳角定向。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，提供包括切削齒插入件 本體的至少 一個(gè)切削齒插入件的步驟包括將切削齒插入件本體形成為細(xì)長形；以及槽軸線對(duì)中切削齒凹槽，所述凹槽軸線相對(duì)于細(xì)長切削齒插入件本體 的縱軸線成小于90度的銳角定向。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，在至少一個(gè)刀片的面中 形成至少一個(gè)切削齒插入件凹槽的步驟包括對(duì)在至少一個(gè)刀片的面中 的至少 一個(gè)基本上圓筒形切削齒插入件凹槽進(jìn)行機(jī)械加工。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，對(duì)在至少一個(gè)刀片的面 中的至少 一個(gè)基本上圓筒形切削齒插入件凹槽進(jìn)行機(jī)械加工的步驟包括基本上沿著方向基本上垂直于至少一個(gè)刀片的面的鉆軸、在至少一 個(gè)刀片的面與鉆軸相交處在至少一個(gè)刀片的面中鉆孔。
全文摘要
一種旋轉(zhuǎn)鉆頭的切削齒插入件包括具有構(gòu)造成在其中接收備用切削齒(18)的切削齒凹槽(54)的切削齒插入件本體(50)。一種用于鉆地下地層的旋轉(zhuǎn)鉆頭包括附連到刀片(14)上的至少一個(gè)所述切削齒插入件，其旋轉(zhuǎn)到主切削齒的切削齒凹窩的后面。一種用于制造所述鉆頭的方法包括提供具有多個(gè)刀片(14)的鉆頭本體(12)。切削齒插入件(50)被提供并固定在形成在刀片(14)面中的切削齒插入件凹槽(54)內(nèi)。備用切削齒(18)固定在切削齒插入件的切削齒凹槽(54)內(nèi)。
文檔編號(hào)E21B10/573GK101427000SQ200780014274
公開日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2007年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月23日
發(fā)明者T·施韋費(fèi), T·甘茨 申請(qǐng)人:貝克休斯公司