CN101449020A - 牙轮钻头上的高密度排 - Google Patents

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Abstract

一种钻地钻头在其牙轮(31)中的一个上具有高密度排(49)。每个牙轮具有突出区域和保径区域，在保径区域处带有保径排(47)。牙轮中的一个具有较远中间排(43)而且牙轮中的另一个具有较近中间排(37)。剩余的牙轮具有高密度排(32)，所述高密度排位于比较远中间排更靠近钻头旋转轴线并且比较近中间排更远离钻头旋转轴线处。高密度排具有比较远和较近中间排更小的齿顶之间的节距。较小的节距在高密度排中提供了比在较近中间排和较远中间排中更多的齿。

Description

牙轮钻头上的高密度排
优选权声明
本申请要求2006年4月3日提交的美国临时申请60/788,766的优先权。
技术领域
本申请总体涉及一种钻地钻头牙轮(bit cone)，更特别地涉及一种滚动牙轮钻地钻头，其具有比钻头的其他牙轮上的相邻排密度更高的一排齿。
背景技术
图1说明了一种通常的现有技术的钻地钻头11。钻头11具有钻头本体13，该钻头本体在其上端部具有螺纹，用于连接到钻柱上。钻头本体13具有许多压力补偿润滑剂储槽15。钻头本体13还设有至少一个喷嘴17，该至少一个喷嘴从钻柱向下排放钻井液以便冷却钻头11并且冲洗在钻出井眼过程中所产生的钻屑。
多个牙轮19、21被安装用于在悬臂牙轮轴上旋转。在本现有技术实例中，有三个牙轮，但是仅显示出两个牙轮。显示的牙轮19、21带有多个齿23，每一个齿具有与牙轮19、21中的每一个的旋转轴平行延伸的齿顶(crest)25。在钻进操作过程中，牙轮19、21在被钻井眼的底部滚动，与此同时，齿23钻透地层并且使地层碎裂。
与图1所说明的钻头类似的现有技术钻头具有的缺点在钻呈现塑性的地层(比如页岩)的过程中变得特别明显。在钻这些地层的过程中，常规布置的齿23趋于落入由钻头11前一次回转中的同一个或另一个齿23所形成的刻痕中。这种情况通常称为钻头循迹(tracking)，其可能严重削弱钻头11的进尺速度、寿命和性能。
图1所说明的现有技术钻头的另一个缺点是地层物质可能包裹在齿23之间，阻止齿23更深地钻透地层，从而减少了钻头11的进尺速度。这种情况通常称为钻头泥包(balling)。与钻头循迹一样，钻头泥包也阻止了齿23钻透到更深深度，从而导致钻进不充分而且费用高。钻头泥包还阻止作用在齿23的齿顶25上的力达到足以破碎岩石的水平。
钻头循迹和钻头泥包的特性已被充分意识到，但是一般将其作为相互独立的问题来处理。在许多情况下，减少钻头循迹的特征会促使发生钻头泥包，反之亦然。例如，泥包更可能发生在间隔紧密的齿之间。间隔大和宽的齿更趋向于发生钻头循迹。
发明内容
本发明的钻头具有多个牙轮，每一个牙轮具有至少一个中间排。在至少一个牙轮上的至少一个中间排为高密度排。高密度排比在其它牙轮中的至少一个上的中间排中的较近排更远离钻头轴线。高密度排具有比中间排中的较近排的节距更小的节距。
在一个优选实施例中，高密度排的每个齿具有与中间排中的较近排的齿高基本上相同的高度。高密度排和中间排中的较近排中的每个齿具有前侧缘(leading flank)和尾侧缘及其间的夹角。高密度排的齿的夹角优选基本上与中间排中的较近排的齿的夹角相同。高密度排的每个齿具有前侧缘和尾侧缘。在所示的实例中，高密度排中的一个齿的前侧缘与相邻齿的尾侧缘无任何圆周间隙地相交。
在所示的实例中，在除了包含高密度排的牙轮之外的牙轮中的一个上的至少一个中间排位于比高密度排更远离钻头轴线处并且具有比高密度排的节距更大的节距。高密度排具有比中间排中的较近排和中间排中的较远排更多的齿。内凹槽和外凹槽邻接高密度排的内侧和外侧。优选地，每个凹槽具有的宽度至少等于在高密度排的齿的基部处所测的高密度排的宽度。
附图说明
图1是现有技术的钻地钻头的侧视图。
图2是根据本发明构造的钻地钻头的仰视图。
图3是图2的钻地钻头的布置图。
具体实施方式
参照图2和3，牙轮27、29和31适用于安装到如图1所示的钻地钻头上来代替图1所说明的牙轮。牙轮27、29和31具有多排切削元件，所述多排切削元件在本实施例中包括齿32，该齿比如通过铣制和/或磨制而整体形成在每个牙轮的支撑金属(supporting metal)中。在本实例中，牙轮27具有以常规方式布置在排中的齿32。这些排包括保径排(heel row)33，所述保径排位于邻近牙轮27的保径表面(gauge surface)35处。一个或多个中间排37(仅显示一个)向内与保径排33间隔开。牙轮顶尖39形成了齿32的最内侧排，该牙轮顶尖39形成在牙轮27的顶点或突出部处。
类似地，牙轮29在本实例中具有以常规方式布置的齿32。牙轮29上的排包括牙轮保径排41、至少一个中间排43(仅显示一个)和内排45。如图3的布置图所示，中间排43(也称为较远中间排)位于比中间排37(在此称为较近中间排)更远离钻头轴线30处。内排45也位于比牙轮27的牙轮顶尖39更远离钻头轴线30处。
在本实施例中，牙轮31根据本发明构造。牙轮31具有保径排47、至少一个中间排49(仅显示一个)(也称为高密度排)和位于牙轮突出部区域中的内排51。高密度排49位于比较远中间排43更靠近钻头轴线并且比较近中间排37更远离钻头轴线30处。保径排47和内排51可以是常规的排并被构造成与现有技术一样。优选地，高密度排49与现有技术的区别在于：其具有比可比的现有技术钻头的中间排更多的齿32。优选地，高密度排49具有比较远中间排43更多并且比较近中间排37更多的齿而且其齿更紧密地彼此间隔开。
中间排37、43和49的每个齿32具有基部52，每个齿在该基部处连接特定牙轮27、29或31的支撑金属。在连接支撑金属的每个齿的横向横截面中，基部52在本实施例中将呈现为大致矩形。每个齿32相对于钻头轴线30在其内侧和外侧具有内侧部或内侧缘53和外侧缘55。内侧缘53和外侧缘55从基部52的相对边缘向钝齿顶朝向彼此会聚。如图2所示，考虑到每个牙轮27、29或31的旋转方向，每个齿32具有前侧缘57和尾侧缘59。前侧缘57和尾侧缘59从基部52(图3)的相对边缘向齿顶54朝向彼此会聚。每个齿32的前侧缘57和尾侧缘59之间的会聚角或夹角优选对于所有中间排37、43和49都基本上相同。
在此认为每个齿32的高度H(图3)为沿基部52的法线延伸并且与齿顶54相交的线的长度。优选地，中间排37、43和49的每个齿32的高度H基本上相同。
外凹槽61连接高密度排49的外侧，内凹槽63连接高密度排49的内侧。内凹槽61和外凹槽63是绕牙轮31延伸的支撑金属的锥形部分。高密度排49的每个齿32的基部52基本上与内凹槽61和外凹槽63平齐，从而高密度排49的高度H从内凹槽61和外凹槽63延伸到齿顶54。凹槽61、63中的每一个的宽度优选至少等于高密度排49的每个齿32的最大厚度。最大厚度是在基部52处的内侧缘53和外侧缘55之间的距离。如图3所示，牙轮31的高密度排49在牙轮27的中间排37和牙轮29的中间排43之间相互啮合。较远的中间排43在牙轮31的保径排47和高密度排49之间在外凹槽61内相互啮合。较近的中间排37在牙轮31的内排51和高密度排49之间在内凹槽63内相互啮合。
高密度排49的相邻齿32的前侧缘57和尾侧缘59彼此相交或连接，在邻接齿32之间形成V形沟槽。在高密度排49的相邻齿32的前侧缘57和尾侧缘59与牙轮31的支撑金属连接处之间没有沿圆周延伸的空间或间隙。另外，高密度排49中的相邻齿32的基部52基本上彼此邻接，其间没有任何间隙。相反，牙轮27和29的中间排37和43的相邻齿32的基部52在圆周上彼此间隔开。牙轮27的中间排37具有沿圆周延伸的间隙，一个齿32的前侧缘57与相邻齿32的尾侧缘59在该间隙之间连接支撑金属。在侧缘57、59连接支撑金属处，牙轮29的中间排43在相邻齿的每个前侧缘57和尾侧缘59之间具有更大的圆周间隙。
节距P3是从高密度排49的一个齿32的齿顶54的中心到相邻齿32的齿顶的中心的距离。节距P3的范围是较远中间排43的节距P2的百分之二十五到百分之七十五和较近中间节距37的节距P1的百分之二十五到百分之七十五。在所示的实施例中，节距P3是节距P2的百分之五十而且是节距P1的百分之五十。在牙轮27和29中，在较远中间排43中有比较近中间排37更多的齿，因为在较远中间排43处的牙轮29的直径比较近中间排37处的牙轮27的直径更大。由于节距P3较小，即使在高密度排49处的牙轮31的直径小于在较远中间排处的牙轮29的直径，在高密度排49中也有比较远中间排43中更多的齿32。在高密度排49中有比较近中间排37更多个齿32是因为节距P3较小和在高密度排49处的牙轮31直径比在较近中间排37处的牙轮27直径更大。根据节距P1、P2和P3的差别，高密度排49中的齿32的附加数量可以高达中间排37或43的数量的两倍。
在图3的布置图中示意性显示了齿32的表面硬化层65以便说明中间排37、43和49的相互啮合的接合情况。在操作过程中，高密度排49帮助破坏在中间排37和43内的宽间隔的齿之间所发生的岩层的钻头循迹或堆积。宽的内凹槽61和外凹槽63允许向侧面排放钻屑并且抵制高密度排409中的泥包。
虽然本发明仅显示了其形式中的一种，对所属领域的技术人员来说显而易见的是，本发明不限于此而在不偏离本发明的范围的情况下容易进行各种改变。例如，尽管每个牙轮显示为仅具有一个中间排，然而，本发明可应用于具有多于一个中间排的牙轮。此外，可采用多于一个的高密度排。本发明还可应用于具有碳化钨嵌件的钻头，该嵌件被压入牙轮中的相配孔中，而不是与金属齿整体形成。

Claims (20)

1.一种钻地钻头，包括：
多个牙轮，每一个牙轮具有切削元件的至少一个中间排；
至少一个牙轮上的至少一个中间排是高密度排，所述高密度排比在其他牙轮中的至少一个上的中间排中的较近排更远离钻头轴线；
高密度排具有比中间排中的较近排的节距更小的节距。
2.根据权利要求1所述的钻头，其中，高密度排的切削元件中的每一个具有的高度基本上与中间排中的较近排的切削元件的高度相同。
3.根据权利要求1所述的钻头，其中，高密度排和中间排中的较近排的每一个切削元件具有前侧缘和尾侧缘及其间的夹角；以及
高密度排的切削元件的夹角基本上与中间排中的较近排的切削元件的夹角相同。
4.根据权利要求1所述的钻头，其中：
高密度排的每一个切削元件具有前侧缘和尾侧缘；以及
高密度排的至少一个切削元件的前侧缘与相邻切削元件的尾侧缘相交。
5.根据权利要求1所述的钻头，其中：
高密度排的节距范围为中间排中的较近排的节距的百分之二十五到七十五。
6.根据权利要求1所述的钻头，其中：
在除了包含高密度排的牙轮之外的牙轮中的一个上的至少一个中间排位于比高密度排更远离钻头轴线处，并且具有比高密度排的节距更大的节距。
7.根据权利要求1所述的钻头，其中：
在除了包含高密度排的牙轮之外的牙轮中的一个上的中间排中的较远排位于比高密度排更远离钻头轴线处；以及
高密度排具有比中间排中的较远排更多的切削元件。
8.根据权利要求1所述的钻头，其中：
在除了包含高密度排的牙轮之外的牙轮中的一个上的中间排中的较远排位于比高密度排更远离钻头轴线处，并且具有比高密度排的节距更大的节距；以及
高密度排具有比中间排中的较近排和中间排中的较远排更多的切削元件。
9.根据权利要求1所述的钻头，其中：
内凹槽和外凹槽邻接高密度排的内侧和外侧；以及
每个凹槽具有的宽度至少等于在高密度排的切削元件的基部处所测的高密度排的宽度。
10.一种钻地钻头，包括：
多个牙轮，每一个牙轮具有切削元件的至少一个中间排；
至少一个牙轮上的至少一个中间排为高密度排，所述高密度排比其它牙轮中的至少一个上的中间排中的较远排更靠近钻头轴线；以及
高密度排具有中间排中的较远排更多的切削元件。
11.根据权利要求10所述的钻头，其中：
高密度排的每一个切削元件具有的高度基本上与中间排中的较远排的切削元件的高度相同。
12.根据权利要求10所述的钻头，其中：
高密度排和中间排中的较远排的每一个切削元件具有前侧缘和尾侧缘及其间的夹角；以及
高密度排的切削元件的夹角基本上与中间排中的较远排的切削元件的夹角相同。
13.根据权利要求10所述的钻头，其中：
高密度排的每一个切削元件具有前侧缘和尾侧缘；以及
至少一个切削元件的前侧缘与相邻切削元件的尾侧缘在其间无任何圆周间隙地相交。
14.根据权利要求10所述的钻头，其中：
在除了包含高密度排的牙轮之外的牙轮中的一个上的至少一个中间排位于比高密度排更靠近钻头轴线处，并且具有比高密度排的节距更大的节距。
15.一种钻地钻头，包括：
三个可旋转牙轮，每一个牙轮具有突出区域和保径区域，切削元件的保径排与保径区域相邻；
在至少一个牙轮上的保径排和突出区域之间的切削元件的较远中间排；
在牙轮中的另一个上的保径排和突出区域之间的切削元件的较近中间排，所述较近中间排位于比较远中间排更靠近钻头旋转轴线处；
位于牙轮中的再另一个上的保径排和突出区域之间的切削元件的高密度排，所述高密度排位于比较远中间排更靠近钻头旋转轴线并且比较近中间排更远离钻头旋转轴线处；以及
高密度排具有比较近中间排和较远中间排更多的切削元件。
16.根据权利要求15所述的钻头，其中：
较远中间排、较近中间排和高密度排中的每一个切削元件具有位于其连接牙轮的支撑金属处的基部、在其尖端处的齿顶和从基部到齿顶所测的高度；以及
较远中间排、较近中间排和高密度排中的每一个切削元件的高度基本上相同。
17.根据权利要求15所述的钻头，其中：
高密度排的每一个切削元件具有位于其连接牙轮的支撑金属处的基部和在基部处、在切削元件的外侧和内侧之间所测的厚度；以及
内凹槽和外凹槽邻接高密度排的内侧和外侧，每一个凹槽具有的宽度至少等于高密度排的每一个切削元件的厚度。
18.根据权利要求15所述的钻头，其中：
较近中间排、较远中间排和高密度排的每一个切削元件具有前侧缘和尾侧缘及其间的夹角；以及
高密度排的切削元件的夹角基本上与较近中间排和较远中间排的切削元件的夹角相同。
19.根据权利要求15所述的钻头，其中：
高密度排的每一个切削元件具有前侧缘和尾侧缘；以及
高密度排的相邻切削元件的前侧缘和尾侧缘在其间无任何圆周间隙地彼此连接。
20.根据权利要求14所述的钻头，其中：
高密度排在其切削元件之间具有比较近中间排的节距和较远中间排的节距都更小的节距。
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