專利名稱：在覆蓋巖層鉆井設備的鉆頭上連接套管的方法和裝置的制作方法
背景技術：
本發(fā)明涉及覆蓋巖層鉆井設備和套管鞋，其中覆蓋巖層鉆井設備包括一個鉆頭本體，鉆頭本體在尾端有一個連接部分用于連接沖擊裝置，例如下降進入鉆孔的鉆錘，并且限定了鉆頭的旋轉軸線，還包括一個用于連接套管的套管鞋，套管鞋通過槽和法蘭在搭接處相互嚙合連接到鉆頭本體上。
現(xiàn)有技術覆蓋巖層鉆井設備以前曾在美國專利5,255,960中進行過披露。已經發(fā)現(xiàn)，這樣構成覆蓋巖層鉆井設備比較合適，即套管與沖擊鉆頭是可相對旋轉的，同時軸向相互連接，以便當鉆頭在地下鉆進時鉆頭將套管推進。在上述專利中描述的這種相對旋轉的方案稱作“搭接”，其中，套管或套管前面連接的套管鞋與鉆頭軸向搭接。一個焊接到套管內部的帶開口的凸緣伸出到設置在鉆頭上的周向槽內，使鉆頭能夠推進套管?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)焊縫經常斷裂，這樣，套管的軸向推進停止。此外，在套管內只有有限的凹槽空間用于鋪設焊接材料。
因此，本發(fā)明的一個目的是，提供一種覆蓋巖層鉆井設備，實際上是套管凸緣，以及連接套管凸緣的方法，其可以避免上面提到的缺點。
發(fā)明概述本發(fā)明的這一目的和其它目的通過一種覆蓋巖層鉆井設備得以解決，該設備包括一個鉆頭本體和一個套管鞋。限定縱向旋轉軸線的鉆頭本體包括一個在本體縱向前端的切割面，以及一個在本體的縱向后端的連接部分，其用于與沖擊裝置連接。套管鞋通常為圓柱形并且適合于與套管連接。鉆頭本體包括一個徑向向外延伸的、縱向向前的第一壁。套管鞋包括一個徑向向內延伸的、縱向向后的第二壁，該第二壁面向第一壁并與第一壁相嚙合，并且在鉆孔操作時縱向推進。套管鞋包括兩塊大體一致的半圓柱形兩半，以及一個環(huán)狀的大體圓形的圓環(huán)，其圍繞兩半圓柱同軸延伸并將兩半保持在一起。
圓環(huán)最好通過分別設置在圓環(huán)的前后側面上的前后焊縫焊接到兩半上。
圓環(huán)最好設置在位于兩半前端的周向槽上，各槽周向相互對準。
實際上，本發(fā)明也是關于套管鞋本身，以及將套管鞋安裝在鉆頭本體上的方法。


本發(fā)明的目的和優(yōu)點通過下面結合附圖對優(yōu)選實施例的描述將會明白，其中圖1A示出了按照本發(fā)明的覆蓋巖層鉆井設備的分解圖；圖1B示出了覆蓋巖層鉆井設備的左半部的側視圖和右半部的縱向剖面圖；圖1C示出了圖1B所示的覆蓋巖層鉆井設備的套管鞋與環(huán)狀鉆頭之間的連接的放大圖；圖2A示出了一半套管鞋的側視圖；圖2B示出了安裝好的兩塊套管鞋的主視圖；圖3示出了單件形式的環(huán)的平面圖；圖4示出了沿圖3中的線4-4的單件環(huán)的剖面；圖5示出了按照本發(fā)明的另一個覆蓋巖層鉆井設備的環(huán)狀鉆頭與套管鞋之間的連接的視圖，其與圖1C相似。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例的詳細描述圖1A-C示出了按照本發(fā)明的覆蓋巖層鉆井設備的一個優(yōu)選實施例。該設備10包括一個下降進入鉆孔的鉆錘11，一個導向鉆頭12，一個環(huán)狀鉆頭13，一個套管鞋14和一個套管15。導向鉆頭12和環(huán)狀鉆頭13一起形成鉆頭本體。
鉆錘11最好為氣動型，并且對導向鉆頭12產生軸向沖擊。導向鉆頭安裝有燒結碳化物(硬質合金)刀片18，并且通過螺紋、齒條或突起部分16與環(huán)狀鉆頭13連接。環(huán)狀鉆頭安裝有燒結碳化物刀片19并且與套管鞋14連接，連接的方式允許環(huán)狀鉆頭13與套管鞋14之間圍繞旋轉軸線CL相對旋轉。套管鞋被剛性連接到套管15上，最好通過焊接完成。
按照至此為止的描述，該設備與現(xiàn)有技術相似，這種設備的用途是使用這種設備鉆孔，并且在鉆錘和導向鉆頭退回之前，通過將導向鉆頭從環(huán)狀鉆頭上解開把環(huán)狀鉆頭、套管鞋和套管留在孔內。如果套管周圍的地層在設備退回以后仍然穩(wěn)固，可以把整個裝置退回。
現(xiàn)在回到圖1C，圖1B中的接頭17以放大的剖面圖形式示出。環(huán)狀鉆頭13在其軸向內端具有周向延伸的外部凸緣20，其包括軸向間隔開的壁21和22，它們分別縱向向前和向后，并且與旋轉軸線CL大體垂直延伸。壁21與縱向向后的壁24A一起在環(huán)狀鉆頭上形成一個環(huán)狀槽23A，其底部為24B。環(huán)狀延伸的內槽23設置在套管鞋14上，用于容納凸緣20。內槽23的邊界為沿縱向分別向前和向后的軸向間隔開的壁24和25，并且沿與軸線CL大體垂直的方向延伸。該槽的軸向長度比凸緣的軸向長度長，以便允許套管相對于環(huán)狀鉆頭有一些軸向運動。然而，這些長度被這樣選擇，即套管鞋的自由端或外端40決不會碰撞在環(huán)狀鉆頭上。
套管鞋14包括兩個大體一致的、成鏡像的兩半14A和14B，其具有大體半圓柱形形狀(見圖2A和2B)。在每一半的前部38設置有周向凹槽26，該凹槽包括第一或前斜角27、底面28和第二或后斜角29。底面28與旋轉軸線CL大體平行，并且與第一斜角27通過一個外部鈍角連接。底面28與第二斜角29通過一個內部鈍角連接。第一斜角27與第二斜角29大體平行。兩半上具有縱向邊30，其成形為縱向延伸的斜角以便用于焊接，斜角之間形成角β用于容納焊料。
提供一個圓環(huán)31用于將準備焊接的兩半放置好(見圖3和4)。圓環(huán)31具有大體長菱形的截面，并且包括平行的、平坦的、徑向間隔開的內部和外部表面32、33，以及兩個軸向間隔開的表面34和35，它們每一個都相對于旋轉軸線CL傾斜延伸。每一個傾斜面34和35與垂直于旋轉軸線CL的線P形成銳角α。角α最好大約30°。
套管鞋14按照下面的方式安裝在環(huán)狀鉆頭13上。圓環(huán)31的最小直徑比環(huán)狀鉆頭13的凸緣20的最大直徑大。這就意味著圓環(huán)可以放置在環(huán)狀鉆頭的槽23的底面23A的周圍，如圖1C中的點畫線31A所示。在完成這些以后，套管鞋14的兩半14A和14B放置在環(huán)狀鉆頭的周圍，以便套管鞋的槽23容納環(huán)狀鉆頭的凸緣20。同時，兩半放置在環(huán)狀鉆頭的周圍，圓環(huán)31軸向滑落到周向對準的凹槽26上，這樣，兩半相互之間并且相對于環(huán)狀鉆頭就放置好了。隨后，由圓環(huán)傾斜面34和35與套管鞋的第一和第二斜角27和29分別形成的前部和后部V形凹槽用于焊接。焊接首先通過在形成的凹槽處充滿焊接材料而完成，因此產生軸向前部焊縫36和軸向后部焊縫37。隨后，由斜角30形成的縱向延伸的接頭被焊接在一起?；蛘呖v向延伸的斜角30可以被首先焊接。
這樣，通過堅固的焊接，用于覆蓋巖層鉆井設備的套管鞋就可以生產出來了，以便能夠在相當長的時間內保持套管的軸向推進。此外，還設計了一個大的通道空間，用于鋪設焊接材料，這樣使得該設備比較容易生產。
現(xiàn)在回到圖5，其示出了與圖1B相似的按照本發(fā)明的另一個實施例的覆蓋巖層鉆井設備的視圖。環(huán)狀鉆頭13′的四周設置有一個周向延伸的內部槽23′，其包括軸向延伸的間隔開的壁21′和22′，它們沿著與旋轉軸線CL大體垂直的方向延伸。相應的周向延伸的外部凸緣20′設置在套管鞋14′上。凸緣20′通過軸向間隔開的壁24′和25′界定。槽23′的軸向長度比凸緣20′的軸向長度長，以便允許套管相對于環(huán)狀鉆頭進行一些軸向運動。然而，軸向長度被這樣選擇，即允許套管鞋的前部軸向焊縫36′碰撞到環(huán)狀鉆頭上。形成沖擊面25′的焊縫36′可以采用在這種沖擊下耐用的材料制造。
在操作覆蓋巖層鉆井設備時，鉆頭本體旋轉同時通過沖擊裝置被沖擊，以便鉆孔。在鉆頭本體推進時，環(huán)狀鉆頭的壁24與套管鞋的壁21嚙合，以便推動套管前進。流體通過內部通道50、52傳送到鉆頭本體的前面，用于冷卻和清潔刀片18。與切屑一起傳輸?shù)囊后w，通過回流通道54出來，該通道54設置在套管鞋的徑向內部，隨后在套管15內傳送。
本發(fā)明可以在附屬權利要求的范圍內自由變化。盡管本發(fā)明已在此結合優(yōu)選實施例進行了描述，本領域的技術人員應當明白，只要不偏離附屬權利要求限定的精神和范圍，可以進行沒有詳細描述的增加、刪除、改進和替換。
權利要求
1．用于鉆孔的覆蓋巖層鉆井裝置，包括鉆頭本體，其限定了一個縱向旋轉軸線，并包括一個位于本體的縱向前端的切削面，和一個位于縱向后端的、用于連接沖擊裝置的連接部分；以及一個通常為圓柱形的套管鞋，其用于與套管連接；所述鉆頭本體包括一個徑向向外縱向向前延伸的第一壁，所述套管鞋包括一個徑向向內縱向向后延伸的第二壁，該第二壁與第一壁相嚙合，并且在鉆孔操作時縱向推進；該套管鞋包括兩個大體一致的半圓形兩半，以及一個環(huán)狀的圓環(huán)，該圓環(huán)圍繞這兩半同軸延伸，以將兩半保持在一起。
2．按照權利要求1的裝置，還包括一個與連接部分相連的沖擊裝置，以及一個與套管鞋的后端連接并且圍繞著沖擊裝置的套管。
3．按照權利要求1的裝置，其中圓環(huán)通過分別設置在圓環(huán)的前后側面的前后焊縫焊接到兩半上。
4．按照權利要求3的裝置，其中圓環(huán)被放置在設置于兩半的前端上的周向凹陷處。
5．按照權利要求4的裝置，其中每一個凹陷處包括縱向間隔開的前后斜角，前斜角相對于后斜角位于徑向向內處，圓環(huán)包括縱向間隔開的通常相互平行的內外表面，并且相對于旋轉軸線傾斜，以便外表面和前斜角一起形成一個前V形槽，而內表面和后斜角一起形成一個后V形槽，前后焊縫分別位于前后V形槽上。
6．按照權利要求1的裝置，其中第二壁與套管鞋具有整體的單件結構。
7．按照權利要求6的裝置，其中第一壁構成本體上形成的周向第一槽的后壁。
8．按照權利要求7的裝置，其中第二壁構成套管鞋上形成的周向第二槽的前壁。
9．按照權利要求1的裝置，其中鉆頭本體包括一個導向鉆頭和一個安裝在導向鉆頭的外周的環(huán)狀鉆頭，第一壁與環(huán)狀鉆頭具有整體的單件結構。
10．一種適合于將圓柱形套管與鉆頭本體連接的套管鞋，其包括兩塊大體一致的半圓柱形的兩半，適合于一起形成一個圓柱并限定了一個縱向軸線，每一半在其前端包括一個周向凹槽，并且一個縱向向后的壁沿徑向向內延伸，其位于每一半的后端的縱向向前處，當兩半安裝在一起時，凹槽周向對準；并且一個環(huán)狀的大體圓形的圓環(huán)按照合適的尺寸縱向進入對準的凹槽，以便將兩半保持在一起，并且被焊接到兩半上。
11．按照權利要求10的套管鞋，其中每一個凹槽包括縱向間隔開的前后斜角，前斜角相對于后斜角位于徑向向內處，圓環(huán)包括縱向間隔開的通常平行的相對于軸線傾斜的內外表面，以便外表面和前斜角一起形成一個前V形槽，內表面和后斜角一起形成一個后V形槽，前后V形槽適合于容納各自的焊接材料。
12．一種將套管鞋安裝在鉆頭本體上的方法，包括以下步驟a．將一個環(huán)狀圓環(huán)插入到設置在鉆頭本體的外周的周邊槽內，該槽包括一個縱向向前的第一壁；b．在鉆頭本體的周圍安裝一個套管鞋，該套管鞋由兩個大體一致的半圓柱形兩半組成，將兩半安裝在一起，以便套管鞋的縱向向后的第二壁與第一壁相對；c．縱向向后移動圓環(huán)，直到圓環(huán)環(huán)繞兩半的前部；d．將圓環(huán)焊接到兩半上，以及e．沿縱向接頭將兩半焊接到一起。
13．按照權利要求12的方法，其中步驟c包括將圓環(huán)插入到設置在兩半的前部上的周向槽內。
14．按照權利要求13的方法，其中步驟d包括在沿圓環(huán)的相對的軸向側面的槽內形成軸向前后焊縫。
全文摘要
一種覆蓋巖層鉆井設備,包括鉆頭本體、對本體施加沖擊的沖擊裝置,以及與本體連接的套管。套管通過套管鞋與鉆頭本體連接,套管鞋包括半圓柱形的兩半,它們通過焊接到兩半上的圓環(huán)保持在一起。套管鞋和鉆頭本體通過徑向搭接壁相互連接,以便在鉆孔操作時,鉆頭本體推進套管。
文檔編號E21B17/02GK1236414SQ9719953
公開日1999年11月24日 申請日期1997年11月5日 優(yōu)先權日1996年11月8日
發(fā)明者安杰洛·李·斯佩達萊 申請人:桑德維克公司