專(zhuān)利名稱(chēng)：掘進(jìn)鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)計(jì)一種用于在地層中鉆孔的旋轉(zhuǎn)鉆頭。在現(xiàn)有技術(shù)中已應(yīng)用了多種類(lèi)型的掘進(jìn)鉆頭，例如牙輪鉆頭和噴射切割鉆頭。這些鉆頭上一般都設(shè)有鋒利的切削元件，這些切削元件由具有高抗磨性的材料制成，例如廣泛使用的金剛石、碳化鎢硬質(zhì)合金等材料。這些切削元件的切割作用主要是由切削件沿鉆孔底部的刮擦獲得的。鉆頭在鉆孔中的進(jìn)程(即鉆進(jìn)速度)取決于許多因素，例如切削元件的磨耗量、巖層的硬度和鉆頭上的承重等。由于井孔的鉆進(jìn)費(fèi)用占井孔總投資的絕大部分，所以一直存在降低鉆井費(fèi)用，也就是增加鉆井速度的需求。
因而本發(fā)明的目的是提供一種鉆頭，它可在地層中增加井孔的鉆進(jìn)速度。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于在地層中鉆孔的旋轉(zhuǎn)鉆頭。該鉆頭包括多個(gè)切削元件，這些切削元件用來(lái)在井孔的底部切削出多個(gè)徑向間隔、大體為環(huán)狀的切口，切削元件都至少包括一個(gè)切削/剪切部件，每個(gè)切削/剪切部件的設(shè)置方式是這樣的使其可在所說(shuō)切削元件的另一個(gè)切削/剪切部件的一定的角度間隔之后切入到井孔的底部，由此在由該切削/剪切部件和所說(shuō)的其它切削部件形成的切槽軌跡內(nèi)就圈定了一塊巖石料，所說(shuō)的切削/剪切部件上還設(shè)置了用于在所說(shuō)其它切削元件的切口方向上鏟出所說(shuō)巖石料體的裝置。
巖石料體可被切削/剪切部件鏟出的原因在于1)其它的切削元件進(jìn)行了最初的切口，這一切口形成了將巖石料體鏟去的邊界，以及2)由于最初切口提供了一個(gè)空間，在該空間內(nèi)巖石料體在切削/剪切部件的作用下而被移走。因而，根據(jù)本發(fā)明的鉆頭具有切割和鏟刮功能，從而本發(fā)明的鉆頭相比通常的鉆頭可從鉆孔的底部掘去更多的巖石料。所以其鉆進(jìn)速度顯著高于普通的鉆頭。
相應(yīng)地，該旋轉(zhuǎn)鉆頭還應(yīng)包括一個(gè)鉆頭體、和多個(gè)與該鉆頭體轉(zhuǎn)動(dòng)連接以便于基本沿鉆孔的底部進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的牙輪，牙輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線在不同的徑向定位方向延伸，在每個(gè)牙輪上都設(shè)置了至少一個(gè)所說(shuō)的切削/剪切部件。
如果每個(gè)切削/剪切部件都形成一個(gè)繞安裝了所說(shuō)切削元件的牙輪旋轉(zhuǎn)軸線方向延伸的盤(pán)式牙輪，則就可有效地切割和鏟出巖石料體。
最好在每個(gè)牙輪上都設(shè)置一套所說(shuō)的盤(pán)式牙輪，這些盤(pán)式牙輪沿牙輪的軸線間隔設(shè)置，不同牙輪上的多組盤(pán)式切輪在鉆頭的徑向方向具有一定的相互位錯(cuò)。
下文將通過(guò)參照附圖的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，圖中

圖1示意表示了本發(fā)明第一種實(shí)施方式的鉆頭側(cè)視圖；圖2表示了圖1中所示的第一實(shí)施方式的右半部結(jié)構(gòu)；圖3示意表示了本發(fā)明鉆頭的第二種實(shí)施例的側(cè)視圖；以及圖4示意表示了本發(fā)明鉆頭的第三種實(shí)施例的側(cè)視圖。
在附圖中相同的數(shù)字標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)相同的部件。
圖1和圖2中第一種實(shí)施方式的鉆頭1包括一個(gè)鉆頭體3、一個(gè)用來(lái)將鉆頭1連接到鉆桿上的螺紋連接件5、以及旋轉(zhuǎn)連接到鉆頭體3上位置相對(duì)的兩個(gè)牙輪7、9，由此使牙輪7、9的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線10、11向下傾斜，并與鉆頭1的回轉(zhuǎn)軸線12相交于交點(diǎn)14處。作為其它的方案，牙輪可被偏移一定程度，以使得牙輪的軸線不會(huì)和鉆頭1的回轉(zhuǎn)軸線相交。在牙輪7上設(shè)置了一組切削/剪切部件，這組切削/剪切部件是以盤(pán)式牙輪7a、7b、7d、7e的形式出現(xiàn)的，在牙輪9上設(shè)置了一組切削/剪切部件，該組切削/剪切部件是以盤(pán)式牙輪9a、9b、9d、9e的形式出現(xiàn)的。每個(gè)屬于牙輪7、9的盤(pán)式牙輪具有一個(gè)沿垂直于牙輪7、9轉(zhuǎn)動(dòng)軸線方向延伸的切割緣。盤(pán)式牙輪7a-d和9a-d的安裝方式使得各盤(pán)式牙輪與鉆孔底部接觸點(diǎn)的包絡(luò)線具有外凸的形狀。
盤(pán)式牙輪組7b-e和9b-e被設(shè)置的方式使得它們?cè)阢@孔底部的徑向方向相互交錯(cuò)。這樣，如從徑向方向看，盤(pán)式牙輪組7b-e和9b-e交錯(cuò)地接觸鉆孔的底部。為了表示盤(pán)式牙輪間的交錯(cuò)安裝方式，盤(pán)式牙輪7b-e的下端部分以陰影形式表示在盤(pán)式牙輪9b-e的各個(gè)下端部分之間。這樣，當(dāng)鉆頭1從圖1所示的定位狀態(tài)轉(zhuǎn)過(guò)180°時(shí)，盤(pán)式牙輪7b-e就處于以陰影表示的區(qū)域。
徑向最外的盤(pán)式牙輪7a、9a被設(shè)置在鉆頭上基本對(duì)等的徑向部位，在盤(pán)式牙輪7a對(duì)著鉆孔壁的側(cè)邊上還設(shè)置了(外)插入切削元件16，以便切割鉆孔的徑向外周部分。類(lèi)似地，在每個(gè)牙輪的內(nèi)端部上還安裝了(內(nèi))插入切削元件16，以便于掘出位于鉆頭1旋轉(zhuǎn)軸線12附近的巖石料。
如圖1所示，每個(gè)盤(pán)式牙輪具有兩個(gè)側(cè)面18、20，這兩個(gè)面唯一確定了一個(gè)楔形的切割緣17，其它的盤(pán)式牙輪具有類(lèi)似的側(cè)表面和切割邊緣。每個(gè)側(cè)表面18沿垂直于盤(pán)式牙輪所屬牙輪7、9的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線10、11方向延伸。這樣，在鉆進(jìn)過(guò)程中，側(cè)面18在交點(diǎn)14的方向上推擠巖石。側(cè)面20在與鉆孔底部的接觸點(diǎn)處，沿鉆頭1的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線方向平行延伸。
在圖3中，表示了根據(jù)本發(fā)明的第二種實(shí)施例的鉆頭31，其大部分都類(lèi)似于第一實(shí)施例，區(qū)別在于鉆頭31具有三個(gè)牙輪35、37、39。在圖中只表示出了牙輪39。這三個(gè)牙輪以120度的角度間隔定位，且類(lèi)似于參照?qǐng)D1和圖2描述的第一實(shí)施例中的那些牙輪。為了便于理解，設(shè)定所有這三個(gè)牙輪都只有三個(gè)盤(pán)式牙輪組，而沒(méi)有穩(wěn)定切刀。但可以理解的是在實(shí)際應(yīng)用中，在每個(gè)牙輪上都可設(shè)置適當(dāng)數(shù)目的盤(pán)式牙輪和穩(wěn)定切刀。在圖3的實(shí)施例中，牙輪35具有盤(pán)式牙輪組35a、35b、35c，牙輪37具有盤(pán)式牙輪組37a、37b、37c，牙輪39具有盤(pán)式牙輪組39a、39b、39c，這三套盤(pán)式牙輪在鉆孔的徑向方向交錯(cuò)排列。因而，如從徑向方向看，盤(pán)式牙輪組35a-c、37a-c和39a-c交錯(cuò)地與鉆孔的底部接觸。為了表示各盤(pán)式牙輪間的交錯(cuò)布置方式，盤(pán)式牙輪35a-c、37a-c的下端部分用陰影表示在盤(pán)式牙輪9b-e的各個(gè)下端部分之間。當(dāng)鉆頭1從圖1所示的定位狀態(tài)轉(zhuǎn)過(guò)120°時(shí)，盤(pán)式牙輪37a-c就處于以陰影表示的區(qū)域；當(dāng)鉆頭1從圖1所示的定位狀態(tài)轉(zhuǎn)過(guò)240°時(shí)，盤(pán)式牙輪39a-c就處于以陰影表示的區(qū)域。
在圖4中，表示了根據(jù)本發(fā)明的第三種實(shí)施例的鉆頭41，其大部分都類(lèi)似于第二實(shí)施例，主要的區(qū)別在于其盤(pán)式牙輪的設(shè)置方式使其和鉆孔底部接觸點(diǎn)的包絡(luò)線的形狀是內(nèi)凹的，相反于第一和第二實(shí)施例中的外凸形狀。此外每個(gè)盤(pán)式牙輪的側(cè)面18都被定位于將巖石料從徑向方向向外推擠的姿態(tài)。每個(gè)盤(pán)式牙輪的側(cè)面20(由點(diǎn)劃線表示)沿平行于鉆頭41轉(zhuǎn)動(dòng)軸線412的方向延伸。雖然設(shè)置了三個(gè)牙輪45、47、49，圖中只表示出了牙輪49。假設(shè)這三個(gè)牙輪都只有四個(gè)盤(pán)式牙輪組，而沒(méi)有穩(wěn)定切刀。同樣可以理解的是在實(shí)際應(yīng)用中，在每個(gè)牙輪上都可設(shè)置適當(dāng)數(shù)目的盤(pán)式牙輪和穩(wěn)定切刀。牙輪45具有盤(pán)式牙輪組45a-d，牙輪47具有盤(pán)式牙輪組47a-d，牙輪49具有盤(pán)式牙輪組49a-d，類(lèi)似于第二種實(shí)施例，這三套盤(pán)式牙輪在鉆孔的徑向方向交錯(cuò)排列。
為了說(shuō)明第一實(shí)施例的通常的工作過(guò)程，可參照表示了圖1右半部分的圖2。為了說(shuō)明鉆頭1通常的工作過(guò)程，且由于其它盤(pán)式牙輪的工作方式類(lèi)似，只需要考慮三個(gè)盤(pán)式牙輪9c、7c、9d。在鉆頭在鉆孔內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，由盤(pán)式牙輪9c、7c、9d在鉆孔的底部形成了相鄰的切口22、24、26。圖2中這些切口由直線表示，而在實(shí)際應(yīng)用中，切口的形狀則多少對(duì)應(yīng)于切割器上戳入鉆孔底部部分的形狀。直線f-j表示了盤(pán)式牙輪深度水平的包絡(luò)線，其中盤(pán)式牙輪的深度是鉆頭轉(zhuǎn)角的函數(shù)。這樣，如鉆頭從0°開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其所處的鉆孔深度為f，則直線g表示了在180°轉(zhuǎn)角時(shí)的深度，直線h表示了在360°轉(zhuǎn)角時(shí)的深度，直線i表示了在540°轉(zhuǎn)角時(shí)的深度，直線j表示了在720°轉(zhuǎn)角時(shí)的深度。
當(dāng)鉆頭轉(zhuǎn)過(guò)180°時(shí)，盤(pán)式牙輪9c、9d形成的切口22、26達(dá)到深度線g(180度轉(zhuǎn)角)。隨著切割器9c在鉆孔的底部形成切口，切割器9c的側(cè)面18在鉆頭軸線12方向推擠巖石料體，這就將巖石料體28限定在切口22和切口26間。但是，由于切割器9d位于切口26中，將該巖石料體鏟出遇到了障礙。隨著鉆頭轉(zhuǎn)到360度，盤(pán)式牙輪7c形成的切口24位于切口22和26間。由于這時(shí)盤(pán)式牙輪的切割深度在h線上，因而切口24也延伸到h線。在切口24的切割過(guò)程中，盤(pán)式牙輪7c的側(cè)面18對(duì)一塊巖石料體28a進(jìn)行推擠，該塊巖石料體位于切口24和26之間。此時(shí)，切口26的出現(xiàn)允許巖石料28a部分沿線s1鏟出，其中的線s1延伸在深度h的切口24和深度g的切口26之間。
當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)到540度時(shí)，切口22、26被盤(pán)式牙輪9c、9d加深到深度線I，由于巖層部分28a已在先前被除去而不存在，從而盤(pán)式牙輪9c的側(cè)面18可將巖石料體28的28b部分鏟出。對(duì)巖層部分28b部分的鏟出是沿著線s2鏟出的，其中的線s2延伸在深度i的切口22和深度h的切口24間。很顯然，在鉆進(jìn)的時(shí)間過(guò)程中，不論在任何點(diǎn)處，鉆孔底部的橫斷切面都是巖石沿線s1、s2等線的鏟出而形成的階梯狀。因此，圖2中的線f-g只是相似于盤(pán)式牙輪的包絡(luò)形狀，而不是鉆孔底部的實(shí)時(shí)形狀。
隨著鉆進(jìn)的繼續(xù)，巖層部分28c、28d以類(lèi)似于有關(guān)巖石部分28a、28b的方式分別沿線s3和s4被鏟出。鉆頭的其它盤(pán)式牙輪對(duì)巖石料的切割和鏟出以類(lèi)似的方式進(jìn)行。因而，在鉆孔底部的巖石料是通過(guò)切割和鏟出的聯(lián)合作用被掘出的，相比于只用切割作用，該鉆進(jìn)方式可允許更大體積的巖石塊從鉆孔底部被掘出。
鉆孔的外徑向部分是通過(guò)盤(pán)式牙輪7a、9a外徑向部位上的外插入切削元件16掘出的，鉆孔的中央部分是通過(guò)每個(gè)牙輪內(nèi)側(cè)部分上的內(nèi)插入切削元件16掘出的。外插入切削元件16受巖石的切割力作用，合力在垂直于鉆頭縱軸線方向的平面內(nèi)的分力，作用在每個(gè)插入元件16上使其由鉆孔壁指向內(nèi)側(cè)，而且隨著插入元件16在徑向穿入鉆孔壁深度的增加，合力值也增加。在所說(shuō)平面內(nèi)總的合力是作用于所有外插入元件的切割合力的矢量和。當(dāng)鉆頭在垂直于鉆孔中心線方向上受到一個(gè)位移時(shí)，該合力矢量和在數(shù)值上發(fā)生變化，并有一個(gè)阻礙該位移的分力。這樣，如果鉆頭在某一徑向方向而不是其它的徑向方向更進(jìn)一步地穿入鉆孔壁中，在所說(shuō)平面內(nèi)的切割力分力的向量和的失衡將阻礙這一斜穿過(guò)程，從而在鉆進(jìn)過(guò)程中在徑向穩(wěn)定了鉆頭。類(lèi)似地，內(nèi)插入元件16在鉆孔的底部中央部位受到由巖層指向外側(cè)的切割力，從而在鉆進(jìn)過(guò)程中也增加了鉆頭的徑向穩(wěn)定性。
第二實(shí)施例的一般工作過(guò)程類(lèi)似于第一實(shí)施例的一般工作過(guò)程，雖然巖石料是以鉆頭120度的角度間隔被鏟出出去的，而不是第一實(shí)施例中的180度間隔。
第三實(shí)施例的一般工作過(guò)程類(lèi)似于第二實(shí)施例的一般工作過(guò)程，雖然此時(shí)巖石料是在鉆孔徑向向外的方向被鏟出的，這是盤(pán)式牙輪和鉆孔底部接觸點(diǎn)的包絡(luò)線形狀是內(nèi)凹的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種用于在地層中鉆孔的旋轉(zhuǎn)鉆頭，該鉆頭包括多個(gè)切削元件，這些切削元件用來(lái)在井孔的底部切削出多個(gè)徑向間隔、大體為環(huán)狀的切口，切削元件都至少包括一個(gè)切削/剪切部件，每個(gè)切削/剪切部件的設(shè)置方式是這樣的使其可在所說(shuō)切削元件的另一個(gè)切削/剪切部件的一定的角度間隔之后切入到井孔的底部，由此在由該切削/剪切部件和所說(shuō)的其它切削部件形成的切槽軌跡之間就圈定了一塊巖石料，所說(shuō)的切削/剪切部件上還設(shè)置了用于在所說(shuō)其它切削元件的切口方向上鏟出所說(shuō)巖石料體的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其特征在于該鉆頭包括多個(gè)所述的切削/剪切部件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其特征在于所說(shuō)的鉆頭還包括一個(gè)鉆頭體、和多個(gè)與該鉆頭體轉(zhuǎn)動(dòng)連接以便于基本沿鉆孔的底部轉(zhuǎn)動(dòng)的牙輪，牙輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線在不同的徑向方向延伸，在每個(gè)牙輪上都設(shè)置了至少一個(gè)所說(shuō)的切削/剪切部件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其特征在于每個(gè)切削/剪切部件都形成一個(gè)繞安裝了所說(shuō)切削元件的牙輪旋轉(zhuǎn)軸線方向延伸的盤(pán)式牙輪。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其特征在于每個(gè)盤(pán)式牙輪具有楔形的橫斷面，該橫截面確定了切割器的兩個(gè)側(cè)表面，所說(shuō)表面中至少一個(gè)的設(shè)置方式便于推擠所說(shuō)的巖石料體，從而將所說(shuō)的巖石料體鏟出，該表面就形成了用于鏟出巖石料體的裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其特征在于所說(shuō)側(cè)表面的其它表面沿鉆頭的縱軸線方向平行延伸。
7.根據(jù)權(quán)利要求3-6中任意一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其特征在于在每個(gè)牙輪上設(shè)置了一組所說(shuō)的盤(pán)式牙輪，這些盤(pán)式牙輪沿牙輪的縱軸線方向分隔設(shè)置，其中屬于不同牙輪的不同盤(pán)式牙輪組沿牙輪的縱軸線方向相互交錯(cuò)設(shè)置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其特征在于所說(shuō)的鉆頭包括具有第一組盤(pán)式牙輪的第一牙輪和具有第二組盤(pán)式牙輪的第二牙輪。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其特征在于所說(shuō)的鉆頭還包括具有第三組盤(pán)式牙輪的第三牙輪。
10.根據(jù)權(quán)利要求3-9中任意一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其特征在于其中每個(gè)牙輪上還安裝了多個(gè)切削插入刀，用于切割鉆孔外徑向部分。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其特征在于在其中每個(gè)牙輪上設(shè)置了一個(gè)外盤(pán)式牙輪，牙輪的外盤(pán)式牙輪被安裝在鉆頭基本等徑向的位置處，每個(gè)外盤(pán)式牙輪具有一個(gè)對(duì)著鉆孔壁的外表面，其上安裝了所說(shuō)的多個(gè)切削插刀。
12.根據(jù)權(quán)利要求3-11中任意一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其特征在于其中每個(gè)牙輪上在牙輪的內(nèi)側(cè)部分安裝了多個(gè)內(nèi)切削插入刀，以用來(lái)切割鉆孔的中央部分。
13.根據(jù)權(quán)利要求2-12中任意一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其特征在于其中切削/剪切部件在鉆孔底部的包絡(luò)線具有外凸的形狀，在其中安裝了所有用來(lái)將所說(shuō)的巖石料體鏟出裝置都以徑向向內(nèi)的方向。
14.根據(jù)權(quán)利要求2-12中任意一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其特征在于其中切削/剪切部件在鉆孔底部的包絡(luò)線具有內(nèi)凹的形狀，在其中安裝了所有用來(lái)將所說(shuō)的巖石料體鏟出的裝置都以徑向向外的方向。
15.上文參照附圖大體描述的旋轉(zhuǎn)鉆頭。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于在地層中鉆孔的旋轉(zhuǎn)鉆頭。該鉆頭包括多個(gè)切削元件(7、9),這些切削元件用來(lái)在井孔的底部切削出多個(gè)徑向間隔、大體為環(huán)狀的切口(22、24、26),切削元件都至少包括一個(gè)切削/剪切部件(7),每個(gè)切削/剪切部件的設(shè)置方式是這樣的:使其可在所說(shuō)切削元件的另一個(gè)切削/剪切部件的一定的角度間隔之后切入到井孔的底部,由此在由該切削/剪切部件和所說(shuō)的其它切削部件形成的切槽軌跡內(nèi)就圈定了一塊巖石料(28),在切削/剪切部件設(shè)有一個(gè)用于在其它所說(shuō)的切削元件形成的切口方向鏟出掉所說(shuō)巖石料體的裝置。
文檔編號(hào)E21B10/16GK1268991SQ98808608
公開(kāi)日2000年10月4日 申請(qǐng)日期1998年8月28日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月28日
發(fā)明者久雷·H·澤四林 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司