CN1119497C - 用于地层钻孔的钻头、截齿钻头及制造截齿钻头的方法 - Google Patents
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Abstract
一种爪形齿的旋转钻头包括多个截齿，每个截齿都由与较软材料组合的硬质材料构成，从而当钻头被用于地层钻孔时，使截齿不均匀磨损。相邻的截齿可设置有互补结构型式的硬质材料和软质材料。两个相邻的截齿形成具有互补磨损结构型式的一个截齿组，从而使高处的截齿与低处的相邻截齿对齐。当钻头旋转时，地层可与截齿上的高处区域和低处区域随机咬合，以增加截割效率。当截齿不均匀磨损时，交替排列的硬质材料和软质材料层能够自动磨锐。硬质材料在截齿结构中的设置提高了截齿的刚度。在一最佳实施例中，硬质材料为多晶金刚石，而较软材料为钢材。
Description
技术领域
本发明总的涉及一种用于穿过地层钻孔的旋转钻头之截齿结构。具体而言，本发明涉及一种用于旋转钻头的改进的截齿结构，这种截齿结构包含了不同的材料，以提高旋转钻头的寿命和穿透能力。
背景技术
旋转钻头之截齿的设计和组分已发生了巨大的变化，这些变化显著提高了旋转钻头的寿命和钻进速度。对截齿的形状、硬质贴面、截齿的定位及在钻头上的方位、材料的成分及其它变量作出小的增量调整也经常会使钻头的性能产生显著的提高。冶金学的发展使通过从前的方法不可能实现的材料制造及材料的物理组合成为可能，而且有时使钻头的寿命和性能特性产生巨大的提高。超硬贴面材料例如多晶金刚石致密结构的引进使钻头的性能得以显著提高。
在某些情况下，改进的设计或结构往往伴随着明显的成本增加，而且根据所产生的改进水平或特性的提高，这种成本的增加很不合算。在这种情况下，更换掉旧钻头或延长钻进时间要比采用性能更好但成本更高的钻头更经济。因此，能够提高钻进速度和钻头寿命的设计及材料变化之可行性必须与生产包含这些变化的钻头之成本作比较。
在现有技术中，可通过对贴面边缘的倒圆和倒角来降低超硬钻头贴面的断裂和磨削。例如，授权给Clloey等人的美国专利5,437,343，则公开了具体的倒角结构，所述倒角结构可在切削部件上被加工而成，以增加其抗破裂的能力。
人们已经认识到：用合适的下层截齿材料来加强超硬材料层也能够提高超硬材料耐破裂的性能。例如，见授权给Bovenkerk的美国专利4,109,737，该专利公开了用于钻头切削部件的各种不同的支撑体设置有上层的硬质材料贴面。这些结构是采用特殊的加工方法，以可控制的方式将超硬材料施加到特殊成形的支撑体上形成的。
现有技术还公开了用于将超硬贴面材料粘接到钻头镶嵌物上的各种方法，以防止贴面材料的分层。例如，见授权给Dennis的美国专利4,784,023和授权给Dyer的美国专利4,972,637。这两份专利公开了钻头的磨损将在切削部件上形成多个刀刃的内容，其中切削部件被连接到支撑体或支座上。切削部件的刀刃是由使用过程中在切削部件上不均匀磨掉的不同材料形成的。所有上述现有技术的专利都涉及截齿，在这些截齿的支撑柱或其它支撑部件上安装有特殊的截割表面，其中支撑柱或支撑部件并未作为钻头之截割表面的一个普通部分而存在。在这些现有技术中，当截割表面磨损到支撑体上时，钻头的寿命也就基本结束了。
传统钻头上的一些截割部件或全部截割部件以大体通过截割部件之整体延伸的特定方式设置有硬质材料层。在这些层状的部件中，硬质材料层作离开钻头体延伸，而且被较软的钻头材料层沿侧向隔开地配置。普通钻头穿过地层的旋转将最终使硬质材料磨掉，从而逐渐暴露出层状的软材料和较硬的材料。这样，当在齿顶处开始产生磨损时，硬质材料就起到保护较软的齿芯的作用。此外，由于硬质材料的磨损率要慢于截齿主体材料的磨损，因此在钻头的截齿型廓上会形成交错排列的沟槽和脊起。磨损过程还具有使硬质材料之边缘倒角的作用。较软的钻头材料沿硬质材料的侧向形成封闭的侧向支承，这种支撑为硬质材料层提供了结构强度，从而进一步防止其破损。通过基本穿过切割部件的全长延伸的硬质材料层而使切割器的刚性得以提高，同时增加了截齿的有效截割长度。
发明内容
本发明的一个目的在于：在现有的传统的钻头设计方案的基础上采用改进的齿结构以便低成本地生产出一种钻进速度高、寿命长的钻头(截齿)。
本发明的另一目的在于：以新的配置型式使用传统的钻头截齿材料，以提高钻头的性能。
本发明的再一目的在于：采用传统的材料接合方法组合不同的钻头截齿材料，以形成改进的截齿设计，从而增加钻进的速度，延长传统钻头的使用寿命。
本发明的又一目的在于：提供一种自动倒角的钻头结构，这种钻头结构能够使组合在钻头截齿内的超硬材料减少断裂和脱落。
本发明的一个重要目的在于：提供一种在整个截齿型廓上由不同的层状材料一起构成的钻头截齿，以增加其寿命。
本发明的一个相关目的在于：提供一种钻头的截齿结构，其中邻近超硬材料的较软钻头截齿材料在截齿的整个磨损寿命中为超硬材料提供了侧向支撑，以使超硬材料的破损最小化。
本发明的另一目的在于：提供一种钻头，钻头上相邻的截齿由不同结构型式的不同材料构成，从而当截齿磨损时，形成不同的齿廓，以使在一个截齿的截割过程中形成(留下)的地层隆起可与后面截齿中的另一截齿的齿顶随机咬合，以提高钻头的钻进性能。
本发明的又一目的在于：提供一种相邻的截齿沿不同的路径穿过地层的钻头，其中相邻的截齿具有由连接的不同材料构成的类似结构形式，而且不同的材料大体沿整个齿体延伸，从而使相似磨损型式的多个隆起和沟槽形成于相邻的截齿上。
本发明的再一目的在于：在大致整个截齿的型廓上使普通、硬质贴面的同质钻头截齿与层状的不同材料构成的截齿交错排列，以当钻头截齿磨损时形成一地层接触表面，从而当钻头旋转时，优化钻头与地层之间的干涉力。
根据本发明的一种用于地层钻孔的钻头，包括：一钻头主体；从所述钻头主体延伸的多个截齿；所述截齿包括一主体部分和一硬质材料部分；所述硬质材料部分由不同于构成所述主体部分之材料的磨损特性的材料构成；和所述硬质材料部分以第一结构型式与所述截齿中的第一个(齿)组合，并与所述截齿中恰好邻近所述第一截齿的第二截齿以第二种不同的结构型式组合，从而使所述第一和第二截齿包括由两个截齿构成的截齿组，所述两个截齿在钻孔过程中不同程度地磨损。
根据本发明的一种制造用于旋转钻头主体上的钻头截齿的方法，包括以下步骤：使硬质材料和软质材料在第一钻头截齿上交替排列，以形成第一磨损结构型式；使硬质材料和软质材料在第二钻头截齿上交替排列，以形成不同于第一结构型式的第二磨损结构型式；和使所述第一和第二钻头截齿彼此相对定位在所述钻头主体上并相对钻头旋转的方向来定位，从而使所述第一和第二磨损型式沿钻头旋转的方向互补。
根据本发明的一种用于钻透地层的爪形截齿钻头，包括：一钻头主体；多个截割部件，每个所述的截割部件都包括一细长的基体，所述基体被所述钻头主体支承并作离开所述钻头主体地延伸；具有不同磨损特性、交替排列并侧向隔开的材料层以层状设置于所述截割部件的细长基体上并沿所述截割部件的整个长度延伸，从而使所述截割部件在钻孔过程中的磨损在与所述截割部件的表面接触的地层中形成交替排列的隆起和沟槽。
本发明的钻头方案提高了截齿的寿命和完整性，而且特别有利于定向钻孔及非均质地层的钻孔。
在本发明的一个实施例中，相邻的截齿设置有不同结构型式的较软钻头材料和超硬切割材料，从而使相邻齿上产生的磨损型式不同。在一最佳实施例中，相邻的结构型式形成互补方式，以使一个截齿的磨损沟槽与相邻齿的磨损齿顶处于相同的相对位置上。在该结构中，当钻头旋转时，齿顶随机地与被一个或多个在前的齿切割过的地层之隆起咬合，以在旋转钻头与地层之间形成最大的截割冲击力，从而提高钻进的速度。
在本发明的另一实施例中，相邻的齿设置有相同结构型式的硬质材料和较软材料，这些材料大体沿截齿(切割器)部件的整个长度延伸。即使相邻的截齿形成了类似的磨损型式，截齿轮廓与地层截割之间的干涉力也会增加，这是因为钻头锥上的相邻齿在其滚压或拖曳地层时要穿切不同的路径。
本发明的另一实施例以标准的硬质贴面齿替代了层状的齿，以形成另一种结构型式的截齿外形，而且还设法使其与被切割的地层截面之干涉力最优。
选择截齿的配置形式以实现最佳的钻头性能决定于钻孔地层的类型。这样，在某些地层中，使齿上的层状材料在相邻齿上产生互补磨损型式的截齿结构可最佳地延长钻头的寿命或提高钻进的速度，或者既延长钻头的寿命，又提高钻进的速度；在另外一些地层中，具有正常截齿与耐磨(wear)型截齿交变排列的钻头或者仅采用一种单一结构型式的硬质材料和软材料交变排列的钻头也可产生很好的效果。
附图说明
参照附图，通过如下的说明，将使本发明的这些目的及其它目的、特征及优点变得清楚，其中附图：
图1为一局部剖开的垂直剖视图，该图示出了在一相邻的钻头截齿组上互补几何图案的硬质材料与软质材料；
图2为一个与图1类似的视图，该图示出了图1的截齿组之磨损后的结构型式；
图3为装配有本发明之爪形截齿的牙轮钻头的部分立体视图；
图4为一局部剖开的垂直剖视图，该图示出了相邻的圆柱形镶嵌截齿，所述截齿具有互补几何形状的硬质与较软金属结构型式；
图5为沿图4之剖示线5-5的水平剖视图，该图示出了包含于圆柱形镶嵌件之硬质材料结构型式内的较软材料结构型式；
图6为层状组份材料的截齿与传统同质材料的截齿交错排列的示意图；
图7为一个与图6类似的视图，该图示出了图6的截齿组之磨损后的结构型式；
图8为具有相似层状组成材料结构的相邻钻头截齿的示意图；
图9为一个与图8类似的视图，该图示出了图8之截齿组的磨损后的结构型式。
具体实施方式
图1示出了整体上由10和11表示的相邻截齿，这种截齿可用于传统的牙轮钻头上。所述牙轮如图3所示。
截齿10由主体部分12和较硬材料部分13构成。类似地，截齿11由主体部分14和较硬材料部分15构成。主体12包括径向延伸的齿体部分16、17和18。互补并径向延伸的较硬材料部分19、20和21设置于截齿11上。截齿11还设置有径向延伸的主体部分22和23，这两个主体部分与截齿10上硬质材料的径向延伸部分24和25互补。
如图所示，应该理解：由部分16、17和18构成的截齿10之主体部分结构型式起到与截齿11的硬质材料部分19、20和21几何形状互补的作用。每个截齿都包括一齿顶和侧面，并且硬质材料从齿顶延伸到侧面之间的截齿主体中。当齿顶被磨掉时，截齿的主体被露出，从而使所产生的磨损区域形成一个截割轮廓，如图2所示。这种互补的关系还可以通过截齿10和11在旋转钻孔操作过程中的移动来进一步限定。为此，如果截齿10在旋转钻孔过程中位于截齿11之前，那么截齿11就不会沿与截齿10相同的接触路径移动，而同一滚锥上的其它截齿将与这相同的接触位置接合。截齿上不同截割结构型式的设置增加了截齿脊冲击地层隆起的可能性，从而在钻头任意给定的完整周期中增加了钻头与地层之间的干涉力。
当覆盖截齿的硬质材料被磨光时，磨损的截齿开始不均匀地磨损，如图2所示。在这一点上，应该这样理解：硬质材料13要比较软材料的主体12磨损慢，从而形成一系列隆起和沟槽，例如截齿10上的隆起26和沟槽27，及截齿11上的隆起28和沟槽29。
图3示出了在使用过程中被磨损后的旋转式牙轮钻头。可以看到：截齿11只剩下包括三个隆起部分的型廓，而相邻的截齿10只剩下包括四个隆起部分的型廓。这种结构型式沿整个旋转锥重复再现。这样，截齿10和11就作为互补的装置而工作，以在其与地层接合的每个接触位置上形成不同的截割方式。
图4示出了一种设置有本发明之交错排列的硬质材料和较软材料结构的镶嵌式截齿。图4所示的截齿组件包括齿30和相邻的齿31。齿30和31适合于以传统的方式装配在钻头主体上的孔内。与图1-3的实施例相同，图4的齿结构可用于任何合适的传统钻头结构中。互补的几何结构型式可通过截齿主体上硬质材料和较软材料的组合式结构形成于相邻的齿30和31上。这样，在齿30的结构中，硬质材料32覆盖并散布在较软材料33内。类似地，在齿31中，硬质材料34散布在较软的基体材料35内。软质材料和硬质材料结构的这种配置型式具体如图5所示。与前述的图1-3的实施例相同，截齿组30和31磨损过程中，可形成不同的齿型，从而使截齿与地层之间的干涉力最大化，并且当产生不同程度的磨损时，能够形成自动磨锐作用。硬质材料设置于较软主体材料内还可增加截齿的刚度，以进一步增加钻头对地层的穿透性。
尽管已对用于旋转锥形的钻头的本发明作出了具体的说明，但应该理解：本发明具有更广阔的应用领域，而且可被用于任何通过增加钻头截齿与地层轮廓之间的干涉力及通过增加截齿刚度及自动磨锐来提高其性能的钻头。还应该知道：尽管本发明已接合具有交替排列且具有互补几何形状的硬质材料结构型式的截齿作出了说明，但是本发明的优点也可通过在相邻截齿上采用基本相同的结构型式之钻头而得到。在这种应用中，如果钻头的动作由于前面之截齿的截割而与地层产生了干涉，那么也可以得到本发明之不同的磨损、自动磨锐及刚度特征的优点。
图6-8示出了本发明之钻头截齿在结构和磨损型式上的变形。图6示出了包括一第一齿35的未磨损牙轮钻头，其中在第一齿35上，设有一硬质材料36并覆盖了较软的钻头材料37。较软的材料通过截齿作离开层状的钻头主体(未示出)地突出，该层状钻头主体侧向地定位于硬质材料层之间。硬质材料和软质材料沿其交界的接触区域相互接合。其连接结合体可通过任何用于将不同的钻头截齿材料接合在一起的传统方法制成。
一相邻的齿38设有一硬质材料外层39，该外层覆盖着钻头主体内部的较软材料40。齿41以类似于齿35的方式被制成。围绕牙轮以重复地方式配置截齿材料结构型式的顺序。图7示出了图6所示之牙轮的磨损图形。
图8示出了用于钻头截齿之改进的材料层结构型式，其中一硬质材料外层50覆盖较软的钻头主体材料51设置。这种结构方式对于滚轮上的所有截齿是类似的。图9示出了图8之牙轮的磨损型式。
尽管已将本发明的硬质材料描述为多晶的金刚石，但应该理解：与截齿主体相比较硬的其它材料也可被用于本发明。还应该理解：多晶金刚石的截齿结构也可以是合成的金刚石楔块。类似地，下部的主体也未必是钢的，而可以是其它软于硬质材料并能够提供本发明之优点的材料。
尽管已参照最佳实施例对本发明作出了说明，但本领域的技术人员应该清楚：在不脱离所附权利要求书的范围内，可对本发明作出修改、替换、增加和删除。
Claims (21)
1.一种用于地层钻孔的钻头，包括：
一钻头主体；
从所述钻头主体延伸的多个截齿(10)；
所述截齿(10)包括一主体部分(12)和一硬质材料部分(13)；
所述硬质材料部分(13)由不同于构成所述主体部分(12)之材料的磨损特性的材料构成；和
所述硬质材料部分(13)以第一结构型式与所述截齿中的第一个(齿)组合，并与所述截齿中恰好邻近所述第一截齿的第二截齿以第二种不同的结构型式组合，从而使所述第一和第二截齿包括由两个截齿构成的截齿组，所述两个截齿在钻孔过程中不同程度地磨损。
2.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于：所述第一和第二结构型式为互补的几何结构，从而使所述截齿组中的第一和第二截齿以互补的型式磨损。
3.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于：所述主体部分(12)由钢材制成，而所述硬质材料部分(13)由多晶金刚石材料制成。
4.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于：所述截齿(10)中的每一个都包括一齿顶(28)和多个侧面，所述硬质材料覆盖所述齿顶和多个侧面定位，并从所述齿顶延伸到所述侧面之间的所述主体内，从而当所述齿顶磨损时，所述主体和所述硬质材料在所述截齿的磨损区域(29)内相互邻近，以形成截割交界面。
5.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，还包括：从所述钻头主体伸出的多个截齿组(10，11)。
6.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于：所述截齿的主体部分(12，14)与所述钻头主体一体形成。
7.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于：所述截齿(30，31)的主体部分(33，35)与所述钻头主体分别被制成，并被固定于所述钻头主体上。
8.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于：所述第一结构型式包括至少两个侧向隔开并在非中心区域(36)穿入所述截齿之主体内的硬质材料，所述第二结构型式包括在中央区域(39)穿入所述第二截齿之主体内的硬质材料。
9.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于：所述钻头为一牙论钻头。
10.根据权利要求7所述的钻头，其特征在于：所述钻头为一牙轮钻头。
11.一种制造用于旋转钻头主体上的钻头截齿的方法，包括以下步骤：
使硬质材料(24，25)和软质材料(16，17，18)在第一钻头截齿上交替排列，以形成第一磨损结构型式；
使硬质材料(20)和软质材料(22，23)在第二钻头截齿上交替排列，以形成不同于第一结构型式的第二磨损结构型式；和
使所述第一和第二钻头截齿彼此相对定位在所述钻头主体上并相对钻头旋转的方向来定位，从而使所述第一和第二磨损型式沿钻头旋转的方向互补。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述硬质材料包括多晶金刚石材料，而所述软材料包括钢材。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述截齿作离开所述钻头主体沿径向延伸，所述第一截齿的结构型式包括至少一个径向延伸的软材料部分(22)，所述第二结构型式包括至少两个径向延伸的并与所述第一结构型式的所述软材料部分(16，17)侧向隔开的软材料部分。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述第一(30)和第二(31)钻头截齿被镶嵌到所述钻头主体内。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述第一(10)和第二(11)截齿与所述钻头主体一体形成。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：所述第一(10)和第二(11)截齿与所述钻头主体一体形成。
17.一种用于钻透地层的爪形截齿钻头，包括：
一钻头主体；
多个截割部件(10，11)，每个所述的截割部件都包括一细长的基体，所述基体被所述钻头主体支承并作离开所述钻头主体地延伸；
具有不同磨损特性、交替排列并侧向隔开的材料层(19，22)以层状设置于所述截割部件的细长基体上并沿所述截割部件的整个长度延伸，从而使所述截割部件在钻孔过程中的磨损在与所述截割部件的表面接触的地层中形成交替排列的隆起和沟槽。
18.根据权利要求17所述的爪形齿钻头，其特征在于：所述交替排列的层由钢材(22)和多晶金刚石(19)构成。
19.根据权利要求17所述的爪形齿钻头，其特征在于：还包括多个爪形的截齿结构型式(10)，所述结构型式包括以具有不同型式的可变排列方式设置在所述截割部件上的交替排列之材料层，从而使所述截割部件磨损时，以在其各个地层接触表面的不同相对位置上形成交替排列的隆起和沟槽。
20.根据权利要求19所述的爪形齿钻头，其特征在于：所述交替排列的材料层包括钢材(22)和多晶金刚石(19)。
21.根据权利要求17所述的爪形齿钻头，其特征在于：所述层包括合成的金刚石楔块。
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