CN101037928B - 具有穿过相关支承臂的岩屑流路的滚子牙轮钻头 - Google Patents

Abstract

一种包括钻头体的滚子牙轮钻头，该钻头体具有从其伸出的至少一个支承臂。每个支承臂可以具有内表面和外表面，其中相关心轴从内表面向内伸出。各个牙轮组件可旋转地布置在每个心轴上。可以在每个牙轮组件的内部部分和相关心轴的外部部分之间形成间隙，其中流体密封件布置在该间隙内以阻止通过其的流体流。每个牙轮组件可以包括与相关支承臂的内表面相邻布置的大体圆形背面。至少一个流体通路可以延伸穿过每个支承臂，以允许从支承臂的内表面到外表面的流体连通。可以在每个流体通路内布置具有大体中空腔的岩屑转移插入件。

Description

具有穿过相关支承臂的岩屑流路的滚子牙轮钻头

相关申请

本申请要求享有2006年2月21日递交的题为“Roller Cone DrillBit with Debris Flow Paths Through Associated Support Arms”、申请序列号为60/775,732的临时专利申请的优先权。

技术领域

本发明涉及一种用于在地下地层中形成井孔的滚子牙轮钻头(roller cone drill bit)，更具体而言，涉及一种滚子牙轮钻头，其通过将页岩、地层切削物和其它类型的井下岩屑转移离开流体密封件和相关轴承结构而提高了对这些流体密封件和轴承系统的保护。

背景技术

以前已经使用很多种滚子牙轮和旋转牙轮钻头在地下地层中形成井孔或孔眼。滚子牙轮钻头一般包括至少一个支承臂并常常包括三个支承臂。牙轮组件可以可旋转地安装在从各个支承臂的内表面向内伸出的心轴或轴颈上。一般在各支承臂和相关牙轮组件的相邻部分之间设置小的间隙，以允许在钻井时牙轮组件相对于各支承臂和心轴旋转。

对允许牙轮组件相对于相关支承臂和心轴旋转的轴承和有关支承结构的保护可以延长相关滚子牙轮钻头的寿命。一旦允许井下岩屑渗透到牙轮组件的轴承表面和相关心轴之间，一般在此之后很短时间内钻头就发生故障。已经使用各种机构和技术来防止岩屑接触这些轴承表面。

一种典型的方法是在各个牙轮组件和相关心轴的相邻部分之间形成的间隙中安装流体密封件。这种流体密封件保持轴承和相关支承结构中的润滑，并防止页岩、地层切削物和其它类型的井下岩屑侵入。一旦流体密封件出现故障，则井下岩屑可能很快经由间隙污染轴承表面。于是，重要的是还要保护流体密封件不受由井下岩屑导致的损害。

以前使用了各种方法来保护滚子牙轮钻头中的流体密封件免受井下岩屑的影响。一种方法是在钻头的外部部分上的各个牙轮组件和相关支承臂之间形成的间隙的相对两侧上安装表面加硬层(hardfacing)和/或耐磨球齿(wear button)。表面加硬层和耐磨球齿一般会减慢与这些间隙相邻的金属的腐蚀，从而延长在相关流体密封件可能暴露到井下岩屑之前的井下钻孔时间。另一种方法是形成与各个间隙紧邻而导向相关流体密封件的曲折的流体流路。曲折的流体流路允许牙轮组件相对于相关心轴的旋转，但井下岩屑经常难以跟随该流路。

已经在与相关牙轮组件的多个部分紧邻的支承臂内表面上安装了各种岩屑转移塞，有时称为“页岩去除嵌入件(shale burn compact)”或“页岩去除塞”。这种转移塞可以阻止或引导含井下岩屑的流体离开相关流体密封件。另外，在与相关切削牙轮组件相邻的支承臂内表面中形成岩屑转移槽，有时称为“页岩转移槽”。这种转移槽可以引导含井下岩屑的流体离开相关流体密封件。

发明内容

根据本发明的教导，可以减少或消除与现有滚子牙轮钻头有关的各种缺点和问题。本发明的一个方面可以包括通过消除或减少与滚子牙轮钻头相关流体密封件接触的页岩、地层切削物和其它类型井下岩屑的量来延长这些流体密封件的井下钻孔寿命。结合本发明教导的滚子牙轮钻头可以包括一个或多个支承臂，流体流路延伸穿过所述支承臂以将含页岩、地层切削物和其它类型井下岩屑的流体引导离开相关流体密封件。

对于某些实施例，一个或多个页岩去除释出孔或岩屑释出孔可以形成在滚子牙轮钻头的一个或多个支承臂中并延伸穿过所述支承臂。中空的页岩去除插入件(shale burn insert)或中空的岩屑插入件(debris insert)可以布置在每个释出孔内，以改善从与相关流体密封件的可能接触处除去页岩、地层切削物和任何其它的井下岩屑。中空的岩屑插入件可以用各种耐磨材料形成，包括但不限于硬质合金。岩屑释出孔和相关的插入件可以与相关支承臂的前缘、后缘或者前缘和后缘两者相邻布置。

对于某些应用，延伸穿过岩屑插入件的流体流路的直径可以近似等于从岩屑插入件延伸的岩屑释出孔的直径。对于其它应用，岩屑插入件中流体流路的直径可以大于从岩屑插入件延伸的岩屑释出孔的直径。对于另外的应用，岩屑插入件中流体流路的直径可以小于从岩屑插入件延伸的岩屑释出孔的直径。可以满意地使用具有各种构造和横截面的岩屑插入件，这些横截面包括但不限于三角形、矩形、方形、圆形、卵形、椭圆形、圆柱形和锥形。

本发明的一个方面包括优化一个或多个岩屑释出孔和相关岩屑插入件的位置和构造，以大大减少可以接触相关流体密封件的岩屑的量。减少可以抵靠着相关流体密封件“堆积”或与其接触的岩屑的量可以防止这种堆积的岩屑对流体密封件施加超过相关设计极限的压力。

对于某些应用，岩屑插入件可以安装到与相关岩屑释出孔偏移的支承臂中。对于其它应用，岩屑插入件可以形成有切口或改变的入口以便于增加流量的岩屑通过相关流体流路。对于另外的应用，可以在岩屑插入件上形成帽盖或覆盖物，并与其相邻形成开口以与相关的流体流路连通。可以对岩屑释出孔和/或岩屑插入件的多个部分涂覆各种耐磨损的涂层。这种涂层的示例包括但不限于渗氮离子、渗氮钛和金刚石气相沉积。

对于某些应用，流体流路或岩屑释出孔可以从支承臂的第一表面即内表面延伸到支承臂的第二表面即外表面。可以在支承臂的第二表面即外表面中形成与流体流路相邻且与流体流路连通的槽或沟道，以允许增加流量的含页岩、地层切削物和其它类型井下岩屑的流体通过流体流路。

本发明的技术优点可以包括提供了具有至少一个支承臂的滚子牙轮钻头，其中至少一个预定流体流路从第一表面即内表面到第二表面即外表面延伸穿过每个支承臂。该预定流体流路可以通过将含页岩、地层切削物和其它类型井下岩屑的流体转移离开流体密封件，而提高对相关流体密封件和轴承结构的保护。对流体密封件的保护通常将增加相关滚子牙轮钻头的井下钻井寿命。

附图说明

通过参考下面的说明并结合附图，可以对本实施例及其优点获得更全面和透彻的理解，其中相同的标号代表相同的特征，并且其中：

图1A是多个部分剖开的正剖视示意图，示出可以由结合本发明教导的滚子牙轮钻头形成的井孔的示例；

图1B是多个部分剖开的正剖视示意图，示出可以与井孔的底部相邻的图1A的钻柱和附装的滚子牙轮钻头；

图2是示出结合本发明教导的滚子牙轮钻头的正视示意图；

图3是多个部分剖开的局部剖开且局部正视的示意图，示出结合本发明教导的支承臂和牙轮组件；

图4的示意图示出结合本发明教导的支承臂的多个部分剖开的正剖视等轴测视图；

图5A是示出图4的支承臂的多个部分剖开的等轴测视图的示意图，其中根据本发明的教导岩屑释出孔和插入件布置在第一位置；

图5B是示出图4的支承臂的多个部分剖开的等轴测视图的示意图，其中根据本发明的教导岩屑释出孔和岩屑插入件布置在第二位置；

图5C是示出图4的支承臂的多个部分剖开的等轴测视图的示意图，其中根据本发明的教导第一岩屑插入件、第二岩屑插入件和相关的岩屑释出孔布置在各自的位置上；

图6A是示出岩屑插入件和延伸穿过支承臂的相关流体流路的多个部分的剖视示意图；

图6B是根据本发明的教导具有另一构造的岩屑插入件和相关流体流路的剖视示意图；

图7A-7F是示出根据本发明的教导可以安装在延伸穿过支承臂的流体流路中的岩屑插入件的各种构造的等轴测视图的示意图；

图8A是多个部分剖开的剖视示意图，示出岩屑插入件和延伸穿过支承臂的相关流体流路的另一布置；

图8B是沿着图8A的线8B-8B所取的多个部分剖开的剖视示意图；

图9A是多个部分剖开的剖视示意图，示出根据本发明的教导具有延伸穿过支承臂的岩屑释出孔的支承臂的等轴测视图；以及

图9B是多个部分剖开的剖视示意图，示出根据本发明的教导的图9A的支承臂的外表面，其中用于释出孔的出口形成在该外表面中。

具体实施方式

通过参考图1A-9B，更容易理解优选实施例及其优点，其中相同的标号表示相同和类似的零件。

术语“岩屑”可以在本申请中用来指与使用滚子牙轮钻头在地下地层中形成井孔有关的任何类型的物质，例如但不限于地层切削物、页岩、磨粒或其它类型的井下岩屑。

术语“牙轮组件”可以在本申请中用于包括可旋转地安装到支承臂的各种类型和形状的滚子牙轮组件和切削牙轮组件。牙轮组件还可以称为“滚子牙轮”或“切削牙轮”。牙轮组件可以具有大体锥形的外形或可以具有更圆的外形。与滚子牙轮钻头相关的牙轮组件一般向着彼此指向内。对于某些应用，例如仅有一个牙轮组件的滚子牙轮钻头，牙轮组件可以具有接近于大体球形构造的外形。

术语“切削元件”可以在本申请中用于包括各种能用于滚子牙轮钻头的嵌入件、插入件、铣齿和焊接嵌入件。术语“切削结构”可以用于本申请，包括在一个或多个滚子牙轮钻头的牙轮组件上形成或在该牙轮组件上附装的多个切削元件的各种组合和布置。

术语“轴承结构”可以在本申请中用于包括能将牙轮组件可旋转地安装在支承臂上的任何合适的轴承、轴承系统和/或支承结构。例如，“轴承结构”可以包括内外座圈和衬套元件以形成轴颈轴承、滚柱轴承(包括但不限于滚柱-滚珠-滚柱-滚柱轴承、滚柱-滚珠-滚柱轴承、以及滚柱-滚珠-摩擦轴承)或各种整体轴承。此外，轴承结构可以包括用于将牙轮组件可旋转地安装到支承臂的界面元件，例如衬套、滚柱、滚珠和硬化材料区域。

术语“心轴”可以在本申请中用于包括能将牙轮组件可旋转地安装在支承臂上的任何合适的轴颈、轴、轴承销或结构。轴承结构通常布置在牙轮组件和心轴的相邻部分之间，以使得牙轮组件能够相对于心轴和相关支承臂旋转。

术语“流体密封件”可以在本申请中用于包括能在牙轮组件和心轴的相邻部分之间形成流体阻隔的任何类型的密封件、密封环、保护环(backup ring)、弹性密封件、密封组件或任何其它部件。与滚子牙轮钻头相关的流体密封件的示例包括但不限于O形环、填密环以及金属-金属密封件。流体密封件可以布置在密封槽或密封压盖中。

术语“岩屑释出孔”可以在本申请中用于包括在支承臂的内表面和支承臂的外表面之间延伸的页岩去除释出孔或者任何类型的孔或流体流路，该孔可操作以允许含岩屑的流体从支承臂的内表面流动到支承臂的外表面。

术语“滚子牙轮钻头”可以在本申请中用于描述具有其上可旋转地安装有牙轮组件的至少一个支承臂的任何类型的钻头。滚子牙轮钻头有时可以称为“旋转牙轮钻头”、“切削牙轮钻头”或“旋转岩石钻头”。滚子牙轮钻头通常包括钻头体，从该钻头体伸出三个支承臂，并且在各个支承臂上可旋转地安装有各自的牙轮组件。这种钻头也可以称为“三牙轮钻头”。但是，本发明的教导可以令人满意地用于具有一个支承臂、两个支承臂或任何其它数目的支承臂以及相关牙轮组件的钻头。

图1A是多个部分剖开的正剖视示意图，示出可以由结合本发明教导的滚子牙轮钻头形成的井孔或孔眼的示例。本发明的各个方面可以参照位于井面22处的钻机20进行描述。各种钻井设备如转台、泥泵和泥罐(未明确示出)可以位于井面22处。钻机20可以具有与“陆地钻机”有关的各种特性和特征。但是，结合本发明教导的滚子牙轮钻头可以满意地用于位于海上平台、钻井船、半潜式钻井船(未明确示出)上的钻井设备。

如图1A、1B和2所示的滚子牙轮钻头40可以附装在从井面22延伸的钻柱24的末端。诸如钻头40的滚子牙轮钻头一般通过粉碎或穿透地层以及使用切削元件刮擦或剪切来自井孔底部的地层物质而形成井孔，所述切削元件常常产生高浓度的精细磨粒。

钻柱24可以对滚子牙轮钻头40施加重量并使其旋转以形成井孔30。滚子牙轮钻头40的旋转轴线46有时可以称为“钻头旋转轴线”。参见图2。相关钻柱25的重量(有时称为“钻头上的重量”)一般将沿着钻头旋转轴线46施加到滚子牙轮钻头40。

对于某些应用，还可以使用各种类型的井下电机(未明确示出)来使结合有本发明教导的滚子牙轮钻头旋转。本发明并不限于与传统钻柱相关的滚子牙轮钻头。

钻柱24可以用多段大体中空、管状的钻井管(未明确示出)形成或用其接合形成。钻柱24还可以包括用很多个部件形成的底孔组件26。例如可以从包括但不限于钻环、旋转转向工具、定向钻井工具和/或井下钻井电机的组中选择部件26a、26b和26c。诸如钻环之类的部件的数量以及底孔组件中部件的不同类型将取决于预期的井下钻井条件以及将由钻柱24和滚子牙轮钻头40形成的井孔的类型。

滚子牙轮钻头40可以在钻柱24与井面22相反的末端处附装到底孔组件26。底孔组件26一般将具有与钻柱24的其它部分相容的外径。钻柱24和滚子牙轮钻头40可以用于形成各种井孔和/或孔眼。例如，图1A以虚线示出的水平井孔30a可以使用钻柱24和滚子牙轮钻头40形成。水平井孔通常在“白垩”地层和其它类型的页岩地层中形成。滚子牙轮钻头40与白垩或页岩式地层之间的相互作用可以产生大量精细的高磨粒和其它类型的井下岩屑。

由从井面22延伸到所选井下位置的套管柱(casing string)32可以部分限定形成井孔30。如图1A和1B所示，井孔30的其余部分可以称为“开放孔”(没有套管)。钻井流体可以从井面22通过钻柱24泵送到附装的滚子牙轮钻头40。钻井流体可以通过由钻柱24的外径25和井孔30的内径31部分限定形成的环部34循环回到井面22。内径31也可以称为井孔30的“侧壁”。对于某些应用，环部34也可以由钻柱24的外径25和套管柱32的内径33限定形成。

可以基于与滚子牙轮钻头40有关的设计特性、所钻的各个井下地层的预期特性、以及由与井孔30相邻的一个或多个井下地层产生的任何碳氢化合物或其它流体来选择用于形成井孔30的钻井流体的类型。钻井流体可以用于将地层切削物和其它井下岩屑(未明确示出)从井孔30移除到井面22。地层切削物可以由滚子牙轮钻头40与井孔30的末端36接合形成。末端36有时可以称为“底孔”36。地层切削物也可以由滚子牙轮钻头40与水平井孔30a的末端36a接合形成。钻井流体可以通过剥离、磨蚀和/或腐蚀井下地层38的相邻部分而帮助形成井孔30和/或30a。结果，在井孔30的末端36处围绕滚子牙轮钻头40的钻井流体可以具有高浓度的精细磨粒和其它类型的岩屑。

钻井流体通常通过在井孔30内保持所期望的流体压力平衡而用于井控制。一般选择钻井流体的重量或密度以防止从相邻的井下地层到相关井孔中的不期望流体流，并防止从井孔到相邻的井下地层中的不期望流体流。可以使用各种添加剂来调节钻井流体的重量或密度。这种添加剂和/或所得到的钻井流体有时可以称为“钻井泥浆”。用于形成钻井泥浆的添加剂可以包括能够损害相关滚子牙轮钻头的流体密封件和轴承结构的小磨粒。有时钻井流体中的添加剂(泥浆)可以在滚子牙轮钻头的一个或多个表面上聚集或粘附到其上。

钻井流体还可以为与井孔相邻的地层物质提供化学稳定性，并可以防止或最小化钻柱、底孔组件和/或附装的旋转钻头的腐蚀。钻井流体还可以用于清洁、冷却和润滑与滚子牙轮钻头40相关的切削元件、切削结构和其它部件。

滚子牙轮钻头40可以包括钻头体42，该钻头体具有可用于将滚子牙轮钻头40附装到钻柱24的锥形外螺纹上部44。很多种螺纹连接可以令人满意地用于将滚子牙轮钻头40附装到钻柱24，并允许滚子牙轮钻头40响应于井面22处钻柱24的旋转而旋转。

可以与上部42相邻形成加大的腔(未明确示出)以接纳来自钻柱24的钻井流体。可以引导这种钻井流体以从钻柱24流到设置在滚子牙轮钻头40中的各个喷嘴150。可以在钻头体42中形成多个钻井流体通道(未明确示出)。每个钻井流体通道可以从相关加大腔延伸到钻头体42中形成的各个容器48。可以基于喷嘴150相对于相关牙轮组件90的期望位置来选择容器48的位置。

由滚子牙轮钻头40形成的地层切削物和井孔30的末端36处的任何其它井下岩屑将与从喷嘴150出来的钻井流体混合。钻井流体、地层切削物和其它井下岩屑的混合物将大体从滚子牙轮钻头40下方沿径向向外流动，并随后向上通过环部34流到井面22。

在钻柱24使滚子牙轮钻头40旋转时，滚子牙轮钻头40、钻头体42、支承臂50和相关牙轮组件90可以基本上由钻井流体、地层切削物和其它井下岩屑的混合物覆盖或浸入其中。此钻井流体、地层切削物和/或地层流体的混合物可以包括高磨损物质。

钻头体42可以由三段形成，这三段分别包括从其伸出的各自的支承臂50。这些段可以使用传统技术彼此焊接以形成钻头体42。在图1A、1B和2中仅仅示出了两个支承臂50。

每个支承臂50可以大体描述为具有由内表面52和外表面54部分限定形成的细长构造。每个支承臂50可以包括从相关内表面52向内伸出的各自的心轴70。每个支承臂50还可以包括在与钻头体42间隔开的各自末端60处结束的前缘56和后缘58。

与相关心轴70相反的外表面54的多个部分有时可以称为每个支承臂50的“牙轮爪背(shirt tail)”或“牙轮爪背表面”。每个支承臂50的与各自末端60相邻的外部部分有时可以称为“牙轮爪背端头”。每个支承臂50的内表面52和外表面54大体沿着前缘56、后缘58和各自末端60彼此邻接。

心轴70可以相对于相关内表面52向下且向内倾斜。结果，当滚子牙轮钻头40由钻柱24旋转时，每个牙轮组件90的外部部分可以与井孔30的底部或末端36接合。对于某些应用，心轴70可以在滚子牙轮钻头40的旋转方向上倾斜0到3或4度的角度。

牙轮组件90可以可旋转地安装在从每个支承臂50伸出的各自心轴70上。每个牙轮组件90可以包括各自的旋转轴线100，该轴线以大体与相关心轴70和支承臂50之间的角度关系对应的角度延伸。每个牙轮组件90的旋转轴线100大体与相关心轴70的纵向中心线或纵向轴线对应。每个牙轮组件90的旋转轴线可以相对于滚子牙轮钻头40的纵向轴线或旋转轴线46偏移。参见图2。

各种保持系统和锁定系统可以满意地用于使每个牙轮组件90与相关心轴70可靠地接合。对于某些应用，可以形成从外表面54穿过相关心轴70延伸的滚珠通道(未明确示出)。通过穿过相关滚珠通道插入多个滚珠轴承78可以将每个牙轮组件90保持在相关心轴70上。滚珠轴承78可以布置在各自滚珠座圈76和106内，这些座圈形成在相关牙轮组件90的心轴70和腔102的相邻部分上。还可以将滚珠保持塞(未明确示出)插入滚珠通道中。一旦插入，滚珠轴承78与滚珠座圈76和106彼此配合来防止牙轮组件90与相关心轴70脱离。

对于某些应用，多个嵌入件92可以布置在与每个牙轮组件90的背面94相邻的定距表面(gage surface)93中。背面94有时可以称为相关牙轮组件90的“底座”。嵌入件92可以布置在有时称为“切削牙轮定距表面”的大体截头锥形表面93中。与相关牙轮组件90的外壳或前端的较大锥形表面相比，定距表面93可以在相对于背面94的相反方向上倾斜。嵌入件92可以减少与间隙62相邻的定距表面93的磨损。

每个牙轮组件90还可以包括多个切削元件96，这些切削元件96在相关牙轮背面94和牙轮端头98之间布置在每个牙轮组件90的外部上所形成的各排中。一个定距排的切削元件96可以与每个牙轮组件90的背面94相邻布置。该定距排有时可以称为“第一排”插入件。

嵌入件92和切削元件96可以用很多种材料形成，例如硬质合金(tungsten carbide)。术语“硬质合金”包括碳化钨(WC)、碳化二钨(W₂C)、粗结晶硬质合金以及渗碳或烧结硬质合金。满意地用于形成嵌入件92和切削元件96的硬质材料的示例可以包括各种金属合金和金属陶瓷，例如金属硼化物、金属碳化物、金属氧化物和金属氮化物。对于某些应用，嵌入件92和/或插入件96可以用聚晶金刚石类材料或其它合适的硬质耐磨材料形成。

切削元件96可以响应于由钻柱24施加到滚子牙轮钻头40的重量和旋转而刮刨井孔30的侧部和底部。井孔30的内径或侧壁31近似对应于附装到滚子牙轮钻头40上的牙轮组件90的组合外径。

切削元件96在每个牙轮组件90上的位置可以改变以提供所期望的井下钻井作用。其它类型的牙轮组件可以满意地用于本发明，包括但不限于具有铣齿(未明确示出)来代替切削元件96的牙轮组件。

各种轴承结构可以用于将每个牙轮组件90可旋转地安装到相关心轴70上。例如，每个心轴70可以包括大体圆柱形的外表面例如轴承表面74。每个牙轮组件90可以包括从相关背面94向内延伸的各自的腔102。每个腔102可以包括大体圆柱形的内表面例如轴承表面104。每个腔102的圆柱形部分的各自的内径一般可以大于心轴70的相邻圆柱形部分的外径。

选择每个腔102的内径与相关心轴70的外径之间的偏差，以容纳相关的轴承结构并允许每个牙轮组件90相对于相关心轴70和支承臂50的相邻部分旋转。轴承表面74的外径与轴承表面104的内径之间的实际差可以相对较小，以相对于相关心轴70对每个牙轮组件90提供所期望的轴承支承或旋转支承。

轴承表面74和104支承由牙轮组件90相对于相关心轴70的旋转而产生的径向载荷。可以在心轴70上滚珠座圈76和导轴承表面84之间形成止推凸缘82。止推凸缘82通常支承由滚子牙轮钻头40上的重量和牙轮组件90相对于相关心轴70的旋转所产生的轴向载荷。对于某些应用，还可以在每个牙轮组件90的腔102中的心轴70的与相关支承臂50相反的末端处设置止推盘(thrust button)或止推轴承80。

可以在心轴70的外部部分与相关牙轮组件90的腔102的内部部分之间形成大体圆柱形的间隙。该大体圆柱形的间隙可以由相邻的轴承表面74和104部分限定形成。该大体圆柱形的间隙还可以包括心轴70和腔102与流体密封件108相邻的段。

通常在支承臂的与相关心轴相邻并从其延伸的内表面上形成一个或多个机加工表面。对于图3、4、5A、5B、5C、8A、8B和9A所示的实施例，每个支承臂50、50a、50b、50e和50f可以描述为具有从相关心轴70径向延伸的各自的机加工表面64。机加工表面64可以紧接着相关支承臂50、50a、50b、50c、50d、50e和50f的前缘56、后缘58和牙轮爪背端头60结束。

如图3所示，可以在牙轮背面94与机加工表面64的相邻部分之间形成间隙62，该机加工表面64在相关支承臂50的内表面52上形成。间隙62有时可以大体称为“间隔空隙”。间隙62允许每个牙轮组件90相对于相关支承臂50的机加工表面64进行旋转。间隙62还从在心轴70的外部部分和相关牙轮组件90的腔102的内部部分之间形成的大体圆柱形间隙延伸，并与该大体圆柱形间隙连通。

每个支承臂50可以包括润滑剂系统(未明确示出)，该润滑剂系统具有润滑剂储存器、润滑剂压力补偿器以及一个或多个润滑剂通道，以向相关心轴70和牙轮组件90的各个部件提供润滑。可以在心轴70内设置一个或多个通道86，以向轴承表面74和104、滚珠座圈76和106和/或止推凸缘82提供润滑。

可以设置一个或多个流体密封件以阻止通过大体圆柱形间隙的流体连通，该间隙在心轴70的外部部分和相关牙轮组件90的腔102的内部部分之间形成。如图3所示，流体密封件108可以与位于轴承表面74及104和机加工表面64之间的腔102的内部部分以及心轴70的外部部分接合，该机加工表面64在相关支承臂50的内表面52上形成。对于某些应用，流体密封件108可以包括布置在密封压盖中的填料或密封环。

流体密封件108可以用于阻止钻井流体和任何其它含岩屑的流体流与轴承表面74、104以及滚珠座圈76和106连通。流体密封件108还可以形成流体阻隔以防止腔102和心轴70之间所含的润滑剂流出。流体密封件108保护相关的轴承结构不损失润滑剂且不受岩屑的污染，从而延长了滚子牙轮钻头40的钻井寿命。

含地层切削物和其它类型井下岩屑的钻井流体可以进入在支承臂50的机加工表面64和相关牙轮组件90的背面94之间形成的间隙62中。牙轮组件90的旋转通常导致迫使(泵送)来自间隙62的钻井流体或其它含岩屑的流体进入大体圆柱形的间隙，该大体圆柱形的间隙在支承臂50的心轴70和相关牙轮组件90之间形成。如图4-5C和8A-9A所示的箭头91表示牙轮组件90相对于心轴70和相关机加工表面64的总体旋转方向。

这种流体的运动通常可以导致岩屑抵靠着相关流体密封件108堆积，从而使岩屑形成基本固体的一层或多层。该层或多层岩屑可以迫使流体密封件108在相关的密封件压盖(未明确示出)中轴向运动，直到流体密封件108到达密封件压盖的末端，在该末端处持续施加的力(岩屑的堆积)可能使流体密封件108上的压力增大而超出相关密封件材料的设计范围。

对于某些应用，可以在内表面52中形成从支承臂50的前缘56延伸到后缘58的转移槽120。与在背面94和机加工表面64的相邻部分之间形成的相对较小的间隙62相比，转移槽120可以提供具有相对较大的流体流动面积的流体流路。结果，转移槽120一般会将钻井流体和任何其它含岩屑的流体转移或引导离开相关的流体密封件108。

本发明的一个方面可以包括提供从支承臂的内表面延伸到该支承臂的外表面的流体流路，以钻井流体和其它含岩屑的流体转移或引导离开相关的流体密封件。这种流体流路有时可以称为“岩屑释出孔”、“页岩去除释出孔”或“释出孔”。

本发明的另一方面可以包括在从支承臂的内表面延伸到该支承臂的外表面的流体流路中安装转移插入件。每个转移插入件可以包括延伸穿过其的中空孔，以使含岩屑的流体与相关的流体流路连通。如下面更详细讨论的，结合本发明教导的转移插入件可以提高钻井流体和其它含岩屑的流体通过相关流体流路并离开相关流体密封件的流动。这种流体流路和岩屑插入件的示例在图4A-10B中示出。

图3-6B和8A-9B所示的支承臂可以具有相似的构造和尺寸，除了相关的流体流路170和岩屑插入件190。但是，结合本发明教导的流体流路和岩屑插入件可以用于很多种支承臂、牙轮组件和相关的滚子牙轮钻头。为了描述本发明的各个特征，各个支承臂被标为50和50a-50f。

如图3-5C和图8A-9B所示的每个支承臂50和50a-50f的内表面52的多个部分可以包括从相关心轴70延伸的一个或多个机加工表面64。可以在机加工表面64和/或相关内表面52的未机加工的多个部分中形成各个岩屑转移槽120。对于如图4、5A、5B、5C、8A、8B、9A和9B所示的实施例，流体流路170和相关的岩屑插入件190示为布置在岩屑转移槽120中或与其相邻。对于某些应用，结合本发明教导的流体流路可以形成在不包括岩屑转移槽120或任何其它类型的岩屑转移槽的支承臂中。

每个流体流路170可以包括各自的入口或第一开口171和各自的出口或第二开口172。每个流体流路170的入口171可以形成在相关支承臂50和50a-50f的内表面52上的各个位置处。对于如图4-5C和图8A-9B所示的实施例，相关流体流路170的各个入口171可以在机加工表面64与相关流转移槽120相邻的部分中形成。可以选择每个流体流路170的位置以使含岩屑的流体转移或引导离开相关的流体密封件108最优。

每个流体流路170可以包括从入口171延伸的加大段174。可以选择加大段174的尺寸和构造以与相关岩屑插入件190的外部194的相应部分相容。

每个流体流路170可以包括在入口171和出口172之间形成的各自的环形肩部176。环形肩部176有时可以形成为相关加大段174与入口171间隔开的一部分。可以选择入口171和环形肩部176之间的距离近似等于相关岩屑插入件190的高度或长度。对于某些应用，可以选择岩屑插入件的长度大于相关流体流路的入口和环形肩部之间的距离。结果，这种岩屑插入件的一端可以从相关入口伸出。例如参见图7E和7F。

每个岩屑插入件190可以包括各自的第一端191和第二端192，其中纵向孔196在两端之间延伸。岩屑插入件190的高度或长度可以对应于第一端191和第二端192之间的距离。对于图4、5A、5B、5C、8A和8B所示的实施例，可以选择各个岩屑插入件190的长度近似等于机加工表面64在入口171处的部分和相关环形肩部176之间的距离。结果，岩屑转移插入件190的部分可以从相关转移槽120伸出或相对于其被升高，并且入口171可以相对于相关机加工表面64的相邻部分而相对平齐或平滑。

图4示出从内表面52中形成的入口171穿过支承臂50延伸到外表面54中形成的出口172的流体流路170的横截面。流体流路170的第一段174可以具有与相关岩屑插入件190的大体圆柱形外部构造相容的大体圆柱形内部构造。延伸穿过插入件190的纵向孔196的直径可以近似对应于流体流路170的第二段178的内径。结果，在插入件190的第一端191处进入流体流路170的含井下岩屑的流体可以在通过流体流路170的流体流中受到很小限制或不受限制。

如图5A所示，插入件190可以安装在相关流体流路170中，并与环形槽120相邻且与后缘58间隔开。入口171的部分可以与机加工表面64的相邻部分大体平齐或平滑布置。对于如图5B所示的实施例，插入件190和相关的流体流路170可以定位成与环形槽120相邻且与相关支承臂50的前缘56间隔开。第二插入件190的入口171的部分可以与机加工表面64的相邻部分大体平齐或平滑布置。对于如图5C所示的实施例，第一插入件190可以布置在流体流路171中与图5A所示近似相同的位置处。第二插入件190可以布置在第二流体流路171中且在与图5B所示近似相同的位置处与前缘156相邻。

对于如图6A所示的实施例，流体流路170a可以包括如前针对流体流路170所述的第一段174、以及第二段178a。第二段178a可以从环形肩部176延伸到流体流路170a的出口或第二端(未明确示出)。第二段178a的内径可以小于相关岩屑插入件190中纵向孔196的内径。

对于如图6B所示的实施例，流体流路170b可以包括如前针对流体流路170所述的第一段174、以及第二段178b，该第二段178b具有与相关肩部176间隔开的加大内径部分180并延伸到出口或第二端(未明确示出)。本发明的一个方面包括修改或改变岩屑插入件和相关流体流路的尺寸和构造，以使从支承臂和相关牙轮组件的多个部分之间形成的间隙除去含岩屑的流体最优。

按照本发明教导形成的岩屑插入件可以具有很多种构造和/或尺寸。这种岩屑插入件的某些示例在图7A-7F中示出。岩屑插入件190a(参见图7A)可以包括第一端191a和第二端192a，其中纵向孔196在两端之间延伸。岩屑插入件190a可以大体描述为具有八边形横截面。结果，岩屑插入件190a的外部部分可以包括八个侧面。延伸穿过支承臂的相关流体流路优选包括具有相应八边形截面的第一段，该第一段的八个侧面可操作来与岩屑插入件190a的八个侧面对准。

如图7B所示的岩屑插入件190b包括第一端191b和第二端192b，其中纵向孔196在两端之间延伸。纵向孔196和岩屑插入件190b可以描述为具有大体椭圆形横截面。延伸穿过支承臂的相关流体流路的第一段也具有相应的椭圆形横截面，其大小被确定以接纳岩屑插入件190b的外部部分。

如图7C所示的岩屑插入件190c可以描述为具有在第一端191c和第二端192c之间延伸的大体截头锥形构造。大体中空的纵向孔196可以从第一端191c延伸到第二端192c。延伸穿过支承臂的相关流体流路的第一段优选具有相应的截头锥形内部构造，其大小被确定以接纳岩屑插入件190c的外部部分。

对于如图7D所示的实施例，岩屑插入件190d可以描述为具有在第一端191d和第二端192d之间延伸的大体圆柱形外部构造。纵向孔196可以从第一端191d延伸到第二端192d。岩屑插入件190d的第一端191d可以描述为具有由第一表面193a和第二表面193b部分限定的“台阶”构造。对于某些应用，可以选择第一表面193a相对于第二表面193b的高度或提升量近似等于相关环形槽120的底部和机加工表面64的相邻部分之间的高度差。

对于这样的应用，插入件190d可以安装在相关流路的第一段中，其中入口191d的第一表面193a与机加工表面64的相邻部分相邻布置并与其大体平齐。第二表面193b可以与相关转移槽120的底部相邻布置并与其大体平齐。对于这样的应用，含井下岩屑的流体在从相关转移槽120流入相关纵向孔196时可以经历大体平滑的过渡。岩屑插入件190d的与入口191d相邻的移除部分可以提高含井下岩屑的流体进入相关纵向孔196的流动。

斜面部分198可以在岩屑插入件190d与第二端192相邻的外部上形成。斜面部分198可以提高将岩屑插入件190d安装到相关流体流路中的能力。

对于某些应用，岩屑插入件可以形成有第一端，该第一端的大小和构造使其可以接触牙轮组件的相邻部分。这种岩屑插入件的示例如图7E和7F所示。岩屑插入件190e的第一端191e可以描述为具有相对较平外表面的“帽盖”，确定其大小以接触相关牙轮组件的相邻部分。可以在岩屑插入件190e与第一端191e间隔开的外部部分中形成槽200。可以选择岩屑插入件190e在第一端191e和第二端192e之间的高度大于前述插入件。可以选择槽200的表面203的位置以与相关转移槽(未明确示出)对准。结果，含岩屑的流体可以在减小对这样的流体流的限制的情况下流入槽200和相关的纵向孔196e中。

岩屑插入件190f的第一端191f可以描述为具有大体圆顶形构造的“帽盖”，确定其大小以接触相关切削牙轮组件的相邻部分。可以在岩屑插入件190f与第一端191f间隔开的外部部分中形成槽200。可以选择岩屑插入件190f在第一端191f和第二端192f之间的高度大于前述插入件190。可以选择槽200的表面203的位置以与相关转移槽(未明确示出)的部分相容。结果，含岩屑的流体可以在减小对这样的流体流的限制的情况下流入槽200和相关的纵向孔196中。

对于某些应用，可以在具有与相关出口相比加大的入口的支承臂中形成流体流路。对于如图8A和8B所示的实施例，入口271可以具有与安装岩屑插入件190相容的第一段271a以及与其间隔开且与流体流路170c对准的第二段271b。可以调节第二段271b的大小以容许通过流体流路170c的所期望的流体流速。

对于如图9A和9B所示的实施例，流体流路170f可以在与针对图4和5A的实施例所述的近似相同位置处安装在支承臂50f的内部部分中。对于某些应用，转移插入件可以不布置在流体流路170f内。相关支承臂50f的外表面54f可以包括与出口172f相邻的沟道或槽182。结果，沟道182和出口172f可以彼此配合来改善从相关流体流路170f的外部部分除去含岩屑的流体。

如前所讨论的，可以通过对支承臂的末端或牙轮爪背端头涂覆加硬表面来对其进行保护。对于如图9B所示的实施例，加硬表面208可以在支承臂50f的外表面54f的延伸自末端60的部分上形成。对于如图9B所示的实施例，加硬表面208可以描述为具有大体U形的构造。对于其它应用，还可以在外表面54f与末端60间隔开的部分中布置一个或多个硬质合金插入件(未明确示出)。

虽然已经对本发明及其优点进行了详细说明，但是应该理解的是，在不脱离由以下权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以在其中作出各种改变、替换和变更。

Claims (25)

1.一种滚子牙轮钻头，包括：

钻头体，具有从其伸出的至少一个支承臂；

每个支承臂具有内表面和外表面，其中心轴从所述内表面伸出；

可旋转地安装在每个心轴上的各个牙轮组件，其中轴承结构布置在牙轮组件和心轴之间；

在每个牙轮组件中形成的用于接纳相关心轴的内腔；

在每个牙轮组件的内部部分和相关心轴的外部部分之间形成的第一间隙；

在每个牙轮组件的部分和相关支承臂的内表面的相邻部分之间形成的第二间隙；

第二间隙从心轴和相关支承臂的内表面之间的相交处沿径向向外延伸；

布置在第一间隙内的至少一个流体密封件，用于在相关牙轮组件的内部部分和相关心轴的外部部分之间形成流体阻隔；

每个支承臂具有从所述内表面穿过支承臂延伸到所述外表面的流体流路；

布置在相关支承臂中的每个流体流路与第二间隙流体连通；以及

每个流体流路可操作以将含井下岩屑的流体从所述内表面引导到相关支承臂的外部。

2.根据权利要求1所述的钻头，还包括布置在每个牙轮组件上的各自的切削结构，用于与地下地层接合以形成井孔。

3.根据权利要求1所述的钻头，还包括每个牙轮组件具有与各自心轴的纵向轴线大体对应的各自的旋转轴线。

4.根据权利要求1所述的钻头，还包括：

布置在每个流体流路中的岩屑转移插入件；以及

所述岩屑转移插入件具有延伸穿过其的孔以允许从相关支承臂的内表面到外表面的流体流动。

5.根据权利要求4所述的钻头，还包括：

每个岩屑转移插入件具有第一长度；以及

相关流体流路具有第二长度，所述第二长度大于相关岩屑转移插入件的第一长度。

6.根据权利要求4所述的钻头，还包括：

每个流体流路具有第一直径部分和第二直径部分；

每个流体流路的第一直径部分的尺寸被确定为在其中接纳所述岩屑转移插入件；

每个流体流路的第二直径部分具有与所述岩屑转移插入件中的孔近似相等的直径。

7.根据权利要求4所述的钻头，还包括：

每个流体流路具有第一直径部分和第二直径部分；

所述流体流路的第一直径部分的尺寸被确定为在其中接纳所述岩屑转移插入件；

所述流体流路的第二直径部分具有比所述岩屑转移插入件中的孔更大的直径。

8.根据权利要求4所述的钻头，还包括：

每个流体流路具有第一直径部分和第二直径部分；

所述流体流路的第一直径部分的尺寸被确定为在其中接纳所述岩屑转移插入件；

所述流体流路的第二直径部分具有比所述岩屑转移插入件中的孔更小的直径。

9.根据权利要求4所述的钻头，还包括：

每个支承臂具有前缘和后缘；

所述支承臂的前缘和后缘彼此间隔开；

流体流路包括第一流体流路和第二流体流路，所述第一流体流路布置在所述支承臂中并邻近所述前缘，且所述第二流体流路布置在所述支承臂中并邻近所述后缘；以及

第一流体流路和第二流体流路可操作来将含井下岩屑的流体流从相关支承臂的内表面引导到外表面。

10.根据权利要求9所述的钻头，还包括：

布置在第一流体流路中的第一岩屑转移插入件；

布置在第二流体流路中的第二岩屑转移插入件；以及

第一岩屑转移插入件和第二岩屑转移插入件各自具有延伸穿过其的孔，以允许从相关支承臂的内表面到相关支承臂的外表面的流体流动。

11.根据权利要求4所述的钻头，其中，布置在每个流体流路中的所述岩屑转移插入件中至少一个的横截面选自由圆形、卵形、椭圆形、三角形、矩形和六边形组成的组中。

12.根据权利要求4所述的钻头，其中，布置在每个流体流路中的所述岩屑转移插入件中的至少一个具有大体锥形构造。

13.根据权利要求4所述的钻头，还包括：

每个岩屑转移插入件具有第一端和第二端；

每个岩屑转移插入件的第二端布置在相关流体流路内；

每个岩屑转移插入件的第一端与支承臂的内表面相邻布置；以及

岩屑转移插入件的第一端具有切口部分，所述切口部分可操作来将流体流引导进入各自的孔中。

14.根据权利要求13所述的钻头，还包括至少一个岩屑转移插入件的第一端具有帽盖，一槽与所述第一端相邻形成。

15.根据权利要求14所述的钻头，还包括所述帽盖具有从由平坦和圆顶形组成的组中选择的形状。

16.根据权利要求1所述的钻头，还包括布置在至少一个支承臂的内表面中的岩屑转移插入件，其中所述岩屑转移插入件的至少一部分从所述流体流路偏移。

17.一种设计具有至少一个支承臂的滚子牙轮钻头的方法，包括形成延伸穿过每个支承臂的流体流路，由此相关牙轮组件相对于支承臂的旋转引导含井下岩屑的流体流过所述流体流路，从而通过减少与流体密封件接触的岩屑的量来提高相关流体密封件的井下钻井寿命。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括在所述流体流路中形成从至少一个支承臂的内表面延伸到所述至少一个支承臂的外表面的第一流体流路，由此相关牙轮组件相对于所述至少一个支承臂的所述内表面的旋转引导含井下岩屑的流体通过所述第一流体流路从所述至少一个支承臂的内表面流到外表面。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括在所述第一流体流路中与所述内表面相邻布置的转移插入件，所述转移插入件具有延伸穿过其的孔。

20.根据权利要求18所述的方法，还包括在所述内表面中与相关支承臂的前缘相邻处形成所述第一流体流路；

在所述流体流路中形成从所述内表面穿过所述支承臂到所述外表面的第二流体流路；以及

邻近所述支承臂的后缘形成所述第二流体流路。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括：

在所述第一流体流路中安装第一岩屑转移插入件；以及

在所述第二流体流路中安装第二岩屑转移插入件，所述第二岩屑转移插入件具有延伸穿过其的孔。

22.一种在使用滚子牙轮钻头钻井时对与所述滚子牙轮钻头相关的流体密封件和轴承结构提高保护的方法，包括：

使牙轮组件相对于钻头的心轴和相关支承臂旋转；

引导含井下岩屑的流体从间隙通过第一流体流路，所述间隙从心轴和相关支承臂的内表面之间的相交处沿径向向外延伸，所述第一流体流路从支承臂的内表面延伸到支承臂的外表面；以及

利用安装在第一流体流路中的第一岩屑转移件将岩屑从第一流体流路转移。

23.根据权利要求22所述的方法，还包括引导含井下岩屑的流体通过与相关支承臂的前缘相邻的第一流体流路。

24.根据权利要求22所述的方法，还包括：

引导含井下岩屑的流体通过与相关支承臂的前缘相邻的第一流体流路；以及

引导含井下岩屑的流体通过从支承臂的内表面延伸到外表面的第二流体流路，所述第二流体流路邻近支承臂的后缘。

25.根据权利要求24所述的方法，还包括利用安装在第一流体流路中的第一岩屑转移件和安装在第二流体流路中的第二岩屑转移件将岩屑从每个第一和第二流体流路转移，每个所述第一和第二岩屑转移件具有延伸穿过其的孔，以允许从相关支承臂的内表面到外表面的流体流动。

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