旋轉鑽頭中備用切削件插入件的製作方法
2023-05-05 20:54:41
專利名稱：旋轉鑽頭中備用切削件插入件的製作方法
技術領域：
本申請通常涉及具有鑽頭本體的固定切削齒旋轉鑽頭，更特別地，
背景技術：
旋轉鑽頭通常用於在土層中鑽井眼或鑽井。 一種類型的旋轉鑽頭 是固定切削齒鑽頭(經常稱為"刮刀鑽頭，，)，其通常包括固定到鑽頭 本體的面區域上的多個切削件。 一般地，在一些實例中，固定切削齒 型鑽頭的切削件或者具有盤形形狀，或者具有更細長的基本上圓筒形 形狀。切削表面包括硬的超研磨材料(比如用於形成所謂"金剛石臺" 的聚晶金剛石的相互約束的顆粒)可以設在每個切削件的基底的基本 圓形端表面上。這種切削件經常稱為"聚晶金剛石複合"(PDC)切削 件或切削齒。通常，PDC切削件與鑽頭本體分別製造並被固定在形成 於鑽頭本體的外表面中的凹窩內。粘結材料(比如粘合劑)或者，更
通常地，黃銅合金可以用於將切削件固定到鑽頭本體上。
旋轉鑽頭的鑽頭本體通常固定到具有美國石油學會(API)的螺 紋連接件的硬化鋼柄上，所述螺紋連接件用於將鑽頭連接到鑽柱上。 鑽柱包括在鑽頭和其他地面鑽井設備之間端對端地連接的管狀管和設 備段。諸如轉盤或頂部驅動裝置的設備可以用於旋轉井眼內的鑽柱和 鑽頭。替代地，鑽頭的柄可以直接連接到井下馬達的驅動軸上，然後，其可用於使鑽頭旋轉。
參照圖1，傳統的固定切削齒旋轉鑽頭10包括鑽頭本體12，所述 鑽頭本體一般具有徑向突出的並且軸向延伸的翼片或刀片14，所述翼 片或刀片被從鑽頭本體的面20上的通道延伸的排屑槽16分隔開。多 個PDC切削齒18設在在鑽頭本體12的面20上延伸的刀片14上。鑽 頭本體12的面20包括構造成接合被鑽地層的刀片14的表面，以及在 通道內的鑽頭本體12的外表面和排屑槽16。多個PDC切削齒18可 以沿著形成在其旋轉前緣內的凹窩22內的每一片刀片14設置，而且 PDC切削齒18被可以與鑽頭本體12整體形成的支撐壁(buttress) 24從後面支承。
鑽頭10還可以包括用於將鑽頭10連接到鑽柱(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 鑽頭本體12，而且內部的流體通道(未顯示)提供縱向孔和噴嘴32 之間流體連通，所述噴嘴32設在鑽頭本體12的面20處並且開口入導 向排屑槽16的所述通道。
在鑽井操作過程中，鑽頭IO被放置在井眼孔的底部並被旋轉，與 此同時，鑽井流體被泵送穿過縱向孔、內部流體通道和噴嘴32到達鑽 頭本體12的面20。在鑽頭10旋轉時，PDC切削齒18橫向刮切掉下 面的土層。地層鑽屑與鑽井流體混合併且懸浮在鑽井流體內，穿過排 屑槽16並向上穿過井眼壁和鑽柱外表面之間的環形空間流到土層地 面。
固定切削齒旋轉鑽頭10的鑽頭本體12可以由鋼成。這種鋼鑽頭 本體通常通過機械加工(使用傳統的機械加工工藝，例如包括車、銑 和鑽)鋼坯來形成刀片14、排屑槽16、凹窩22、支撐壁24、內部縱 向孔和流體通道(未顯示)，以及鑽頭10的其他特徵。
圖2是刀片14的放大透視圖，顯示出其上的多個PDC切削齒18 被安裝在凹窩22內並且被支撐壁24從後面支承。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 聚晶金剛石複合臺36，基底38由硬質金屬材料(比如碳化鴒)製成。通常，PDC切削齒18被其基底38通過銅焊、焊接或使用高強度粘合 劑粘接而固定在凹窩22內。
為了提高鑽頭10的切削作用和/或防止鑽頭IO的磨損，希望在一 個或多個刀片14上提供旋轉到至少 一些主PDC切削齒18的後面的額 外"備用"切削齒18'。
在鑽頭10中提供這種備用切削齒18'的原因包括由於機械加 工設備或鑽頭IO的切削件與鑽頭IO的其他特徵(比如相鄰的刀片14) 之間的幹涉，很難使用傳統的機械加工設備和技術(例如，比如多軸 銑床)來對備用切削齒18'的凹窩22'進行機械加工，因此很難加工 鋼鑽頭本體12。規定的另一種方式為，在機械加工設備和鑽頭10之 間的幹涉可以用允許對備用切削齒18'的凹窩22'進行機械加工的 方式來排除機械加工設備的位置，特別是鑽頭的切削件的位置。此外， 很難在對鑽頭10的不打算加工的其他區域不進行機械加工的情況下 來加工備用切削齒18'的凹窩22'。
Sherwood， Jr.等的美國專利7,070,011公開了一種具有設在切削 齒凹窩形凹槽中的主切削件的鋼本體的旋轉鑽頭，所述凹窩形凹槽部 分地由切削齒支撐件限定。支撐件在鑽頭的製造過程中附連到鋼本體 上。每個切削件本體的至少一部分被固定到鋼鑽頭本體的表面上，而 且每個切削件本體的至少另一部分匹配地接合支撐件中的一個的表 面。然而，美國專利7,070,011未描述、教導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鑽頭上。
因此，現有技術需要有一種便於將備用切削齒放置在旋轉鑽頭上 的方法以及需要一種包括備用切削齒的旋轉鑽頭。
發明內容
在一些實施例中，本發明包括用於固定切削齒旋轉鑽頭的切削齒 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 件本體包括用於在切削齒插入件本體中限定切削齒凹槽的至少 一個表 面。切削齒凹槽可以構造成在其中接收備用切削件的至少一部分。在另外的實施例中，本發明包括用於鑽地下地層的固定切削齒旋 轉鑽頭。用於保持備用切削齒的至少 一個切削齒插入件可以被可拆卸 地附連到旋轉到主切削齒的切削凹窩後面的鑽頭本體的面上。切削齒 插入件可以包括限定其中的切削齒凹槽的至少 一個表面，所述切削齒
凹槽構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)。備用切削齒的後傾量和暴露量可通過適當地構造切削齒凹槽 的位置和方向而容易地進行調整。
在另 一個實施例中，本發明包括一種製造固定切削齒旋轉鑽頭的 方法。所述方法包括提供具有構造成在鑽井過程中接合地下地層的面 的鑽頭本體(其可以具有多個刀片)。至少一個切削齒插入件凹槽形成
在旋轉到切削齒凹窩後面的鑽頭本體的面(例如，在刀片的面)中， 所述切削齒凹窩構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 一個或多個切削齒插入件，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表面。切削齒凹槽構造成在其中接收 備用切削件的至少一部分。所述一個或多個切削齒插入件的每一個可 以至少部分地固定在鑽頭本體面上的切削齒插入件凹槽內，而且至少 一個備用切削齒可以至少部分地固定在所述一個或多個切削齒插入件 的切削齒凹槽內。所述一個或多個切削齒插入件可以可拆卸地固定在
的拆卸和修理。
結合附圖閱讀本發明的下列描述，可以很容易地確定由說明書和 權利要求書一起決定(特別是權利要求指出並明確提出的)的本發明 所視為的發明的各個特徵和優點，其中
圖l是示例性的固定切削齒旋轉鑽頭的透視圖2是與圖1所示相同的固定切削齒旋轉鑽頭的放大圖，顯示了 根據本發明的一個實施例安裝在刀片上的備用切削齒；
圖3A是可用於將備用切削齒安裝在旋轉鑽頭的刀片上的切削齒插入件的一個實施例的透視圖3B是圖3A所示的切削齒插入件的另一個透視圖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視圖4是可用於將備用切削齒安裝在旋轉鑽頭的刀片上的切削齒插 入件的另一個實施例的透視圖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 削齒安裝在旋轉鑽頭的刀片上的方法；
圖6是固定切削齒旋轉鑽頭的端視圖，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鑽頭的切削齒的輪廓。
具體實施例方式
在 一 些實例中，在此提出的說明不是任何特別的切削件的插入件、 切削件、或鑽頭的實際視圖，而只是用來描述本發明的理想化表示。 另外，圖之間的共同元件可以保持相同的數字標記。
可用於將備用切削齒18'固定在旋轉鑽頭10 (圖1)(其可以具有 鋼鑽頭本體)的面上的切削齒插入件50如圖3A-3D所示。參照圖3A, 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。 作為另一個實例，例如，切削齒插入件本體52可以包括顆粒基 (particle-matrix)複合材料，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。
參照圖3B-3C,切削齒插入件本體52可以具有大致圓筒形橫向側 表面60和兩個相對的基本為平面的且平行的端表面61A，在圖3A、 3B和3C中僅一個端表面可見。在一些實施例中，切削齒插入件本體 52還可以具有一個或多個另外的基本為平面的平坦表面61B，其可以與一個相對於平行的端表面61A成小於90度(90°)的銳角的平面共 面並位於該平面中。切削齒凹槽54可以具有的尺寸和形狀構造成在其 中至少部分地接收備用切削齒18'(圖2)。在一些實施例中，切削齒 凹槽54可以具有的尺寸和形狀構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。 通過實例的方式但不局限於此，切削齒凹槽54可以具有與部分右 端圓筒體相應的形狀，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相交並且可以從該平坦的表面基本橫向延伸。在 一些實施例中，大致平坦的表面58還可以設在相對端表面61A中的 一個或兩個都成小於90度(90°)的銳角67的平面中，和/或相對切 削齒插入件本體52的縱軸Al成小於90度(90。)的銳角68的平面中。 切削齒凹槽54可以與平表面61B、；鏡向側表面60和端表面61A中的 一個或多個相交，如圖3B所示。而且，切削齒凹槽54可以沿凹槽軸 線Ar延伸，所述凹槽軸線相對切削齒插入件本體52的縱軸Al成小 於90度(90。)的銳角69。如在此所使用的，術語"凹槽軸線，，指切削 齒凹槽54的形狀關於其基本對稱的任何軸線。在一些實施例中，凹槽 軸線可以與用於形成切削齒凹槽54的鑽軸線或機械加工軸線重合。在 這種構造中，凹槽軸線AR還可以相對橫向側表面60成小於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，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，使得位於其中的備用切削齒18'的切削麵19相對切削齒插入件 本體52的側表面60成選定角66,所述側表面60與切削齒插入件本 體52的縱軸Al平行。當切削齒插入件50固定到鑽頭10 (圖1)的面20上而且備用切削齒18 '位於切削齒插入件50的切削齒凹槽54內時， 選定角66可以用於限定備用切削齒18'的選定後傾角。類似地，切削 齒插入件本體52中的切削齒凹槽54的深度D可以被調整以便當切削 齒插入件50固定到鑽頭10(圖l)的面20上而且備用切削齒18'位於 切削齒插入件50的切削齒凹槽54內時，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'不是明顯地直接結合到備用切 削齒18'安裝在其上的鑽頭本體的刀片14的任一表面上。
可選地，切削齒插入件50可以包括一個或多個定位特徵，其構造 成便於以選定方向、以側傾方式將切削齒插入件50放入鑽頭IO(圖1) 的鑽頭本體12內。通過實例的方式而且不局限於此，切削齒插入件 50可以包括旋轉定位銷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中的相應孔64中。旋轉定位銷62可用於以選定的旋 轉方向將切削齒插入件50放在鑽頭10的鑽頭本體12內，從而在切削 齒插入件50被固定到鑽頭IO(圖1)的面20上的刀片14上而且備用 切削齒18'位於切削齒插入件50的切削齒凹槽54內時，限定出備用切 削齒18'的選定的側傾角。
切削齒插入件50的另一個實施例如圖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準錶面或平面68，其可 形成在切削齒插入件本體52的橫向側表面60中並與其相交。對準錶 面或平面68可用於以選定旋轉方向將切削齒插入件50放入鑽頭10 (圖1)的鑽頭本體12內，旋轉定位銷62的位置如圖3A-3D所示。 在另外一個實施例中，切削齒插入件50可以包括限定在切削齒插入件 本體52的表面中的對準標記(比如線或槽)，其可以與設在鑽頭IO(圖 1)的鑽頭本體12上的相應標記(或其他特徵)對準。
現在將參照圖5A-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所示相同的旋轉鑽頭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鑽頭10的刀片14的 放大的局部透視圖，所述固定切削齒旋轉鑽頭具有鋼鑽頭本體12。圖 5A顯示了在已經在其中形成切削齒凹窩22之後並且在將主PDC切削 齒18 (圖2)固定在其中之前時的刀片14。切削齒凹窩22已經鄰近 刀片14的前表面26形成。前表面26通常指與在鑽進過程中向前旋轉 的或與鑽頭本體12的旋轉方向相關的前端的刀片14的側面。如在圖 5A中看到的，切削齒插入件凹槽70設在刀片14的面20上，且處於 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可以設在旋轉到同一刀片上的切削齒凹窩22後面的刀片14的面 20中，所述切削齒凹窩構造成在其中接收主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。通過實例的方式但不局限於此，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釐米(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。在其他實施例中，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釐米(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。
通過實例的方式但不局限於此，例如，通過使用配有平底圓筒形 切削件的傳統的鑽床或銑床在刀片14中鑽切削齒插入件凹槽70而在 刀片14中形成切削齒插入件凹槽70。
參照圖5B，可以通過基本上沿鑽軸80向刀片14鑽進而形成切削 齒插入件凹槽70。通過實例的方式但不局限於此，鑽軸80可以大致 垂直於平面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鑽出切削齒插入件 凹槽70，傳統的鑽孔設備和技術可以用於鑽出切削齒插入件凹槽70 而不會遇到先前描述的幹涉問題，當試圖對位於鑽頭10的刀片14中的並且構造成將備用切削齒18'(圖2)直接接收到鑽頭10的刀片14 中的切削齒凹窩22'進行機械加工時，可能發生幹涉問題。
參照圖5C，從切削齒插入件凹槽70延伸的並且構造成在其中接 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 在刀片14中。通過實例的方式但不局限於此，例如，通過使用配有圓 底的圓筒形切削件的傳統銑床在刀片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，使得當切削齒插入件50插入切削齒插入件 凹槽70中並且定位銷92設在定位銷凹槽72內時，切削齒插入件50 以選定旋轉方位位於切削齒插入件凹槽70內。以這種方式，可以選擇 性地限定位於設在切削齒插入件凹槽70中的切削齒插入件50內的備 用切削齒18'的側傾角。
參照圖5D,在刀片14中形成切削齒插入件凹槽70和定位銷凹槽 72之後，切削齒插入件50可以對準並插入切削齒插入件凹槽70，使 得定位銷62設在放入定位銷凹槽72中。
在將切削齒插入件50插入切削齒插入件凹槽70之後，切削齒插 入件50可以被固定在切削齒插入件凹槽70內(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)。如前所述，在切削齒插入件凹槽70內， 將銅焊材料或粘合材料可選地設在切削齒插入件50和刀片14的周圍 表面之間的界面處。在這種構造中，如果切削齒插入件50損壞，其可 以相對容易地拆卸下來以便更換。
參照圖5E，除了先前所述的用於將切削齒插入件50固定在切削 齒插入件凹槽70內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的區域之間的至少 一部分界面設置焊道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內的方法便於切削齒插入件50的拆卸和修理。而且，削齒插入件50的選定區域、焊道78、刀片 14的周圍區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有技術公知的，常常包括散布在整個金 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 表面硬化材料可用於防止底層結構磨損。特別地，在結合本發明製造 鑽頭時，不需要鑽頭本體的其他熱循環。
在已經將切削齒插入件50插入並固定在切削齒插入件凹槽70內 之後，備用切削齒18'可以被插入並固定在切削齒插入件50的切削齒 凹槽54內，如圖5F所示。通過實例的方式但不局限於此，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。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內之前將備用切削齒18'插入並固定在切削齒 凹槽54內，儘管熱約束條件可能規定不能採用這種方法，例如，由於 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。
雖然在此已經描述和說明了備用切削齒18'包括PDC切削齒，在 另外的實施例中，備用切削齒18'可以包括現有技術已知的任何類型或 構造的超研磨切削齒或其他切削齒，例如，比如包括硬質材料(比如 碳化鎢)但不包括其上的金剛石臺的柱頭螺栓。此外，迄今雖然在此 僅描述了和在附圖中說明了單個切削齒插入件50和單個備用切削齒 18',然而鋼本體的鑽頭10可以設有多個切削齒插入件50和多個備用 切削齒18'。
本發明的固定切削齒旋轉鑽頭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)而被固定在鑽頭90的至少一個刀片14上。每一 個備用切削齒18'可以包括PDC備用切削齒18'。在一些實施例中， 每一個備用切削齒18'具有的直徑可以小於主切削齒18的直徑。例如， 每一個備用切削齒18'具有的直徑小於設在同一刀片14上並且在其上向前旋轉的主切削齒18的直徑。在另外的實施例中，每一個備用切削 齒18'具有的直徑可以等於或大於設在同一刀片14上並且在其上向前 旋轉的主切削齒18的直徑。此外，在此至少一個備用切削齒18'可以 設在鑽頭90的每一個主刀片14 (如在此所使用的，術語"主刀片，，是 指基本上延伸到鑽頭中心的刀片)上，如圖6所示。在另外的實施例 中， 一個或多個備用切削齒18'可以設在鑽頭90的每一個刀片14上。
如在圖6中所看到的，鑽頭90的至少一個刀片14可以包括在備 用切削齒18'位置處的一個或多個支承結構94。每一個支承結構94可 以包括包含硬質材料(例如，比如碳化鵠)的柱頭螺栓和襯墊。每一 個結構94可以具有構造成在鑽進過程中接合地下地層表面的至少一 個支承表面95。此外，每一個支承結構94可以包括覆蓋其至少一部 分支承表面95的金剛石臺、金剛石孕鑲材料、或者任何包括構造成用 於增加支承結構94的耐磨性的一個或多個金剛石的其他結構和材料。
圖7說明了圖6所示的鑽頭卯的"切削齒輪廓"是現有技術所已知 的，其顯示了一個刀片14的橫截面。重疊的圓中的每一個表示如果主 切削齒18和備用切削齒18'繞鑽頭90的縱軸沿圓周旋轉到如圖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上佔據 的位置。在一些實施例中，備用切削齒18'可以主要沿著其上安裝有各 個備用切削齒18'的每個刀片14的肩部區域(在圖7中通常表示為96) 設置。在另外的實施例中，至少一個備用切削齒18'設在其上安裝有各 個備用切削齒18'的每個刀片14的錐形區域(通常表示為98)內、在 鼻形區域(通常表示為100)內、或者在刻度(gage)區域(通常表 示為102)內。在一些實施例中，備用切削齒18'可構造成相對主切削 件18相對暴露不足。換句話說，備用切削齒18'可以從刀片14的面 20向外延伸的距離小於位於同一刀片上向前旋轉的主切削齒18從該 刀片14的面20向外延伸的距離。在另外的實施例中，備用切削齒18' 可以構造成相對主切削件18相對過度暴露、或者具有相對主切削件 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於或大於位於同一刀片上向前旋轉的主切削齒18從該刀片14的面20向外延伸的距離。
根據本發明製造具有鋼本體和六個刀片的旋轉鑽頭。以前述的與 參照圖5A-5F的切削齒插入件50和備用切削齒18'相關的基本類似的 方式，使用切削齒插入件在刀片肩部區域中將兩到三個備用切削齒固 定到每個刀片上的鑽頭面上。然後，使用鑽頭進行四次試運行，在兩 種不同的地下地層中的每一種中進行其中兩次試運行。試運行包括鑽 井眼孔和和為先前鑽好的井眼孔擴孔。進行的四次試運行的操作參數 為最大鑽壓(WOB)範圍為從大約66,723牛頓到大約133,447牛頓(從 大約15,000磅到大約30,000磅)、最大轉據範圍為從大約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)、 最大鑽進速度(ROP )在大約30.5米/小時到大約76.0米/小時之間(大 約100英尺/小時到大約250英尺/小時之間)。
在進行試運行之後，用視覺和藉助磁粉檢測(MPI)方法檢測備 用切削齒，以便確定備用切削齒和切削齒插入件是否經歷了不可接受 的磨損量。備用切削齒和切削齒插入件未出現不可接受的磨損量。如 上所述，本發明可以便於在具有剛本體的旋轉鑽頭上使用備用切削齒， 其可以便於製造呈現改進的耐久性和/或穩定性的剛本體旋轉鑽頭。
如上所討論的，本發明具有與具有包括鋼的鑽頭本體的旋轉鑽頭 相關的實用性。最近，用於形成具有包括顆粒基複合材料的鑽頭本體 的旋轉鑽頭的新方法經過努力已經開發出，從而改進了 土鑽旋轉鑽頭 的性能和耐久性。這種方法已經在2005年11月10日提交的未決美國 專利申請11/271,153和也在2005年11月10日提交的未決美國專利申 請11/272,439中公開。
與傳統的滲透方法相比(其中，硬質顆粒(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，這些新方法 通常涉及壓制粉末混合物以形成粉末壓實的生坯，並且燒結該粉末壓 實的生坯以形成鑽頭本體。如必要的或希望的，可以在燒結粉末壓實 的生坯之前，使用與那些用於形成鋼鑽頭本體相同的傳統機械加工技 術對其進行機械加工。此外，在將粉末壓實的生坯燒結為部分燒結的部分燒結(brown)狀態之後、和/或在將粉末壓實的生坯燒結為想要 的最終密度之後，可以進行另外的機械加工過程。例如，希望在鑽頭 本體處於生坯、部分燒結、或完全燒結狀態時，在用這種方法形成的 鑽頭的一個或多個刀片14上機械加工備用切削齒18'(圖1)的凹窩 22'。然而，由於鋼本體鑽頭，幹涉問題可能阻止形成希望的凹窩22'。 因此，本發明的實施例還可用於將備用切削齒18'固定到具有包括顆粒 基複合材料的鑽頭本體的鑽頭面上。
通過實例的方式但不局限於此，如圖5A-5B所示的切削齒插入件 凹槽70可以設在包括處於生坯、部分燒結、或完全燒結狀態的顆粒基 複合材料的刀片14的面20中。可選地，與圖5C所示類似的定位銷 凹槽72也可以設在刀片14中。然後，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，如圖5D所示。在一 些實施例中，切削齒插入件50通過共同燒結刀片14(或鑽頭本體) 和切削齒插入件50而固定到刀片14上。在這種實施例中，當切削齒 插入件50位於切削齒插入件凹槽22內時，切削齒插入件50可以包括 生坯或部分燒結結構，而且當切削齒插入件50與刀片14一起共同燒 結並且固定到所述刀片14上時，切削齒插入件50可以被燒結到希望 的最終密度。在另外的實施例中，在將切削齒插入件50定位於切削齒 插入件凹槽70內之前，切削齒插入件50可以具有希望的最終密度。 在另外的實施例中，可以直到刀片14和鑽頭本體已經燒結到希望的最 終密度後，將切削齒插入件50插入切削齒插入件凹槽70中。然後， 備用切削齒18'可以被插入並固定在切削齒插入件50的切削齒凹槽54 內，如前根據圖5F所述的一樣。
雖然在此根據某些優選實施例已對本發明進行了描述，所述領域 的技術人員將意識到且理解本發明不限於此。而是在不偏離如下文權 利要求書所提出的本發明的範圍的情況下，可以對優選實施例進行添 加、刪除和修改。另外，如發明人所預期的， 一個實施例的特徵與另 一個實施例的特徵相結合仍包含在本發明的範圍內。更進一步地，本 發明對於不同和各種鑽頭輪廓以及切削齒類型和構造都具有實用性。
權利要求
1. 一種用於固定切削齒旋轉鑽頭的切削齒插入件，所述切削齒插入件包括細長的切削齒插入件本體，所述切削齒插入件本體具有用於在其中限定切削齒凹槽的至少一個表面，所述切削齒凹槽沿著相對切削齒插入件本體的縱軸線成小於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. 根據權利要求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 交並從該平坦表面處延伸。
3. 根據權利要求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於切削齒插入件本體的縱軸線成小於90度的銳 角定向。
4. 根據權利要求3所述的切削齒插入件，其中，細長的切削齒插 入件本體基本上為圓筒形並且包括在兩個基本為平面的端表面之間延 伸的基本上圓筒形的橫向側表面。
5. 根據權利要求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表面包括至少一個部分圓筒形表 面。
6. 根據權利要求1所述的切削齒插入件，其中，切削齒插入件包 括構造成便於將切削齒插入件旋轉定位在旋轉鑽頭面上的至少 一個定 位特徵。
7. —種用於鑽地下地層的固定切削齒旋轉鑽頭，所述鑽頭包括 鑽頭本體，其包括在其面上延伸的多個刀片，每一個刀片包括鄰近每個刀片的前邊緣的、且被構造成在其中接收主切削件的多個主切 削齒凹窩；至少一個切削齒插入件，所述切削齒插入件附連到所述多個刀片的刀片上並處於插入件凹槽內，所述插入件凹槽延伸到旋轉到所述多 個主切削齒凹窩後面的刀片的面中，所述至少 一個切削齒插入件包括 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 一個表面，所述切削齒凹槽構造成在其中接收備用切削件的至少 一部分。
8. 根據權利要求7所述的旋轉鑽頭，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並從該平坦表面處延伸。
9. 根據權利要求8所述的旋轉鑽頭，其中，切削齒插入件本體的 平坦表面以相對切削齒插入件本體的縱軸線成小於90度的銳角定向。
10. 根據權利要求9所述的旋轉鑽頭，其中，所述切削齒插入件 包括細長的切削齒插入件本體，所述切削齒凹槽沿著相對於細長切削 齒插入件本體的縱軸成小於90度的銳角定向的凹槽軸線延伸到所述 細長切削齒插入件本體中。
11. 根據權利要求7所述的旋轉鑽頭，其中，所述至少一個切削 齒插入件附連到多個刀片的刀片上，使得切削齒插入件本體的縱軸線 基本上垂直於刀片的面定向。
12. 根據權利要求11所述的旋轉鑽頭，其中，所述至少一個切削 齒插入件和刀片組合構造而成，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傾角。
13. 根據權利要求7所述的旋轉鑽頭，還包括至少一個備用切削 件，該至少 一個備用切削件至少部分地設在所述至少 一個切削齒插入 件的切削齒凹槽內。
14. 根據權利要求13所述的旋轉鑽頭，其中，所述至少一個備用 切削件主要地直接結合到切削齒凹槽內的至少一個切削齒插入件上。
15. —種用於製造固定切削齒旋轉鑽頭的方法，所述方法包括 提供包括多個刀片的鑽頭本體，所述多個刀片中的每一個具有面； 在多個刀片的至少一個刀片的面中、在旋轉到構造成在其中接收主切削齒的所述至少一個刀片的切削齒凹窩後面的位置處形成至少一個切削齒插入件凹槽；提供至少 一 個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 一個表面，所述切削 齒凹槽構造成在其中接收備用切削件的至少 一部分；將至少 一個切削齒插入件至少部分地固定在至少 一個切削齒插入 件凹槽內；以及將至少一個備用切削齒至少部分地固定在所述至少一個切削齒插 入件的切削齒凹槽內。
16.根據權利要求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並從 該平坦表面處延伸，平面表面和弓形表面中的每一個至少部分地限定 所述切削齒凹槽。
17. 根據權利要求16所述的方法，還包括使切削齒插入件本體的 平坦表面相對於切削齒插入件本體的縱軸線成小於90度的銳角定向。
18. 根據權利要求15所述的方法，其中，提供包括切削齒插入件 本體的至少 一個切削齒插入件的步驟包括將切削齒插入件本體形成為細長形；以及槽軸線對中切削齒凹槽，所述凹槽軸線相對於細長切削齒插入件本體 的縱軸線成小於90度的銳角定向。
19. 根據權利要求15所述的方法，其中，在至少一個刀片的面中 形成至少一個切削齒插入件凹槽的步驟包括對在至少一個刀片的面中 的至少 一個基本上圓筒形切削齒插入件凹槽進行機械加工。
20. 根據權利要求19所述的方法，其中，對在至少一個刀片的面 中的至少 一個基本上圓筒形切削齒插入件凹槽進行機械加工的步驟包括基本上沿著方向基本上垂直於至少一個刀片的面的鑽軸、在至少一 個刀片的面與鑽軸相交處在至少一個刀片的面中鑽孔。
全文摘要
一種旋轉鑽頭的切削齒插入件包括具有構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)。一種用於鑽地下地層的旋轉鑽頭包括附連到刀片(14)上的至少一個所述切削齒插入件，其旋轉到主切削齒的切削齒凹窩的後面。一種用於製造所述鑽頭的方法包括提供具有多個刀片(14)的鑽頭本體(12)。切削齒插入件(50)被提供並固定在形成在刀片(14)面中的切削齒插入件凹槽(54)內。備用切削齒(18)固定在切削齒插入件的切削齒凹槽(54)內。
文檔編號E21B10/573GK101427000SQ200780014274
公開日2009年5月6日 申請日期2007年2月21日 優先權日2006年2月23日
發明者T·施韋費, T·甘茨 申請人:貝克休斯公司