CN104487647A - 内量规环钻头 - Google Patents

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Abstract

钻头包括连接至钻头体的多个环形叶片。多个量规垫连接至钻头体并且限定外切割直径。沿圆周方向连续的量规环连接至钻头体并且限定内切割直径。内切割结构连接至钻头体并且具有基本等于内切割直径的切割直径。

Description

内量规环钻头
相关申请的交叉参考
本申请要求于2012年3月2日提交的题目为Inner Gauge Ring Drill Bit的美国专利申请序列号61/605,835的优先权，其全部内容通过引用以与本申请一致的程度完全结合到本申请中作为参考。
技术领域
本公开总体涉及旋转的钻地钻头。更具体地，本公开涉及包括使钻头稳定的内量规环的组合钻头。
背景技术
旋转钻头通常被安装在钻柱的下端上，从表面或者通过井下电动机旋转。当钻柱旋转时，压力被施加至钻柱，以控制钻头上的重量，使得钻头将与土质地层接合并且将钻孔钻入土质地层(earthen formation)中。
两种类型的可用钻头是牙轮钻头和固刃钻头。牙轮钻头通常包括多个锥形滚轴，可旋转地安装到钻头上并且被嵌入有多个切割元件。固刃钻头依靠关于钻头成角度地间隔的多个固定叶片并且被嵌入有多个切割元件。用于任一钻头设计的切割元件通常由非常硬的材料形成，诸如，多晶金刚石材料、立方氮化硼、以及碳化钨。滚轴、叶片、以及切割元件的结构很大程度上根据将被钻孔的地层，而在钻头设计上有很大的不同。
在钻头旋转时，钻孔液通过钻柱被泵送并且通过一个或多个喷嘴被引导到钻头的表面之外。钻孔液用于冷却钻头并且从钻头表面和钻孔的底部去除地层切屑。在钻孔期间，钻头有时候被磨损并且必须被更换。每次更换钻头，可能几千英尺长的整个钻柱必须从钻孔中被取回，然后一旦安装新钻头，再被重新插入。这样被称为“起下钻”的处理可能花费几个小时完成。因此，期望采用在需要被更换之前，可以钻进更长距离的钻头。
在必须被更换之前钻头可以使用的时间长度很大程度上取决于对钻头的切割元件的磨损和/或损坏。可能导致对切割元件的过度磨损和损坏的因素之一是钻头不稳定。钻头不稳定可能产生振动，其导致影响切割元件上的负荷，这可能导致过度磨损或甚至破坏切割元件。改进钻头稳定性可以降低高度影响负载的可能性并且提高钻头的寿命。
因此，在旋转钻头的领域中持续存在对提供增强稳定性以克服现有技术的这些和其他限制的需要。
发明内容
在特定实施例中，一种钻头包括连接至钻头体的多个环形叶片。多个量规垫连接至钻头体并且限定外切割直径。沿圆周方向连续的量规环连接至钻头体并且限定内切割直径。内切割结构连接至钻头体并且具有基本等于内切割直径的切割直径。
在一些实施例中，一种钻头包括具有外切割直径和内切割直径的环形切割结构。内切割结构凹入环形切割结构内，并且具有基本等于内切割直径的切割直径。外量规表面具有基本等于外切割直径的直径。沿圆周方向连续量规环具有基本等于内切割直径的直径。
在一些实施例中，一种钻头包括具有多个环形叶片和多个量规垫的钻头体。多个量规垫限定外切割直径。沿圆周方向连续的内量规环连接至多个环形叶片，并且内量规环限定内切割直径。内切割结构连接至钻头体，并且具有从多个环形叶片的切割面凹入的切割面。内切割结构还具有基本等于内切割直径的切割直径。
这些和其他实施例及可能的优点将在以下详细说明和附图中变得明显。
附图说明
为了更详细说明本公开的实施例，下面将参考附图。
图1是具有内量规环的整个钻头的透视图。
图2是图1的钻头的横截面视图。
图3是图1的钻头的端视图。
图4是具有内量规环的组合固刃钻头的横截面视图。
图5是图4的钻头的端视图。
图6是具有内量规环的组合牙轮钻头的横截面视图。
图7是图6的钻头的端视图。
具体实施方式
应该理解，以下公开描述了用于实现本发明的不同特征、结构或功能的多个示例性实施例。以下描述了组件、布置和配置的示例性实施例，以简化本公开；然而，这些示例性实施例仅被提供作为实例，并且不用于限制本发明的范围。另外，本公开可以在多个示例性实施例中以跨在此提供的多个图重复参考数字和/或字母。该重复用于简单和清楚的目的，并且其本身不表示多个示例性实施例和/或在多个图中论述的结构之间的关系。而且，以下说明书中的第一特征在第二特征之上或上方形成可以包括第一和第二特征直接接触形成的实施例，还可以包括附加特征可以夹置在第一和第二特征之间形成，使得第一和第二特征可以不直接接触的实施例。最后，以下呈现的示例性实施例可以以任何组合方式被结合，即，来自一个示例性实施例的任何元件可以在任何其他示例性实施例中被使用，而不脱离本公开的范围。
另外，特定术语贯穿以下说明和权利要求被使用，以指示特定组件。本领域技术人员应理解，多种实体可以通过不同名称表示相同组件，并且同样地，除非在此另外特别限定，用于在此描述的元件的命名规则不旨在限制本发明的范围。而且，在此使用的命名规则不旨在区别名称不同而不是功能不同的组件。另外，在以下论述中以及在权利要求中，术语“包括(including)”和“包括(comprising)”以开放方式使用，并且从而应该被解释为是指“包括但不限于”。除非另外特别阐述，本公开中的所有数值都可以是准确或近似数值。从而，本公开的多种实施例可能偏离在此公开的数字、值和范围，而不脱离期望范围。而且，除非在此另外明确规定，如在权利要求或说明书中使用的，术语“或者”旨在包括排他性和包括性情况，即“A或B”与“A和B中的至少一个”同义。为了本申请的目的，术语“实时”是指没有明显延迟。
首先参考图1至图3，钻头10包括钻头体12、柄14、以及用于连接至钻柱的螺纹连接16。钻头体12包括切割井眼的环形外部的环形切割结构18和切割井眼的内筒的凹入内切割结构20。环形切割结构18包括从钻头体12延伸并且与钻头体12整体形成的环形叶片22。每个环形叶片22都包括切割面26。具有外切割直径Dg的外量规垫30位于切割面26的最大外直径处。外切割直径Dg还限定将被钻击的井眼的直径。
具有内切割直径Di的内量规环32限定切割面26的内径。内切割结构20包括多个内叶片34，其具有基本等于环形叶片22的内切割直径Di的切割直径。从而，当钻头10旋转并且前进通过地层时，环形切割结构18切掉具有直径Dg的地层的环形部分，并且留下然后由内切割结构20切割的具有直径Di的中心筒(center core)。
当中心筒被钻击时，其与内量规环32接合，形成了沿圆周方向连续环。从而，内量规环32互连并且支撑环形叶片22，并且限定到内切割结构20的入口。内量规环32和中心筒的连续圆周接合最小化钻头10相对于筒的横向移动，并且帮助稳定井眼内的钻头10。内切割结构20包括与钻头体12整体形成的多个内叶片34，当钻头10连续移动通过地层时，其去除中心筒，从而留下具有直径Dg的圆柱形井眼。
如图2中所示，内量规环32限定内切割直径Di，外量规环30限定外切割直径Dg，并且内切割结构20从环形切割结构的切割面凹入钻头体12距离Dc。在特定实施例中，Di/Dg的比率可以从约0.25至约0.75，并且Di/Dc的比率可以从约3至约0.25。例如，示例性钻头10可以具有约8.75”的外切割直径Dg，并且内切割直径Di约为4.5”，并且凹入直径Dc约为2”。
环形叶片22和内叶片34包括多个坚硬切割元件36，当钻头10旋转时，其与地层接合并且切掉地层。坚硬切割元件36可以由包括多晶金刚石材料、立方氮化硼、热稳定金刚石、多晶立方氮化硼、或碳化钨的材料形成。
外量规垫30和内量规垫32的大小被设计为，当井眼被钻击时与地层直接接触，并且从而还可以包括嵌入式抗磨损插入物28或可以被处理为具有诸如表面硬化的抗磨损特性。抗磨损插入物28可以包括多晶金刚石材料、立方氮化硼、热稳定金刚石、多晶立方氮化硼、或碳化钨。插入物28可以从内量规环32和/或外量规垫30延伸，或者可以与外量规垫30的外表面或内量规环32的内表面平齐。在任一条件下，插入物28的接触表面都可以与周围表面地面平齐或者可以具有圆形、尖锐、成角度或其他形状。
钻头10还包括环形喷嘴38和内喷嘴40，其用于通过钻头将钻孔液从钻管注入井眼。设置喷嘴38、40，以冷却钻头并且从钻头周围去除地层切屑。环形喷嘴38被设置在每隔一对相邻的环形叶片22之间。内喷嘴40邻近每个内叶片34设置。
钻头体12还包括排屑槽42，其提供用于从内切割结构20和钻头10的外表面移动的钻孔液和地层切屑的流体管道。排屑槽42设置在两个邻近环形叶片22之间并且在不中断沿圆周方向连续的内量规环32的位置处。排屑槽42还被布置成使得流过排屑槽的流体帮助清理环形叶片22。
现在参考图4至图5，钻头50包括外钻头体52、凹入式内钻头体68、柄54、以及用于连接至钻柱的螺旋连接56。外钻头体52包括环形切割结构58，其包括从外钻头体52延伸并且与外钻头体52整体形成的多个环形叶片60。每个环形叶片60都包括由外量规垫62和内量规环66限定的切割面64。当钻头体50旋转并且前进通过地层时，环形切割结构58切掉地层的环形部分，留下中心筒。内量规环66形成沿圆周方向连续的环，其互连并且支撑环形叶片60并且接合中心筒。内量规环66和中心筒的接合最小化钻头50相对于筒的横向移动，并且帮助稳定井眼内的钻头50。
凹入式内钻头体68设置在外钻头体52内，并且被定位成使得当钻头50前进通过地层时，钻击中心筒。在特定实施例中，内钻头体68诸如通过螺纹连接可以可释放地连接至外钻头体52，使得内钻头体68可以从外钻头体52被去除，并且根据需要，用另一个内钻头体替换。以此方式，内钻头体68可以基于将被钻击的地层被选择，并且可以是牙轮钻头、固刃钻头、其组合、或根据需要的任何类型的钻头。
在图4至图5中所示的实例中，内钻头体68包括与其整体形成的多个内叶片72。内钻头体68还包括喷嘴76，用于通过钻头注入钻孔液。设置喷嘴76，以冷却钻头并且从钻头周围去除地层切屑。环形叶片60的切割面64和内叶片72每个都包括多个坚硬切割元件74，当钻头50旋转时，其与地层接合并且切掉地层。坚硬切割元件74可以由包括多晶金刚石材料、立方氮化硼、热稳定金刚石、多晶立方氮化硼、或碳化钨的材料形成。
外量规垫62和内量规环66每个的大小被设置为，当井眼被钻击时，直接接触地层，并且从而还可以包括嵌入式抗磨损插入物或者可以被看作具有诸如硬化表面的抗磨损特性。抗磨损插入物可以包括多晶金刚石材料、立体碳化硼、热稳定金刚石、多晶立体氮化硼、或碳化钨。
外钻头体52还包括排屑槽78，提供跨过外钻头体提供流体通路。排屑槽78被设置为不中断连续的内量规环66。排屑槽78提供用于钻孔液从喷嘴76移动至钻头50的外侧的路径。
图6至图7示出了包括在具有形成内切割结构104的多个牙轮102的凹入式内切割结构98周围的外钻头体82的可选钻头80。外钻头体82还包括柄84、用于连接至钻柱的螺纹连接86。外钻头体82包括环形切割结构88，其包括从钻头体82延伸并且与钻头体82整体形成的多个环形叶片90。每个环形叶片90都包括通过外量规垫92和内量规环96限定的切割面94。
当钻头80旋转并且前进通过地层时，环形切割结构88切掉地层的环形部分，留下经过内量规环96进入钻头体82中的中心筒，其中，然后筒通过内切割结构104被钻击。内量规环96形成互连并且支撑环形叶片90并且接合中心筒的沿圆周方向连续的环。内量规环96和中心筒之间的接合最小化钻头80相对于筒的横向移动，并且帮助稳定井眼内的钻头80。
内切割结构98包括可旋转地支撑多个牙轮102的内钻头体100。内钻头体100还包括用于通过钻头注入钻孔液的喷嘴105。喷嘴105被设置为冷却钻头，并且从钻头周围去除地层切屑。
环形叶片90和牙轮102包括多个坚硬切割元件106，当钻头80旋转时，其接合地层并且切掉地层。坚硬切割元件106可以由包括多晶金刚石材料、立体氮化硼、热稳定金刚石、多晶立体氮化硼、或碳化钨的材料形成。
外量规垫92和内量规环96的大小被设计为，当井眼被钻击时，直接接触地层，并且从而还可以包括嵌入式抗磨损插入物或者可以被处理为具有诸如硬化表面的抗磨损特性。抗磨损插入物可以包括多晶金刚石材料、立体氮化硼、热稳定金刚石、多晶立体氮化硼、或碳化钨。
外钻头体82还包括排屑槽108，其提供跨过外钻头体的流体通道。排屑槽108被设置成不中断连续内量规环96，并且提供用于钻孔液从喷嘴105移动到钻头80外部的路径。
类似于图4至图5中所示的实施例，内钻头体100可以诸如通过螺纹连接被可释放地连接至外钻头体82，使得内钻头体100可以从外钻头体82被去除，并且根据需要，用另一个内钻头体替换。以此方式，内切割结构98可以基于正被钻击的地层来选择，并且可以是牙轮钻头、固刃钻头、其组合、或者根据需要的任何类型的钻头。
虽然其特定实施例在附图和说明书中作为实例被示出，但是本公开容许多种修改和可选形式。然而，应该理解，附图和详细说明不旨在将本公开限制到所公开的特定形式，而是相反，目的在于覆盖落在本公开的精神和范围内的所有修改、等同物和替换。

Claims (20)

1.一种钻头，包括：
钻头体；
多个环形叶片，连接至所述钻头体；
多个量规垫，连接至所述钻头体并且限定外切割直径；
沿圆周方向连续的量规环，连接至所述钻头体并且限定内切割直径；以及
内切割结构，连接至所述钻头体并且具有基本等于所述内切割直径的切割直径。
2.根据权利要求1所述的钻头，进一步包括：排屑槽，设置通过两个邻近环形叶片之间的所述钻头体，其中，所述排屑槽在所述内切割结构和所述钻头体的外表面之间提供流体管道。
3.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述内切割直径与所述外切割直径之比在0.25和0.75之间。
4.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述内切割直径具有从所述环形叶片的切割面凹入凹入距离的切割面。
5.根据权利要求4所述的钻头，其中，所述内切割直径与所述凹入距离之比在0.25和3之间。
6.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述内切割结构包括多个叶片。
7.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述内切割结构包括多个牙轮。
8.一种钻头，包括：
环形切割结构，具有外切割直径和内切割直径；
内切割结构，凹入所述环形切割结构内，并且具有基本等于所述内切割直径的切割直径；
外量规表面，具有基本等于所述外切割直径的直径；以及
沿圆周方向连续的量规环，具有基本等于所述内切割直径的直径。
9.根据权利要求8所述的钻头，其中，所述环形切割结构包括：
多个环形叶片，从钻头体延伸；以及
多个排屑槽，设置通过两个相邻环形叶片之间的所述钻头体，其中，所述排屑槽在所述内切割结构和所述钻头体的外表面之间提供流体管道。
10.根据权利要求8所述的钻头，其中，所述内切割直径与所述外切割直径之比在0.25和0.75之间。
11.根据权利要求8所述的钻头，其中，所述内切割结构具有从所述环形切割结构的切割面凹入凹入距离的切割面。
12.根据权利要求11所述的钻头，其中，所述内切割直径与所述凹入距离之比在0.25和3之间。
13.根据权利要求8所述的钻头，其中，所述内切割结构包括多个叶片。
14.根据权利要求8所述的钻头，其中，所述内切割结构包括多个牙轮。
15.一种钻头，包括：
钻头体，具有多个环形叶片和多个量规垫，其中，所述多个量规垫限定外切割直径；
沿圆周方向连续的内量规环，连接至所述多个环形叶片，其中，所述内量规环限定内切割直径；以及
内切割结构，连接至所述钻头体，并且具有从所述多个环形叶片的切割面凹入的切割面，其中，所述内切割结构还具有基本等于所述内切割直径的切割直径。
16.根据权利要求15所述的钻头，进一步包括：排屑槽，设置通过两个相邻环形叶片之间的所述钻头体，其中，所述排屑槽在所述内切割结构和所述钻头体的外表面之间提供流体管道。
17.根据权利要求15所述的钻头，其中，所述内切割直径与所述外切割直径之比在0.25和0.75之间。
18.根据权利要求15所述的钻头，其中，所述内切割结构具有从所述环形叶片的切割面凹入凹入距离的切割面，其中，所述内切割直径与所述凹入距离之比在0.25和3之间。
19.根据权利要求15所述的钻头，其中，所述内切割结构包括多个叶片。
20.根据权利要求15所述的钻头，其中，所述内切割结构包括多个牙轮。
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