相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求于2014年10月17日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第62/065,372號(hào)的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，該專利申請(qǐng)通過(guò)引用并入本文。

發(fā)明背景

本公開(kāi)涉及一種鉆孔設(shè)備和方法。更具體地，但不作為限制，本發(fā)明涉及鉆頭(drillbit)和鉆井的方法。

鉆頭已經(jīng)用于鉆地下井。在鉆井眼中，操作者尋求有效、安全且經(jīng)濟(jì)地鉆井。鉆頭被要求鉆直井、斜井、水平井、多邊的井等。多年來(lái)已經(jīng)提出了各種鉆頭，包括牙輪鉆頭和多晶金剛石復(fù)合片鉆頭(polycrystallinediamondcompactbit)。

發(fā)明概述

在一個(gè)實(shí)施方案中，公開(kāi)了一種設(shè)備，其包括：旋轉(zhuǎn)段，其具有帶有第一周向輪廓的第一徑向表面；非旋轉(zhuǎn)段，其具有帶有第二周向輪廓的第二徑向表面；圍繞所述第一徑向表面和第二徑向表面設(shè)置的殼體；以及設(shè)置在第一徑向表面和第二徑向表面之間并與該第一徑向表面和第二徑向表面接觸的一個(gè)或多個(gè)滾動(dòng)元件，用于在該旋轉(zhuǎn)段旋轉(zhuǎn)時(shí)沿軸向方向傳送該非旋轉(zhuǎn)段。每個(gè)滾動(dòng)元件相對(duì)于第一徑向表面沿圓形路徑移動(dòng)360度，并且相對(duì)于第二徑向表面沿圓形路徑移動(dòng)360度。旋轉(zhuǎn)段相對(duì)于非旋轉(zhuǎn)段旋轉(zhuǎn)超過(guò)360度。第一周向輪廓可以包括錐形部分(taperedsection)，其可以包括波狀的波形輪廓。第二周向輪廓可以包括錐形部分，該錐形部分可以包括波狀的波形輪廓。滾動(dòng)元件中的每一個(gè)可以包括球形外表面。在一個(gè)實(shí)施方案中，該設(shè)備可以包括彼此接觸的兩個(gè)滾動(dòng)元件，并且每個(gè)滾動(dòng)元件具有等于殼體的內(nèi)徑的一半的直徑。在另一個(gè)實(shí)施方案中，設(shè)備可以包括三個(gè)或更多個(gè)滾動(dòng)元件，其中每個(gè)滾動(dòng)元件與兩個(gè)相鄰的滾動(dòng)元件接觸。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該設(shè)備可包括引導(dǎo)構(gòu)件和兩個(gè)或更多個(gè)滾動(dòng)元件，該引導(dǎo)構(gòu)件設(shè)置在第一徑向表面和第二徑向表面之間，用于使?jié)L動(dòng)元件相對(duì)于彼此保持在固定位置中。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，公開(kāi)了一種設(shè)備，其包括：第一旋轉(zhuǎn)段，其具有帶有第一周向輪廓的第一徑向表面；第二旋轉(zhuǎn)段，其具有帶第二周向輪廓的第二徑向表面；圍繞該第一徑向表面和第二徑向表面設(shè)置的殼體；以及設(shè)置在該第一徑向表面和第二徑向表面之間并與該第一徑向表面和第二徑向表面接觸的一個(gè)或多個(gè)滾動(dòng)元件，用于在該第一旋轉(zhuǎn)段旋轉(zhuǎn)時(shí)沿軸向方向傳遞該第二旋轉(zhuǎn)段。第二旋轉(zhuǎn)段以不同于第一旋轉(zhuǎn)段的旋轉(zhuǎn)速率旋轉(zhuǎn)。可選地，第一旋轉(zhuǎn)段和第二旋轉(zhuǎn)段沿相反方向旋轉(zhuǎn)。每個(gè)滾動(dòng)元件相對(duì)于第一徑向表面沿圓形路徑移動(dòng)360度，并且相對(duì)于第二徑向表面沿圓形路徑移動(dòng)360度。第一旋轉(zhuǎn)段相對(duì)于第二旋轉(zhuǎn)段旋轉(zhuǎn)超過(guò)360度。第一周向輪廓可以包括錐形部分，該錐形部分可以包括波狀的波形輪廓。第二周向輪廓可以包括錐形部分，該錐形部分可以包括波狀的波形輪廓。滾動(dòng)元件中的每一個(gè)可以包括球形外表面。在一個(gè)實(shí)施方案中，該設(shè)備可以包括彼此接觸的兩個(gè)滾動(dòng)元件，并且每個(gè)滾動(dòng)元件具有等于殼體的內(nèi)徑的一半的直徑。在另一個(gè)實(shí)施方案中，設(shè)備可以包括三個(gè)或更多個(gè)滾動(dòng)元件，其中每個(gè)滾動(dòng)元件與兩個(gè)相鄰的滾動(dòng)元件接觸。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該設(shè)備可包括引導(dǎo)構(gòu)件和兩個(gè)或更多個(gè)滾動(dòng)元件，該引導(dǎo)構(gòu)件設(shè)置在第一徑向表面和第二徑向表面之間，用于使?jié)L動(dòng)元件相對(duì)于彼此保持在固定位置中。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，公開(kāi)了一種用于鉆井的設(shè)備，該設(shè)備連接到工作柱(workstring)。該設(shè)備包括具有第一端部、內(nèi)腔和第二端部的鉆頭主體，其中第一端部連接到工作柱，該工作柱構(gòu)造成向鉆頭主體輸送旋轉(zhuǎn)力。內(nèi)腔包含具有第一徑向凸輪式表面(firstradialcamsurface)的輪廓。鉆頭主體的第二端部包括包含切割構(gòu)件的工作面。該設(shè)備還包括旋轉(zhuǎn)地連接在鉆頭主體的內(nèi)腔內(nèi)的導(dǎo)向鉆頭。導(dǎo)向鉆頭從工作面延伸。導(dǎo)向鉆頭包括第一端部和第二端部。導(dǎo)向鉆頭的第一端部具有第二徑向凸輪式表面，該第二徑向凸輪式表面可操作地構(gòu)造成與第一徑向凸輪式表面配合以輸送錘擊力。導(dǎo)向鉆頭的第二端部包括構(gòu)造成接合圍繞井眼的地層的接合表面。鉆頭主體以不同于導(dǎo)向鉆頭的速率旋轉(zhuǎn)。第一徑向凸輪式表面可以包括傾斜部分和直立部分。第二徑向凸輪式表面可以包括傾斜部分和直立部分。接合表面可以包括偏心圓錐形表面?？蛇x地，接合表面可包括鑿刻表面。工作柱可以包含用于輸送旋轉(zhuǎn)力的泥漿馬達(dá)。該設(shè)備還可包括與導(dǎo)向鉆頭可操作地相關(guān)聯(lián)的保持器，用于將導(dǎo)向鉆頭保持在內(nèi)腔內(nèi)。工作柱可以是管狀鉆柱(tubulardrillstring)或盤(pán)繞管柱(coiledtubingstring)。該設(shè)備還可以包括設(shè)置在第一徑向凸輪式表面和第二徑向凸輪式表面之間并與第一徑向凸輪式表面和第二徑向凸輪式表面接觸的一個(gè)或多個(gè)滾動(dòng)元件。滾動(dòng)元件中的每一個(gè)可以是球形外表面。該設(shè)備可以包括彼此接觸的兩個(gè)滾動(dòng)元件，其中滾動(dòng)元件中的每一個(gè)的直徑等于內(nèi)腔的內(nèi)徑的一半。該設(shè)備可以包括三個(gè)或更多個(gè)滾動(dòng)元件，滾動(dòng)元件中的每一個(gè)與兩個(gè)相鄰的滾動(dòng)元件接觸。該設(shè)備可以包括引導(dǎo)構(gòu)件和兩個(gè)或更多個(gè)滾動(dòng)元件，該引導(dǎo)構(gòu)件設(shè)置在第一徑向凸輪式表面和第二徑向凸輪式表面之間，以用于使?jié)L動(dòng)元件相對(duì)于彼此保持在固定位置中。

還公開(kāi)了一種鉆井眼的方法。該方法包括在井眼內(nèi)提供鉆頭設(shè)備，鉆頭設(shè)備包括：鉆頭主體，其具有第一端部、內(nèi)腔和第二端部，其中第一端部連接到工作柱，該工作柱構(gòu)造成將旋轉(zhuǎn)力輸送到鉆頭主體；該內(nèi)腔包含具有第一徑向凸輪式表面的輪廓；該第二端部包括包含切割構(gòu)件的工作面；該設(shè)備還包括突出物(protuberance)，該突出物旋轉(zhuǎn)地連接在鉆頭主體的內(nèi)腔內(nèi)并從該工作面延伸；所述突出物包括第一端部和第二端部，該第一端部具有第二徑向凸輪式表面，并且該第二端部具有接合表面。該方法還包括使鉆頭設(shè)備降低到井眼中，使工作面的切割構(gòu)件與儲(chǔ)層界面接觸，使鉆頭主體相對(duì)于突出物旋轉(zhuǎn)，使突出物的接合表面與井眼中的儲(chǔ)層界面接合，以及用該第一徑向凸輪式表面撞擊該第二徑向凸輪式表面，使得在鉆井眼時(shí)將沖擊力輸送到切割構(gòu)件和接合表面。在一個(gè)實(shí)施方案中，第一徑向凸輪式表面包括傾斜部分和直立部分，并且第二徑向凸輪式表面包括傾斜部分和直立部分。工作柱可以包含用于輸送旋轉(zhuǎn)力的泥漿馬達(dá)。工作柱可以是管狀鉆柱、生產(chǎn)柱或盤(pán)繞管柱。另外，接合表面可以是偏心圓錐形表面或鑿刻表面。突出物可以由于與鉆頭主體的旋轉(zhuǎn)相關(guān)聯(lián)的摩擦力而旋轉(zhuǎn)，其中突出物的旋轉(zhuǎn)速率不同于鉆頭主體的旋轉(zhuǎn)速率。鉆頭設(shè)備還可以包括設(shè)置在第一徑向凸輪式表面和第二徑向凸輪式表面之間并與該第一徑向凸輪式表面和第二徑向凸輪式表面接觸的一個(gè)或多個(gè)滾動(dòng)元件，并且該方法可以包括通過(guò)滾動(dòng)元件用第一徑向凸輪式表面撞擊第二徑向凸輪式表面。滾動(dòng)元件中的每一個(gè)可以包括球形外表面。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，公開(kāi)了一種用于鉆井的設(shè)備，該設(shè)備連接到工作柱。該設(shè)備包括具有第一端部、內(nèi)腔和第二端部的鉆頭主體，其中第一端部連接到工作柱，該工作柱構(gòu)造成向鉆頭主體輸送旋轉(zhuǎn)力。內(nèi)腔包含具有錘的輪廓。鉆頭主體的第二端部包括包含多個(gè)切削構(gòu)件的工作面。該設(shè)備還包括旋轉(zhuǎn)地連接在鉆頭主體的內(nèi)腔內(nèi)的突出物。突出物從工作面延伸。突出物包括第一端部和第二端部。突出物的第一端部包含砧。突出物的第二端部包含構(gòu)造成接合圍繞井眼的地層的接合表面。錘可操作地構(gòu)造成將錘擊力輸送到砧。鉆頭主體相對(duì)于突出物旋轉(zhuǎn)。工作柱可以包含用于輸送旋轉(zhuǎn)力的泥漿馬達(dá)。錘可包括傾斜部分和直立部分。砧可以包括傾斜部分和直立部分?？蛇x地，內(nèi)腔的輪廓還包括第一徑向凸輪式表面，并且突出物的第一端部還包括構(gòu)造成與第一徑向凸輪式表面配合的第二徑向凸輪式表面。該設(shè)備還可以包括與突出物可操作地相關(guān)聯(lián)的保持器，以將突出物保持在內(nèi)腔內(nèi)。接合表面可以包括偏心圓錐形表面或鑿刻表面。工作柱可以是管狀鉆柱或盤(pán)繞管柱。突出物可以以與鉆頭主體不同的旋轉(zhuǎn)速率旋轉(zhuǎn)。該設(shè)備還可以包括設(shè)置在錘和砧之間并與錘和砧接觸的一個(gè)或多個(gè)滾動(dòng)元件。每個(gè)滾動(dòng)元件可以是球形外表面。該設(shè)備可以包括彼此接觸的兩個(gè)滾動(dòng)元件，其中滾動(dòng)元件中的每一個(gè)的直徑等于內(nèi)腔的內(nèi)徑的一半。該設(shè)備可以包括三個(gè)或更多個(gè)滾動(dòng)元件，滾動(dòng)元件中的每一個(gè)與兩個(gè)相鄰的滾動(dòng)元件接觸。該設(shè)備可包括兩個(gè)或更多個(gè)滾動(dòng)元件和引導(dǎo)構(gòu)件，該引導(dǎo)構(gòu)件設(shè)置在錘和砧之間，以用于使?jié)L動(dòng)元件相對(duì)于彼此保持在固定位置中。

附圖簡(jiǎn)述

圖1是本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的鉆頭的一個(gè)實(shí)施方案的截面圖。

圖2是導(dǎo)向鉆頭上的凸輪式表面的一個(gè)實(shí)施方案的透視圖。

圖3是圖1中標(biāo)記為“a”的區(qū)域的放大的局部截面圖，其描繪了鉆頭內(nèi)的徑向凸輪式表面。

圖4是圖1中所見(jiàn)的導(dǎo)向鉆頭的透視圖。

圖5是本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的鉆頭的第二實(shí)施方案的截面圖。

圖6是圖5中所見(jiàn)的導(dǎo)向鉆頭的第二實(shí)施方案的透視圖。

圖7是沿線a-a截取的圖1的鉆頭的橫截面圖。

圖8是本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的鉆頭的第三實(shí)施方案的橫截面圖。

圖9a是圖8中所示的鉆頭的徑向凸輪式表面的透視圖。

圖9b是圖9a中所示的徑向凸輪式表面的周向輪廓的示意圖。

圖9c是可選擇的徑向凸輪式表面的透視圖。

圖10是本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的鉆頭的第四實(shí)施方案的橫截面圖。

圖11是圖10中標(biāo)記為“b”的區(qū)域的放大的局部截面圖。

圖12是從鉆機(jī)延伸的工作柱的示意圖，其中工作柱同心地放置在井眼內(nèi)。

圖13是用于利用旋轉(zhuǎn)構(gòu)件施加軸向運(yùn)動(dòng)的設(shè)備的橫截面圖。

圖14a是沿圖13中的線a-a截取的設(shè)備的橫截面圖。

圖14b是沿圖13中的線a-a截取的設(shè)備的可選擇的橫截面圖。

圖14c是沿圖13中的線a-a截取的該設(shè)備的另一個(gè)可選擇的橫截面圖。

圖14d是沿圖13中的線a-a截取的該設(shè)備的另一個(gè)可選擇的橫截面圖。

圖15是包括引導(dǎo)構(gòu)件的圖13的設(shè)備的橫截面圖。

圖16a是沿圖15中的線b-b截取的設(shè)備的橫截面圖。

圖16b是沿圖15中的線b-b截取的設(shè)備的可選擇的橫截面圖。

圖16c是沿圖15中的線b-b截取的設(shè)備的另一個(gè)可選擇的橫截面圖。

圖16d是沿圖15中的線b-b截取的設(shè)備的又一個(gè)可選擇的橫截面圖。

優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述

圖1是本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的鉆頭2的一個(gè)實(shí)施方案的截面圖。鉆頭2包括第一端部4，第一端部4具有包含外螺紋裝置6的外徑(outerdiameter)，其中外螺紋裝置6將連接到工作柱(在該視圖中看不到)。鉆頭2可以是能夠?qū)⒖足@入巖層中的任何工具，例如刮刀鉆頭、牙輪鉆頭(rollerconebit)、鑿子式鉆頭或銑刀(mill)。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的，工作柱可以包括井底組件，井底組件包括在鉆孔時(shí)測(cè)量的儀器、泥漿馬達(dá)裝置和鉆鋌(drillcollar)(注意，該列舉是說(shuō)明性的)。外螺紋裝置6延伸到徑向肩部8，該徑向肩部8又延伸到外圓錐形表面10。如圖1中所見(jiàn)，外圓錐形表面10延伸到多個(gè)刀片，包括刀片12和14。鉆頭2，并且特別是刀片12、14，包含如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的用于對(duì)地下巖石鉆孔和破碎地下巖石的切割構(gòu)件。在一個(gè)實(shí)施方案中，刀片12、14包括支腿部分，切割構(gòu)件可以連接在支腿部分上。例如，圖1描繪了連接到刀片12、14的支腿部分的遠(yuǎn)端23(也稱為工作面23)的切割構(gòu)件16、18、20、22。因此，切割構(gòu)件16、18、20、22包含在鉆頭2的工作面23上。

鉆頭2還包含徑向向內(nèi)延伸到內(nèi)徑部分26的徑向平坦的頂表面24。內(nèi)徑部分26延伸到通常以28示出的開(kāi)口。開(kāi)口28有時(shí)被稱為內(nèi)腔。開(kāi)口28具有內(nèi)部輪廓30，其中輪廓30包含第一徑向凸輪式表面，將參照?qǐng)D2描述第一徑向凸輪式表面。開(kāi)口28延伸到鉆頭2的底部。如圖1中所見(jiàn)，設(shè)置在開(kāi)口28內(nèi)的是導(dǎo)向鉆頭32(導(dǎo)向鉆頭32可以稱為突出物32)。導(dǎo)向鉆頭32可以但不必需延伸超過(guò)鉆頭2的工作面23。導(dǎo)向鉆頭32具有第一端部(通常以34示出)和第二端部(通常以36示出)。第一端部34包含第二徑向凸輪式表面，將參照?qǐng)D3描述第二徑向凸輪式表面。應(yīng)當(dāng)注意，第一和第二徑向凸輪式表面一起配合，如稍后在本公開(kāi)中將更充分地解釋的。

如圖1中所見(jiàn)，開(kāi)口28還包括增大直徑的圓周區(qū)域38，圓周區(qū)域38適合于在其中放置保持器40，保持器40用于使導(dǎo)向鉆頭32保持在開(kāi)口28內(nèi)。保持器40可以是如所示的球構(gòu)件?？蛇x地，保持器40可以是至少部分地設(shè)置在開(kāi)口28內(nèi)的銷、定位螺釘或其它類似機(jī)構(gòu)，其用于將導(dǎo)向鉆頭32保持在開(kāi)口28內(nèi)?？梢园ㄈ魏螖?shù)量的保持器40。更具體地，導(dǎo)向鉆頭32包含第一外徑表面42，該第一外徑表面42延伸到倒角表面44，該倒角表面44又延伸到第二外徑表面46，然后延伸到倒角表面48，然后延伸到第三外徑表面50。在圖1中描繪的實(shí)施方案中，第三外徑表面50延伸到通常以52示出的鑿刻輪廓表面(chiseledprofilesurface)，該鑿刻輪廓表面52具有用于接觸地下巖石的傾斜端部54。中心線56延伸穿過(guò)鉆頭2的內(nèi)徑部分26以及穿過(guò)導(dǎo)向鉆頭32的傾斜端部54。球軸承構(gòu)件40允許鉆頭2的旋轉(zhuǎn)以及導(dǎo)向鉆頭32的旋轉(zhuǎn)。在一個(gè)實(shí)施方案中，球軸承構(gòu)件40允許鉆頭2和導(dǎo)向鉆頭32以不同的速度旋轉(zhuǎn)，使得鉆頭2可具有以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(rpm)測(cè)量的第一旋轉(zhuǎn)速率，而導(dǎo)向鉆頭32可具有也以rpm測(cè)量的第二旋轉(zhuǎn)速率。導(dǎo)向鉆頭32的第一外徑表面42和第三外徑表面50可以與鉆頭2的開(kāi)口28的內(nèi)表面一起用作徑向軸承。

現(xiàn)在參照?qǐng)D2，現(xiàn)在將描述導(dǎo)向鉆頭32上的第二徑向凸輪式表面60的一個(gè)實(shí)施方案的透視圖。應(yīng)當(dāng)注意，在各個(gè)附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件。圖2描繪了外徑表面42以及外徑表面50，其中外徑表面50延伸到鑿刻輪廓表面52。在一個(gè)實(shí)施方案中，第二徑向凸輪式表面60包含三個(gè)斜面，即斜面62、64、66。斜面62、64和66將與內(nèi)部輪廓30配合以輸送錘擊力，如下面將更充分地解釋的。斜面66包含直立部分68、傾斜部分70和在傾斜部分70和直立部分70之間的平坦部分72。斜面62、64和66具有相似的結(jié)構(gòu)。徑向平坦區(qū)域74a、74b、74c將是在錘擊動(dòng)作期間兩個(gè)徑向凸輪將撞擊的區(qū)域。換句話說(shuō)，徑向平坦區(qū)域74a、74b、74c接收錘擊力而不是斜面表面。

具體參見(jiàn)圖3，其是圖1中標(biāo)記為“a”的圓圈區(qū)域的放大局部截面圖，現(xiàn)在將進(jìn)行描述。圖3描繪了在鉆頭2的內(nèi)部輪廓30上的第一徑向凸輪式表面80。圖3示出了傾斜部分82，其延伸到直立部分84，直立部分84然后變平坦成平坦部分86。徑向平坦區(qū)域以88示出。傾斜部分82、直立部分84、平坦部分86和徑向平坦區(qū)域88與前述的第二徑向凸輪式表面60是相反的。第二徑向凸輪式表面60將與第一徑向凸輪式表面80配合，以便根據(jù)本公開(kāi)的教導(dǎo)產(chǎn)生錘力。內(nèi)部輪廓30接合第二徑向凸輪式表面60并與第二徑向凸輪式表面60配合，使得當(dāng)鉆頭2相對(duì)于導(dǎo)向鉆頭32旋轉(zhuǎn)(即，導(dǎo)向鉆頭32不旋轉(zhuǎn)或?qū)蜚@頭32以與鉆頭2不同的旋轉(zhuǎn)速率旋轉(zhuǎn))時(shí)，內(nèi)部輪廓30的平坦部分86沿傾斜部分70向上、穿過(guò)平坦部分72、在直立部分68之上滑動(dòng)并且滑動(dòng)到第二徑向凸輪式表面60的平坦區(qū)域74b上。當(dāng)平坦部分86落到第二徑向凸輪式表面60的平坦區(qū)域74b上時(shí)，將通過(guò)鉆頭2和導(dǎo)向鉆頭32在軸向方向上產(chǎn)生沖擊力，以用于輔助穿過(guò)地層鉆孔。在一個(gè)實(shí)施方案中，第二徑向凸輪式表面60是砧構(gòu)件，并且第一徑向凸輪式表面80是錘構(gòu)件。

圖4是導(dǎo)向鉆頭構(gòu)件即導(dǎo)向鉆頭32的第一實(shí)施方案的透視圖。如圖4中所示，外徑表面50延伸到第一凹表面90以及第二凹表面92，第二凹表面92又延伸到傾斜端部54。因此，隨著鉆孔的進(jìn)行，傾斜端部54可接觸地下巖石，該地下巖石又將被破碎以及被鑿刻。

圖5是鉆頭94的第二實(shí)施方案的截面圖，其中圖5描繪了包含偏心圓錐形表面98的導(dǎo)向鉆頭96的第二實(shí)施方案。鉆頭94與圖1中所示的鉆頭2相同，除了導(dǎo)向鉆頭96外。如圖5中所示，穿過(guò)鉆頭94的中心的中心線100從導(dǎo)向鉆頭96的圓錐形部分104的頂點(diǎn)102偏移。圓錐形部分104的中心線106從鉆頭94的中心線100偏移，從而形成偏心圓錐形表面104。由于這種偏移(即，偏心距離)，需要較高的扭矩以旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆頭96，這又要求鉆頭94和導(dǎo)向鉆頭96的徑向凸輪式表面之間的較高摩擦，以便旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆頭96。由于頂點(diǎn)102的較大的偏心距離，將需要較高的扭矩以旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆頭96。因此，偏心距離在鉆頭2的旋轉(zhuǎn)速率和導(dǎo)向鉆頭96的旋轉(zhuǎn)速率之間產(chǎn)生較高的差(即，較高的相對(duì)旋轉(zhuǎn))，從而增加由徑向凸輪式表面的相互作用產(chǎn)生的撞擊的頻率。

現(xiàn)在參考圖6，現(xiàn)在將描述圖5中所見(jiàn)的導(dǎo)向鉆頭構(gòu)件96的第二實(shí)施方案的透視圖。導(dǎo)向鉆頭96在遠(yuǎn)端端部處包含通向頂點(diǎn)102的圓錐形部分104。圓錐形部分104偏心地定位，這形成徑向區(qū)域108。圓錐形部分104可以一體地形成在導(dǎo)向鉆頭96的主體上，或者可以例如通過(guò)焊接被附接。

圖7是圖1的鉆頭2的沿線7-7截取的橫截面圖。因此，導(dǎo)向鉆頭32與球軸承構(gòu)件(例如構(gòu)件40)一起示出，其中球軸承構(gòu)件40定位在增大的直徑的圓周區(qū)域38中。還示出了刀片12、14連同刀片109。圖7示出了鉆頭2可以如何相對(duì)于導(dǎo)向鉆頭32沿順時(shí)針?lè)较?10旋轉(zhuǎn)。當(dāng)鉆頭2構(gòu)造成旋轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)向鉆頭32不設(shè)計(jì)成旋轉(zhuǎn)。因此，導(dǎo)向鉆頭32可以是非旋轉(zhuǎn)構(gòu)件。然而，在一個(gè)實(shí)施方案中，摩擦力可以導(dǎo)致導(dǎo)向鉆頭32旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，導(dǎo)向鉆頭32將以與鉆頭2不同的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)。

圖8示出了鉆頭113的另一實(shí)施方案。除非另有說(shuō)明，鉆頭113與鉆頭2相同。鉆頭113可以包括刀片114和115。鉆頭113還可以包括至少?gòu)膹较蛲馆喪奖砻?17延伸到徑向表面118的內(nèi)腔116。導(dǎo)向鉆頭119可包括從上部部分121延伸到圓錐形部分122的軸部分120。圓錐形部分122的頂點(diǎn)123可以從鉆頭113的中心線124偏移。上部部分121可以包括徑向凸輪式表面125和徑向肩部126。鉆頭113的徑向表面118可以將導(dǎo)向鉆頭119的上部部分121保持在內(nèi)腔116內(nèi)。

鉆頭113還可包括定位在徑向凸輪式表面117和125之間并與徑向凸輪式表面117和125接觸的滾動(dòng)元件127和128。滾動(dòng)元件127、128也可以稱為旋轉(zhuǎn)元件。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，滾動(dòng)元件127、128是球形構(gòu)件，例如不銹鋼球軸承或陶瓷球。在該實(shí)施方案中，每個(gè)球形構(gòu)件可以具有近似等于內(nèi)腔116的內(nèi)徑的一半的直徑，使得球形構(gòu)件彼此接觸。應(yīng)當(dāng)理解，鉆頭113可以包括任何數(shù)量的滾動(dòng)元件。所包括的滾動(dòng)元件的數(shù)量可以等于徑向凸輪式表面117和125中的每一個(gè)上的高點(diǎn)或斜面的數(shù)量。滾動(dòng)元件中的每一個(gè)可以具有相同的尺寸。

當(dāng)鉆頭113相對(duì)于導(dǎo)向鉆頭119旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)元件127、128可以在徑向凸輪式表面117和125之間自由移動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)鉆頭113相對(duì)于導(dǎo)向鉆頭119旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)元件127、128可在徑向凸輪式表面125上的圓形路徑中移動(dòng)。滾動(dòng)元件127、128在徑向凸輪式表面117和125上的這種移動(dòng)可引起導(dǎo)向鉆頭119相對(duì)于鉆頭113的軸向移動(dòng)。使用滾動(dòng)元件127、128允許在鉆頭113和導(dǎo)向鉆頭119的徑向凸輪式表面117和125之間的較小的直接撞擊，這可以增加鉆頭113和導(dǎo)向鉆頭119的壽命。

圖9a示出了徑向凸輪式表面125的第一實(shí)施方案。在該實(shí)施方案中，徑向凸輪式表面125包括一系列表面，即表面125a、125b、125c、125d、125e、125f、125g、125h、125i、125j、125k、125l。這些表面中的數(shù)個(gè)可以具有上升或下降坡度，使得徑向凸輪式表面125具有多個(gè)段的徑向面。圖9b是圖9a中所示的徑向凸輪式表面125的周向輪廓圖。圖9c示出了徑向凸輪式表面125的另一實(shí)施方案。在該實(shí)施方案中，徑向凸輪式表面125包括凸輪式低側(cè)(camlowside)126a和凸輪式高側(cè)126b。徑向凸輪式表面125的該實(shí)施方案的輪廓可以是較平滑的波形。在一個(gè)實(shí)施方案中，徑向凸輪式表面125的輪廓是正弦波形。應(yīng)當(dāng)注意，圖9a和9c中所示的徑向凸輪式表面125的實(shí)施方案可以都稱為波狀輪廓。鉆頭113的徑向凸輪式表面117可以具有與徑向凸輪式表面125相反的形狀?？蛇x地，徑向凸輪式表面117和125中的一個(gè)可以是平坦徑向表面。

圖10是鉆頭130的又一實(shí)施方案的截面圖。除非另有說(shuō)明，鉆頭130與鉆頭2相同。鉆頭130可以包括刀片132和134。鉆頭130還可以包括從徑向凸輪式表面138和錘表面140通向工作面142的內(nèi)腔136。徑向凸輪式表面138和錘表面140可以軸向地隔開(kāi)一距離。導(dǎo)向鉆頭144可設(shè)置在鉆頭130的內(nèi)腔136內(nèi)。導(dǎo)向鉆頭144可包括第一端部146和第二端部148。第一端部146可以包括徑向凸輪式表面150和砧表面152。徑向凸輪式表面150和砧表面152可以軸向地隔開(kāi)一距離。徑向凸輪式表面150可與徑向凸輪式表面138配合，并且砧表面152可與錘表面140配合。導(dǎo)向鉆頭144的第二端部148可以包括上述類型的鑿刻輪廓表面(如所示)或偏心圓錐形部分。

圖11是圖10中部分b的放大圖。該視圖示出，當(dāng)鉆頭130的錘表面140與導(dǎo)向鉆頭144的砧表面152接觸時(shí)，徑向凸輪式表面138和150隔開(kāi)距離δx。當(dāng)鉆頭130相對(duì)于導(dǎo)向鉆頭144旋轉(zhuǎn)時(shí)，鉆頭130的徑向凸輪式表面138接合導(dǎo)向鉆頭144的徑向凸輪式表面150。如上面結(jié)合其它實(shí)施方案所解釋的，徑向凸輪式表面138上的每個(gè)高點(diǎn)154沿徑向凸輪式表面150的每個(gè)斜面156滑動(dòng)。在該時(shí)間期間，錘表面140將與砧表面152隔開(kāi)。當(dāng)徑向凸輪式表面138的每個(gè)高點(diǎn)154在徑向凸輪式表面150的每個(gè)高點(diǎn)158上方滑動(dòng)時(shí)，每個(gè)高點(diǎn)154將落在徑向凸輪式表面150的直立部分160上。該下降導(dǎo)致鉆頭130的錘表面140撞擊導(dǎo)向鉆頭144的砧表面152。由于隔開(kāi)距離δx，沖擊力不直接地放置在徑向凸輪式表面138和徑向凸輪式表面150上。這種布置將通過(guò)減小徑向凸輪式表面138和徑向凸輪式表面150上的磨損而增加鉆頭130和導(dǎo)向鉆頭144的壽命。該實(shí)施方案還可以包括在徑向凸輪式表面138和徑向凸輪式表面150之間的一個(gè)或多個(gè)滾動(dòng)元件。在使用滾動(dòng)元件的情況下，當(dāng)錘表面140接觸并撞擊砧表面150時(shí)，滾動(dòng)元件可不與兩個(gè)凸輪式表面接觸。

現(xiàn)在參考圖12，其是從鉆機(jī)232延伸的工作柱230的示意圖，其中工作柱230同心地放置在井眼234內(nèi)。工作柱230將可操作地連接到井底組件，通常以236示出。在圖12的實(shí)施方案中，井底組件236包括用于旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動(dòng)鉆頭2的泥漿馬達(dá)裝置238。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的，在鉆井的過(guò)程中，鉆孔流體穿過(guò)工作柱230被泵送。鉆孔流體被引導(dǎo)穿過(guò)泥漿馬達(dá)裝置，從而引起井底組件的一部分旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)力傳遞到鉆頭2，這將導(dǎo)致鉆頭2相對(duì)于導(dǎo)向鉆頭32旋轉(zhuǎn)。因此，鉆頭2旋轉(zhuǎn)，使得獲得第一旋轉(zhuǎn)速率。容納在工作面23上的切割構(gòu)件(例如，圖1中所示的切割構(gòu)件16、18、20、22)也將與儲(chǔ)層界面240接合。導(dǎo)向鉆頭32的傾斜端部54(在圖4中示出)、導(dǎo)向鉆頭96的頂點(diǎn)102(在圖6中示出)或?qū)蜚@頭119的頂點(diǎn)123將接合儲(chǔ)層界面240。應(yīng)當(dāng)理解，除非另有說(shuō)明，鉆頭2、94、113和130以相同的方式工作，并且導(dǎo)向鉆頭32、96、119和144以相同的方式工作。

導(dǎo)向鉆頭32在鉆孔操作期間可以不旋轉(zhuǎn)。然而，由于摩擦力，鉆頭2相對(duì)于導(dǎo)向鉆頭32的相對(duì)旋轉(zhuǎn)可以導(dǎo)致導(dǎo)向鉆頭32旋轉(zhuǎn)。鉆頭2和導(dǎo)向鉆頭32之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)可以由鉆頭2和導(dǎo)向鉆頭32之間的滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦以及兩個(gè)構(gòu)件和圍繞井眼的儲(chǔ)層巖石之間的摩擦引起。鉆頭2和導(dǎo)向鉆頭32可能需要不同的扭矩值以克服滾動(dòng)摩擦和與儲(chǔ)層巖石的摩擦，這可能導(dǎo)致導(dǎo)向鉆頭32以與鉆頭2不同的旋轉(zhuǎn)速率旋轉(zhuǎn)。當(dāng)使用導(dǎo)向鉆頭96時(shí)，相對(duì)旋轉(zhuǎn)也可以由頂點(diǎn)102從鉆頭94的中心線的偏心偏移而引起。鉆頭2可以以比導(dǎo)向鉆頭32更高的旋轉(zhuǎn)速率或速度旋轉(zhuǎn)。例如，鉆頭可以以80-400rpm旋轉(zhuǎn)，而導(dǎo)向鉆頭可以以2-10rpm旋轉(zhuǎn)。該方法還包括使第二徑向凸輪式表面60抵靠第一徑向凸輪式表面80撞擊，使得沖擊力被輸送到工作面23和導(dǎo)向鉆頭32。以這種方式，鉆頭2和導(dǎo)向鉆頭32之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)被轉(zhuǎn)換成鉆頭2和導(dǎo)向鉆頭32之間的相對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)。切割構(gòu)件16、18、20、22的切割和破碎作用和與錘擊力耦合的導(dǎo)向鉆頭32將鉆出井眼。

如前所指出的，在一個(gè)實(shí)施方案中，第一徑向凸輪式表面包括傾斜部分和直立部分，并且第二徑向凸輪式表面包括傾斜部分和直立部分，它們是彼此相反的并且配合以在徑向平坦區(qū)域(例如在圖2中看到的區(qū)域74a、74b、74c)上產(chǎn)生錘擊力。在一個(gè)實(shí)施方案中，工作柱包含用于輸送旋轉(zhuǎn)力的泥漿馬達(dá)；然而，其它實(shí)施方案包括用于從鉆臺(tái)賦予工作柱的旋轉(zhuǎn)的表面旋轉(zhuǎn)裝置。在另一個(gè)實(shí)施方案中，工作柱選自由管狀鉆柱、盤(pán)繞管柱和制動(dòng)用的管(snubbingpipe)組成的組。一個(gè)實(shí)施方案的特征是接合表面(即導(dǎo)向鉆頭32的遠(yuǎn)端端部)可以是偏心圓錐形表面、鑿刻表面或其它類似表面。

圖13示出了包括旋轉(zhuǎn)構(gòu)件304(有時(shí)稱為旋轉(zhuǎn)段)和第二構(gòu)件306(有時(shí)稱為第二段)的設(shè)備302。旋轉(zhuǎn)構(gòu)件304和第二構(gòu)件306可以各自至少部分地設(shè)置在殼體308內(nèi)。旋轉(zhuǎn)構(gòu)件304可包括第一徑向表面310。第二構(gòu)件306可以包括與第一徑向表面310相對(duì)的第二徑向表面312。第一徑向表面310或第二徑向表面312可以包括如上所述的錐形表面。在一個(gè)實(shí)施方案中，兩個(gè)徑向表面310、312包括錐形表面。錐形表面可以是波狀的波形輪廓。應(yīng)當(dāng)理解，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件304可以定位在第二構(gòu)件306上方或下方。

設(shè)備302可包括一個(gè)或多個(gè)滾動(dòng)元件314。在一個(gè)實(shí)施方案中，設(shè)備302包括兩個(gè)滾動(dòng)元件314a、314b，如圖13中所示的。每個(gè)滾動(dòng)元件可以具有但不限于球形外表面，其具有近似等于殼體308的內(nèi)徑的一半的直徑，使得滾動(dòng)元件314a和滾動(dòng)元件314b彼此恒定接觸。應(yīng)當(dāng)理解，設(shè)備302可以包括任何數(shù)量的滾動(dòng)元件。包括在井下設(shè)備中的滾動(dòng)元件的數(shù)量可以等于徑向表面310和徑向表面312中的每一個(gè)上的高點(diǎn)或斜面的數(shù)量。滾動(dòng)元件中的每一個(gè)可以具有相同的尺寸。

旋轉(zhuǎn)構(gòu)件304可相對(duì)于第二構(gòu)件306連續(xù)旋轉(zhuǎn)，即，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件304可相對(duì)于第二構(gòu)件306旋轉(zhuǎn)超過(guò)360度。在一個(gè)實(shí)施方案中，第二構(gòu)件306是非旋轉(zhuǎn)構(gòu)件。非旋轉(zhuǎn)構(gòu)件意味著該構(gòu)件不被設(shè)計(jì)成旋轉(zhuǎn)并且該構(gòu)件相對(duì)于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件大體上不旋轉(zhuǎn)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，第二構(gòu)件306是以與旋轉(zhuǎn)構(gòu)件304不同的旋轉(zhuǎn)速率旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件。旋轉(zhuǎn)速率是旋轉(zhuǎn)速度，其可以以每分鐘旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)數(shù)(rpm)為單位來(lái)測(cè)量。在另一實(shí)施方案中，第二構(gòu)件306和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件304沿相反方向旋轉(zhuǎn)。在所有實(shí)施方案中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件304相對(duì)于第二構(gòu)件306旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)元件314在第一徑向表面310和第二徑向表面312之間移動(dòng)，從而產(chǎn)生第二構(gòu)件306相對(duì)于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件304的軸向運(yùn)動(dòng)。滾動(dòng)元件314可以各自相對(duì)于第二徑向表面312沿圓形路徑移動(dòng)360度。滾動(dòng)元件314還可以各自相對(duì)于第一徑向表面310沿圓形路徑移動(dòng)360度。滾動(dòng)元件314在第一徑向表面310和第二徑向表面312上的移動(dòng)可以同時(shí)發(fā)生，使得滾動(dòng)元件314相對(duì)于第一徑向表面310沿圓形路徑移動(dòng)360度，并且同時(shí)相對(duì)于第二徑向表面312沿圓形路徑移動(dòng)360度。

應(yīng)當(dāng)理解，設(shè)備302不限于所示的方向性布置和傾斜布置。換句話說(shuō)，只要第一徑向表面310與第二徑向表面31相對(duì)，其中一個(gè)或多個(gè)滾動(dòng)元件設(shè)置在第一徑向表面310與第二徑向表面之間，則設(shè)備302將起作用。設(shè)備302可以以相對(duì)于這些附圖中所示的豎直位置倒置的豎直位置來(lái)布置。設(shè)備302還可以布置在水平位置或任何其它傾斜位置。

圖14a是沿圖13中的a-a線截取的橫截面圖，示出了設(shè)置在殼體308內(nèi)的第一徑向表面310上的滾動(dòng)元件314a、314b。圖14b是沿圖13中的a-a線截取的可選擇的橫截面圖。在該實(shí)施方案中，設(shè)備302包括三個(gè)滾動(dòng)元件，即滾動(dòng)元件314a、314b、314c。圖14c是沿圖13中的a-a線截取的另一個(gè)可選擇的橫截面圖，其示出了設(shè)備302，該設(shè)備302包括四個(gè)滾動(dòng)元件，即滾動(dòng)元件314a、314b、314c、314d。圖14d是沿圖13中的a-a線截取的另一個(gè)可選擇的橫截面圖，示出了設(shè)備302，該設(shè)備302包括十個(gè)滾動(dòng)元件，即滾動(dòng)元件314a、314b、314c、314d、314e、314f、314g、314h、314i、314j。圖14b、14c和14d中每個(gè)滾動(dòng)元件可以被設(shè)定尺寸使得每個(gè)滾動(dòng)元件與兩個(gè)相鄰的滾動(dòng)元件接觸。

圖15示出了具有設(shè)置在徑向表面310和312之間的引導(dǎo)構(gòu)件316的設(shè)備302。引導(dǎo)構(gòu)件316可以用于將滾動(dòng)元件314a和314b控制在相對(duì)于彼此固定的位置。圖16a是沿圖15中的b-b線截取的橫截面圖，示出了設(shè)置在殼體308內(nèi)的第一徑向表面310上的由引導(dǎo)構(gòu)件316保持的滾動(dòng)元件314a、314b。在該實(shí)施方案中，滾動(dòng)元件314a、314b被設(shè)定尺寸使得其彼此恒定接觸。圖16b是沿圖15的b-b線的可選擇的橫截面圖。在該實(shí)施方案中，設(shè)備302包括兩個(gè)滾動(dòng)元件314a、314b，滾動(dòng)元件被設(shè)定尺寸使得其彼此隔開(kāi)。引導(dǎo)構(gòu)件316將滾動(dòng)元件314a、314b保持在相對(duì)于彼此固定的位置，例如相隔180度。圖16c是沿圖15的b-b線截取的另一個(gè)可選擇的橫截面圖。在該實(shí)施方案中，設(shè)備302包括三個(gè)滾動(dòng)元件314a、314b、314c，其中滾動(dòng)元件被設(shè)定尺寸設(shè)使得其彼此隔開(kāi)并且通過(guò)引導(dǎo)構(gòu)件316相對(duì)于彼此保持在固定位置，例如相隔120度。圖16d是沿圖15中的線b-b截取的另一個(gè)可選擇的橫截面圖。在該實(shí)施方案中，設(shè)備302包括四個(gè)滾動(dòng)元件314a、314b、314c、314d，其中滾動(dòng)元件被設(shè)定尺寸使得其彼此隔開(kāi)并且通過(guò)引導(dǎo)構(gòu)件316相對(duì)于彼此保持在固定位置，例如相隔90度。應(yīng)當(dāng)理解，引導(dǎo)構(gòu)件316可以與任何數(shù)量的滾動(dòng)元件314一起使用。當(dāng)滾動(dòng)元件314被設(shè)定尺寸使得每個(gè)滾動(dòng)元件不會(huì)持續(xù)地接觸兩個(gè)相鄰的滾動(dòng)元件時(shí)，優(yōu)選使用引導(dǎo)構(gòu)件316，例如在圖16b、圖16c和圖16d中所示的實(shí)施方案中。

雖然已經(jīng)參考本發(fā)明的某些優(yōu)選變型相當(dāng)詳細(xì)地描述了本發(fā)明，但是其他變型是可能的。因此，所附權(quán)利要求的精神和范圍不應(yīng)限于本文包含的優(yōu)選變型的描述。