CN100595416C - 具有增强切削元件和切削结构的牙轮钻头 - Google Patents

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Abstract

牙轮钻头提供有使设置有硬桁条的软质和中质岩层的钻井效率最优化的切削元件和切削结构。该切削元件和切削结构适用于钻硬度不同的井下岩层。还可优化该切削元件和切削结构，以减少追迹并增大耐磨性。

Description

具有增强切削元件和切削结构的牙轮钻头
技术领域
本发明涉及用于在地下岩层内形成井孔的牙轮钻头，更具体的，涉及使相关钻头的性能最佳化的切削元件及切削结构的布置和设计。
背景技术
各种牙轮钻头过去已用于在井下岩层内形成井孔。这种钻头也称为“旋转式”牙轮钻头。该牙轮钻头常常包括这样一种钻体，该钻体具有自其起延伸的三个支臂。一种相应牙轮一般可转动地安装在与钻体相对的每个支臂上。这种钻头也称为“三牙轮钻头”或者“凿岩钻头”。
各种牙轮钻头已令人满意地用于形成井孔。例如包括，仅具有一个支臂和一个牙轮的牙轮钻头、具有两个支臂和可转动安装在每个臂上的相应牙轮的牙轮钻头、以及具有可转动安装在相应钻体上的四个或更多牙轮的牙轮钻头。各种切削元件和切削结构例如硬质合金齿、嵌件、铣成齿和焊接合金齿(welded compacts)也已用于牙轮钻头。
与牙轮钻头相关的切削元件和切削结构通常利用对相邻岩层部分进行剪切和压碎的组合来形成井孔。剪切运动也可描述为每个切削元件在相应牙轮的旋转过程中刮削岩层部分。压碎运动也可描述为每个切削元件在相应牙轮的旋转过程中穿透岩层部分。在钻井行业中一般公认的是，与切削元件压碎或穿透相同岩层相比，切削元件的剪切或刮削运动是一种更有效的用于自井孔移除给定量岩层物质的技术。有时称为刮刀钻头或PDC钻头的固定刀片钻头通常具有与岩层接触过程中仅进行剪切或刮削的切削元件或切削结构。因此，固定刀片钻头通常用于在软质和中质岩层内形成井孔。与固定刀片钻头相比，为钻软质和中质岩层，传统牙轮钻头通常要花更长的时间。
与牙轮钻头的切削结构相关的剪切运动或刮削运动的幅度取决于各种因素，例如每个牙轮的轴移和相关牙轮的轮廓。与牙轮钻头的切削结构相关的压碎运动或穿透运动的幅度取决于各种因素，例如钻头压力、相关切削结构的转速和几何构造以及相关牙轮的轮廓。与设计用于钻硬质岩层的牙轮钻头相比，设计用于钻较软质岩层的牙轮钻头通常具有较大的牙轮轴移值。用于钻软质岩层的牙轮钻头往往具有通过在每个牙轮上铣齿圈形成的切削结构。用于钻中质和硬质岩层的牙轮钻头往往具有由多个硬质金属嵌件或硬质合金齿形成的切削元件和切削结构。牙轮钻头行业中公知的是，钻井性能可通过设置在相关牙轮上的切削元件和切削结构的定向来加以改进。与压碎或穿透相同岩层相比，利用剪切或刮削，牙轮钻头往往能移除更大量的岩层物质。
发明内容
依照本公开内容的教义，一种牙轮钻头可形成有至少一个牙轮，该牙轮具有至少一个齿圈的切削元件，这样定向该切削元件使一个元件的牙顶一般垂直于一种相关刮削方向延伸以及相邻切削元件的牙顶一般平行于该相关刮削方向延伸。位于该一个齿圈内的其余切削元件优选布置成一般垂直于相关刮削方向延伸的牙顶与一般平行于该相关刮削方向延伸的牙顶相互交错。
本发明的另一方面包括提供一种具有至少一个牙轮的牙轮钻头，该牙轮具有至少一个齿圈的切削元件，这样定向该切削元件使每个切削元件的牙顶设置为一般垂直于一种相关刮削方向。同一牙轮上的相邻齿圈切削元件可定向为使每个切削元件的牙顶一般平行于相关刮削方向延伸。
本发明的再一实施例包括形成这样一种牙轮钻头，该牙轮钻头具有一种形成在第一牙轮上的保径齿圈，且每个切削元件的牙顶一般垂直于一种相关刮削方向排列以优化利用该保径齿圈自岩层移除的物质量。一种保径齿圈可形成在第二牙轮上，且每个切削元件的牙顶一般平行于一种相关刮削方向排列以优化该保径齿圈对岩层的穿透。一种保径齿圈可形成在第三牙轮上，且切削元件的交错布置部分地由一个切削元件的牙顶一般垂直于相关刮削方向设置以及相邻切削元件的牙顶一般平行于相关刮削方向设置来限定。
对于一些应用，牙轮钻头可依据本发明教义形成为每个牙轮具有多个形状、尺寸和/或定向不同的切削元件。同时，一个或多个切削元件可由两种或多种不同材料形成。
本发明的技术效果包括形成这样一种牙轮钻头，该牙轮钻头可有效地用于钻软质和硬质材料的混合岩层。一种依据本发明教义形成的牙轮钻头包括提供最佳刮削运动以自软质岩层移除较大量物质的切削结构。部分切削结构一般平行于刮削方向延伸以增强对散布在岩层内的硬质材料的穿透或压碎。本发明的另一方面包括在牙轮上形成切削元件和切削结构以在井孔底部产生空穴和凹坑，从而增强对该空穴或凹坑附近岩层物质的破碎和分裂。依据本发明教义形成的切削元件和切削结构可用于减少和/或消除相关牙轮的追迹和摆动。
本发明的技术效果包括给牙轮钻头提供这样一种切削元件和切削结构，该元件和结构可操作用以有效地在多个硬桁条散置于其中的软质和中质岩层内钻井孔。形成具有采用本发明教义的切削元件和切削结构的牙轮钻头可大幅度减少相关切削元件和切削结构的磨损，并增大钻头的钻井寿命。
附图的简要说明
通过结合附图参考以下说明书，可更充分且彻底地理解本实施例及其优点，在附图中，相同参考数字表示相同特征，且其中：
图1是一幅示意图，表示一种采用本发明教义的牙轮钻头的等距示图；
图2是一幅部分拆除的剖视正视图，表示一个采用本发明教义且可转动地安装在支臂上的牙轮钻头的例子；
图3是一幅示意图，表示嵌件的一个例子，该嵌件适用于采用本发明教义的牙轮钻头；
图4A是一种设置在牙轮钻头上且定向为利用剪切或刮削运动最佳地移除岩层物质的切削元件的图解表示；
图4B是一种设置在牙轮钻头上且定向为最佳地穿透或压碎硬质岩层的切削元件的图解表示；
图5是一幅示意图，表示定向为使传统牙轮钻头的追迹最小化的切削元件的一个例子；
图6A，6B和6C是示意图，表示定向为使传统牙轮钻头的追迹最小化的切削元件的一个例子；
图7是一幅示意图，表示依据本发明教义设置在牙轮上且使位于井孔底部的岩层物质的剪切和压碎均最小化的切削元件的一个例子；
图8是一幅示意图，表示依据本发明教义设置在牙轮上且使位于井孔底部的岩层物质的剪切和压碎均最小化的切削元件的另一种定向；
图9A，9B和9C是示意图，表示依据本发明教义定向在牙轮钻头的三个牙轮上且使地下岩层的剪切和压碎均最小化的切削元件的一个例子；
图10是一幅示意图，表示依据本发明教义用以使地下岩层的剪切和压碎均最小化以及用于减少相关切削结构的磨损的切削元件的定向以及该切削元件的尺寸变化；
图11A和11B在剖视图，表示依据本发明教义由不同种类材料形成的切割元件的例子；
图12A，12B和12C是示意图，表示利用本发明教义的牙轮钻头形成在岩层内的空穴或凹坑的图案例子；
图13用图表示利用本发明教义的牙轮钻头形成在井孔底部的凹坑群的一个例子；
图14A是一幅图表，表示利用本发明教义的牙轮钻头形成在井孔底部的空穴图案的一个例子；
图14B是一幅示意图，表示利用传统牙轮钻头形成在井孔底部的空穴图案的一个例子；
图15是一幅示意图，表示一种采用本发明教义且具有铣成齿的牙轮钻头的等距示图；以及
图16是铣成齿局部拆除的剖视图，该铣成齿依据本发明教义具有不同种类的材料。
具体实施方式
通过参考图1-16可最好地理解本发明的优选实施例及其优点，图中相同数字指示相同和相似部件。
本申请中使用的术语“切削元件”包括适用于牙轮钻头的各种硬质合金齿、嵌件、铣成齿和焊接合金齿。本申请中使用的术语“切削结构”包括形成或连接在牙轮钻头的一个或多个牙轮组件上的切削元件的各种组合和布置。
本申请中使用的术语“牙顶”和“纵向牙顶”描述在钻井孔过程中最初与井下岩层接触的切削元件或切削结构的部分。切削元件的牙顶通常在牙轮钻头及相关牙轮组件的旋转过程中与井孔底部啮合和啮离。牙顶的几何构造和尺寸基本依据相关切削元件或切削结构的特定设计和尺寸而变化。
如随后更详细描述的，依据本发明教义形成的切削元件和切削结构可具有各种设计和构造。依据本发明教义形成的切削元件优选包括至少一个牙顶。
图1和15表示具有一个或多个牙轮组件以及采用本发明教义的切削元件和切削结构的牙轮钻头的例子。本发明可用于具有嵌件的牙轮钻头或者具有铣成齿的牙轮钻头。本发明还可用于这样一种牙轮钻头，该牙轮钻头具有焊接到相关牙轮组件上的切削元件(未特意表示)。
一种钻柱(未特意表示)与钻头20或钻头320的螺纹部22连接，以转动相关牙轮组件30和330同时给相关牙轮组件30和330施加重量或力。与钻头20和320相关的切削或钻孔操作以牙轮组件30和330围绕井孔底部滚动的形式存在。所得到井孔的内径近似等于与牙轮组件30和330相应的组合外径或基准直径。对于一些应用，也可利用各种井底马达(未特意表示)来转动采用本发明教义的牙轮钻头。本发明不限于与传统钻柱连接的牙轮钻头。
为描述本发明的各种特征，牙轮组件30可标识为30a，30b和30c。牙轮组件330可标识为330a，330b和330c。牙轮组件30和330有时可称为“旋转式牙轮切刀”、“滚动式牙轮切刀”或者“切刀牙轮组件”。
牙轮钻头20和320用于通过牙轮组件30和330响应于所连接钻柱的转动而围绕井孔底部滚动来在地下岩层(未特别表示)内形成井孔(未特别表示)。牙轮钻头20和320一般通过利用切削元件60和360压碎或穿透井孔底部的岩层物质并刮削或剪切井孔底部的岩层物质来形成井孔。
牙轮钻头20优选包括具有锥形外螺纹部22的钻体24，该锥形外螺纹部22适于固定到钻柱的一端上。钻体24优选包括一种流道(未特别表示)，该流道用于经由钻柱连通来自井面的钻井泥浆或其它流体与所连接钻头20。钻井泥浆或其它流体可自喷嘴26排出。岩屑和其它碎屑可利用自喷嘴26喷出的钻井流体运离井孔底部。钻井流体一般在牙轮钻头20的底侧与相关井孔的底部之间径向向外流动。然后，钻井流体一般经由一种在某种程度上由钻头20和相关钻柱的外部以及井孔的内径所限定的环面(未特别表示)向上流至井面。
对于如钻头20代表的本发明实施例，钻体24可具有三(3)个自其起延伸且基本相同的支臂32。与钻体24相对的每个支臂32的下部优选包括各自的轴杆或主轴34。主轴34也可称为“轴承销”。每个牙轮组件30a，30b和30c优选包括各自从底面42起延伸的凹腔48。优选对每个凹腔48的尺寸和构造进行选择以容纳相应主轴34。凹腔48的一部分表示在图2中。
牙轮组件30a，30b和30c可转动地与自支臂32起延伸的各自主轴34连接。每个牙轮组件30a，30b和30c包括各自以一种角度延伸的转轴36(有时称为“牙轮转轴”)，该角度对应于主轴34与相关支臂32之间的关系。转轴36通常对应于相关主轴34的纵向中心线。
对于在图1和2中表示的实施例，多个硬质合金齿40可设置在每个牙轮组件30a，30b和30c的底面42内。硬质合金齿40用于“修整”井孔的内径，并防止底面42的其它部分与附近岩层接触。对于某些应用，硬质合金齿40由多晶金刚石类材料或者其它适当硬质材料形成。每个牙轮组件30a，30b和30c包括多个设置在各自齿圈上的切削元件60。一种保径齿圈的切削元件60可设置在每个牙轮组件30a，30b和30c的底面42附近。保径齿圈有时称为嵌件的“第一齿圈”。
硬质合金齿40和切削元件60可由各种硬质材料例如碳化钨形成。术语“碳化钨”包括碳化一钨(WC)、碳化二钨(W2C)、粗晶碳化钨和烧结碳化钨。适用于形成硬质合金齿40和切削元件60的硬质材料的例子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。本发明的一个重要特征包括选择硬质材料类型的能力，所选择的硬质材料以一种节省成本且可靠的方式提供理想的抗磨性和抗腐蚀性并提供最佳的钻井性能。
图2表示支臂32的一部分且牙轮组件30a可转动地安装在主轴34上。牙轮组件30a可绕一种相对于钻头20的转轴38以某角度向下且向内倾斜的牙轮转轴36转动。弹性密封件46可设置在主轴34的外部与圆柱形凹腔48的内部之间。凹腔48包括通常圆柱形的表面，这样设定该表面的尺寸以容纳与主轴34相关的对应外表面。密封件46形成一种位于主轴34的外部与凹腔48的内部之间的流体阻挡件，以保持凹腔48及轴承50和52内的润滑剂。密封件46还防止岩屑渗入凹腔48。密封件46保护相关轴承50和52使之不损失润滑剂并使之不接触碎屑，从而延长钻头20的井下寿命。
轴承50承受与牙轮组件30a相对于主轴34的转动相关的径向荷载。止推轴承54承受与牙轮组件30a相对于主轴34的转动相关的轴向荷载。轴承52可用于使牙轮组件30a与主轴34牢固啮接。
图3表示一个适用于采用本发明教义的牙轮钻头的切削元件的例子。每个牙轮组件30a，30b和30c可包括多个依据本发明教义布置的切削元件60。每个切削元件60可包括一般圆柱形的主体62以及一般凿子形的延伸部64。圆柱形主体62的底部66设计用以与形成在牙轮组件30a，30b和30c内的对应插孔或孔口58配合。对于某些应用，圆柱形主体62和凿子形延伸部64形成为整体部件。各种压力配合技术或者其它适当方法都适用于使切削元件60与各自插孔或孔口58牢固啮接。切削元件60一般描述为一种嵌件。
对于图1-3中表示的实施例，延伸部64可描述为一种在某种程度上由牙顶68限定的“凿子形”构造。圆柱形主体62可变化为具有长方形或椭圆形截面。同时，延伸部64可具有各种构造。
图4A和4B用图表示当牙轮钻头20在井孔底部转动的过程中切削元件60a和60b的相对运动。图4A和4B所示图表基于一种钻头坐标系统，其中，Z轴一般对应于相关牙轮钻头的转轴(有时称为“钻头转轴”)。轴Xh和Yh的坐标用于井孔。
基于各种因素例如钻头20的尺寸、每个牙轮组件30a，30b和30c的轴移角、每个切削元件60在牙轮组件30a，30b和30c上的特定位置，每个切削元件60沿各自路径或轨迹的运动将相对于钻头20的转轴38发生变化。如图4A和4B所示的曲线路径70a表示这种运动。如图4A和4B所示的线174和176一般对应于与一圈切削元件60a和60b有关的刮削区域的界线。线174和176一般为环形。在某种程度上由线174和176表示的每个圆环的中心一般对应于相关井孔的中心。例如参见图13和14A。
每个牙轮组件30a，30b和30c和相关切削元件60将具有各自用于最佳地移除井下岩层物质的定向和刮削方向以及各自用于相对于刮削方向最佳地压碎或穿透井下岩层的定向。在整个本申请中，箭头70用于指示利用相关切削元件移除岩层物质的最佳刮削方向。最佳刮削方向可从每个切刀牙轮组件上的一圈切削元件至下一圈切削元件发生变化。参见图7和8。
多种方法可用于确定切削元件的最佳定向及相关的利用牙轮钻头移除井下岩层物质的最佳刮削方向。名称为“Roller-Cone Bits，Systems，Drilling Methods，And Design Methods With Optimization Of ToothOrientation”的美国专利6,095,262公开了一些用于最优化的方法例子，这些例子部分地基于确定牙轮钻头与井下岩层啮接过程中嵌件或齿的径向和切向刮削运动。对于某些应用，利用等效(equivalent)切向刮削距离和等效径向刮削距离以及钻头转速与牙轮转速之间比率的计算结果来确定切削元件的最佳定向和相关的用于移除井下岩层物质的刮削方向。依据每个切削元件的特定设计特征例如尺寸和相关牙顶的构造，切削元件的牙顶用于最佳地穿透岩层的定向可近似垂直于同一切削元件的牙顶用于最佳地移除相同岩层物质的定向。
图4A用图表示切削元件60a，该切削元件60a具有一般垂直于最佳刮削方向70延伸的相关牙顶68a。图4B表示切削元件60b，该切削元件60b具有基本平行于最佳刮削方向70定位的牙顶68b且通常提供对附近岩层的最佳穿透或压碎。本发明的一个特征包括这样确定相邻切削元件60的定向，使一个切削元件60具有近似垂直于最佳刮削方向定位的牙顶(参见图4A)以及相邻切削元件具有基本平行于最佳刮削方向定位的牙顶(参见图4B)。结果，一个切削元件的牙顶可设置成近似垂直于相邻切削元件的牙顶。
传统牙轮钻头常常形成为使切削元件朝向相互不同的角度，以尽可能减少钻头转动过程中该切削元件的追迹。图5表示一种传统牙轮组件130的例子，该牙轮组件130具有设在齿圈176内的切削元件160a，160b和160c，该齿圈176形成在其外部上。切削元件160a，160b和160c上的各自牙顶168可相对于牙轮转轴136以不同的角度设置。
图6A，6B和6C示意性表示与一种传统牙轮钻头相关的三(3)个牙轮组件130a，130b和130c。对于此例，每个牙轮组件130a，130b和130c包括各自的齿圈172以及相对于有关牙轮转轴136以不同角度设置的切削元件160。改变每个牙顶168与各自转轴136之间的角度可减少井孔底部处的切削元件160的追迹或者与先前所形成凹坑的啮接。
图7和8示意性表示依照本发明教义设置在牙轮组件30d和30e上的切削元件60的例子。对于图7和8中表示的实施例，切削元件60可布置在各自的齿圈72，74和76上。第一齿圈或保径齿圈72优选设置在相关底面42附近。箭头70指示每个切削元件60的最佳刮削方向。箭头70的定向说明了最佳刮削方向可从同一牙轮组件上的一圈切削元件至下一圈切削元件而发生变化。
对于用牙轮组件30d表示的实施例，第一齿圈或保径齿圈72优选包括至少一个切削元件60以及其一般垂直于最佳刮削方向70延伸的相关牙顶68。相邻切削元件60的牙顶68平行于最佳刮削方向70。
因此，至少一个切削元件的牙顶68和相邻切削元件的牙顶68朝向相互大约九十度的方向。在某些实施例中，相邻切削元件牙顶68上的至少一个切削元件牙顶68的定向可发生变化，使牙顶68的定向从九十(90)度差异起变化达到十(10)度。在其它实施例中，交错牙顶68的定向变化可从上述交错牙顶68之间九十(90)度的定向差异起达到二十(20)或三十(30)度。
对于某些应用，切削元件60可按照一种类似的交错图案设置在第二齿圈74和第三齿圈76内，该交错图案由一般垂直于最佳刮削方向70延伸的一个切削元件60的牙顶68和一般平行于最佳刮削方向70延伸的相邻切削元件60的牙顶68所限定。
图8示意性表示另一个依据本发明教义设置在切刀牙轮组件30e上的切削元件60的例子。对于用牙轮组件30e表示的实施例，保径齿圈72内的切削元件60优选设置有一般均垂直于最佳刮削方向70延伸的牙顶68。在第二齿圈74内，每个切削元件60优选定位为使相应牙顶68一般平行于最佳刮削方向70延伸。在第三齿圈76内，每个切削元件60的牙顶68优选定位为基本垂直于最佳刮削方向70。对于某些应用，设置在保径齿圈72内的切削元件60与设置在齿圈74和76内的切削元件60相比具有较小的尺寸且由较坚固的材料形成。对于这种应用，用于较小尺寸的切削元件60的牙顶68在长度上可短于具有较大尺寸的切削元件60的牙顶68。尽管这种应用包括不同尺寸的切削元件，但在某些优选实施例中，该不同尺寸的切削元件具有一般相同的高度或者相同的牙顶与牙轮面之间距离。
本发明的益处包括认识到最佳刮削方向可在同一切刀钻轮组件上从一圈切削元件至下一圈切削元件发生变化，以及确定切削元件及相应牙顶的方向以提供对岩层的增强穿透或压碎或者提供增强刮削或剪切以最佳地移除岩层物质。本发明还包括用最佳的尺寸和构造形成切削元件以增强钻井效率。
图9A，9B和9C示意性表示与一种依据本发明教义的牙轮钻头相关的三(3)个牙轮组件30f，30g和30h。每个牙轮组件30f，30g和30h包括各自的牙轮转轴36和多个切削元件60。每个牙轮组件30f，30g和30h还包括各自的保径齿圈72。对于图9A，9B和9C中表示的实施例，牙轮组件30f的保径齿圈72内的切削元件60优选设置为使每个牙顶68一般垂直于最佳刮削方向70延伸。牙轮组件30g的保径齿圈72内的切削元件60优选设置为使每个牙顶68基本平行于最佳刮削方向70延伸。牙轮组件30h的保径齿圈72内的切削元件60优选按照一种交错图案设置，使一个牙顶68设置为一般垂直于最佳刮削方向70且相邻切削元件60的相关牙顶68设置为一般平行于最佳刮削方向70。对于某些应用，牙轮组件30f的保径齿圈72可包括十九(19)个切削元件60。牙轮组件30g和30h的保径齿圈72可分别包括十三(13)个和十五(15)个切削元件60。
本发明的技术效果包括选择设置在三(3)个牙轮组件的保径齿圈内的用以最佳地移除岩层物质的切削元件的数量，以及用以增强牙轮钻头对岩层的穿透的切削元件的数量。用图9A，9B和9C表示的实施例可导致基本相等的岩层移除和岩层穿透。对于某些较软岩层，可增加定位用以最佳地移除岩层的切削元件的数量，减少定位用以增强岩层穿透的切削元件的数量。对于较硬岩层，可减少定位用以最佳地移除岩层的切削元件的数量，增加定位用以增强岩层穿透的切削元件的数量。同时，可改变每个齿圈内的切削元件的数量以获得最佳钻井效率。
图10示意性表示依据本发明教义其上设置有多个切削元件60d和60e的牙轮组件30i。牙轮组件30i优选包括切削元件60d和60e的齿圈72，74和76。对于此实施例，切削元件60d可具有比切削元件60e大的直径。每个切削元件60d的牙顶68可定位为基本平行于最佳刮削方向70，以提供对岩层的增强穿透。切削元件60e按照一种与相关切削元件60d交错的顺序具有各自一般垂直于最佳刮削方向70延伸的牙顶68。可选择切削元件60e的尺寸，使利用切削元件60e移除的物质量近似等于利用切削元件60d穿透的岩层量。
对于其它类型的岩层，定位为一般垂直于最佳刮削方向70的切削元件60e可大于一般平行于最佳刮削方向70延伸的切削元件60d。本发明的技术效果包括基于各种因素例如总体岩层硬度和岩层硬度的任何变化来改变切削元件的尺寸，以优化岩层的穿透、岩层物质的移除以及相关切削元件的钻井寿命。
图11A和11B示意性表示采用本发明教义的两(2)个切削元件60f和60g。在图11A中，切削元件60f表示为具有纵向牙顶68，该纵向牙顶68定位为一般平行于最佳刮削方向70以增强岩层穿透。切削元件通常包括一前缘和一后缘，该前缘和后缘在某种程度上是利用与岩层的撞击来限定的。这样构成切削元件60f，使形成前缘部64a的材料比形成后缘部64b的材料硬。这样布置的结果是，与利用形成后缘部64b的较软材料来形成前缘部64a相比，该前缘部64a寿命延长。一般，硬质材料贵于软质材料。因此，前缘部64a由较贵的材料形成，后缘部64b由不太贵的材料形成。例如，前缘部64a具有较高浓度的金刚石类材料，后缘部64b具有较低浓度的金刚石类材料。
在图11B中，切削元件60g表示为具有纵向牙顶68，该纵向牙顶68定位为一般垂直于最佳刮削方向70以增强对岩层物质的移除。与用以形成后缘部64b的材料相比，切削元件60g的前缘部64a由较硬材料形成。依据本发明教义形成切削元件60g的延伸部64的结果是，与利用相关后缘部64b的较软材料来形成前缘部64a相比，该前缘部64a的寿命延长。
本发明允许置更高浓度的硬质材料，该材料通常比与形成前缘部附近的切削元件相关的其它材料贵，以增强耐腐蚀性和耐磨性。对于某些应用，有利的是采用较软材料形成切削元件的前缘部以及较硬材料形成该切削元件的后缘部。相对于图16的切削元件360f将论述这种布置。
图10，11A和11B表示采用较大嵌件来穿透岩层以及采用较小嵌件来增大移除量。对于某些应用，特别是非常硬的岩层，有利的是采用较多数量的定向用以增强对岩层的穿透和压碎的嵌件以及采用较少数量的定向用以优化岩层物质的移除的嵌件。
图12A，12B和12C示意性表示利用一种采用本发明教义的牙轮钻头在井孔底部80形成的凹坑例子。图12A表示由这样一种切削元件形成的凹坑82的例子，该切削元件朝向用于最佳移除岩层物质的方向。凹坑84由这样一种切削元件形成，该切削元件依据本发明教义朝向增强岩层穿透的方向。凹坑82和84可由不同钻头牙轮上的切削元件形成或者由设置在同一牙轮上的切削元件形成。组合凹坑82和84形成一般“T形”的凹坑86。图12B表示依据本发明教义定向切削元件使凹坑82和84形成一般“十字形”凹坑88的结果。图12C表示切削元件的多次撞击生成一系列相连凹坑82和84从而产生“H形”凹坑列90的结果。
本发明的技术效果包括在井孔内形成凹坑82和84以最佳地破碎和分裂相邻岩层物质。切削元件还可定向用以增大对在相邻凹坑82和84之间延伸或者“桥接”相邻凹坑82和84的任何岩层物质的破碎或分裂。可改变切削元件的尺寸和构造，以尽可能减少所存在的桥接物质。
图13用图表示一个利用采用本发明教义的钻头在井孔底部形成的一般圆形凹坑群或环的例子。如先前相对于图12A，12B和12C论述的，本发明允许确定切削元件的方向以产生用于最佳移除岩层物质的凹坑82以及用于增强岩层穿透的凹坑84。在相关钻头的转动过程中，切削元件将优选与井孔底部啮接以产生在某种程度上由凹坑82和84限定的切削环。例如，图13中表示的最外环凹坑82和84由设置在相关牙轮组件的保径齿圈内的切削元件生成。每个切削环的宽度近似等于定位用于最佳移除岩层物质的相关牙顶68的有效宽度。
可缩短每个齿圈内相邻切削元件60之间的距离，以尽可能减少存在于所得到凹坑82和84之间的任何桥接物质。依据本发明教义，可调节位于切削元件的相邻齿圈之间的间隔以尽可能减少存在于一环凹坑82和84与相邻环凹坑82和84之间的任何桥接物质。依据本发明教义，还可这样确定切削元件的方向，使岩层的增强穿透导致对桥接物质的增强破碎和分裂以获取更有效的岩层移除。
图14A示意性表示利用一种具有交错牙顶的保径齿圈例如牙轮组件30d的保径齿圈72在井孔底部形成的凹坑效果，该交错牙顶定位用于最佳地移除岩层物质并增强对岩层的穿透。凹坑82和84相互协作以在附近的地下岩层部分内形成一种通常圆形的切削环。所得到凹坑82和84显示了保径齿圈72内的切削元件60与先前所形成凹坑的追迹或者任何趋势已经大幅度减少或者消除。
图14B示意性表示传统牙轮钻头的一个例子，该牙轮钻头具有以某角度设置在保径齿圈内的切削元件，该角度不是用于移除岩层或者穿透岩层的最佳角度。由这种切削元件形成的凹坑182和184具有一种相互叠加或者相互搭落的趋势，这种趋势导致追迹和钻井效率的下降。
图15中所示的牙轮钻头320优选包括具有锥形外螺纹部22的钻体324。钻体324优选包括一种流道(未特别表示)，该流道用于经由一种钻柱连通来自井面的钻井泥浆或其它流体与所连接钻头320。钻体324具有三个自其起延伸且基本相同的支臂332。每个支臂优选包括各自的轴杆或主轴(未特别表示)。牙轮组件330a，330b和330c可转动地与自支臂332起延伸的各自主轴连接。每个牙轮组件330a，330b和330c都包括一种用于容纳各自主轴的凹腔。每个牙轮组件330a，330b和330c都具有如前相对于钻头20所述的牙轮转轴。
依据本发明教义，切削结构可形成在每个牙轮组件330a，330b和330c上。例如，切削元件或齿360可成圈地形成在每个牙轮组件330a，330b和330c上且其定向类似于先前所述的切削元件60。如先前相对于切削元件60所述的，切削元件360可设置有为最佳穿透岩层而定向的牙顶368或者为最佳移除岩层物质而定向的牙顶368。切削元件360通常利用磨铣技术形成。所得到的切削元件360有时称为“铣成齿”。
在一些实施例中，这样提供切削元件360，使交错铣成齿360的牙顶368长度发生尺寸变化。在某些实施例中，这包括改变交错切削元件360的尺寸，为具有较长牙顶368的较大切削元件提供穿透硬质岩层的强度，然后确定具有较短牙顶的较小切削元件的方向以移除最大岩层量。
在一些实施例中，切削元件360由与牙轮相同的材料形成，且还包括施加于其上的一种硬覆层。这种硬覆层可施加到整个切削元件360上、仅施加到该切削元件360的前缘上、或者仅施加到该切削元件360的后缘上。
图16在剖视图中示意性表示了一个依据本发明教义由两种不同类型材料形成的切削元件360f的例子。对于一些应用，较硬材料364a可设置在切削元件360f的后缘上。较软材料用于形成切削元件360f的部分364b。箭头381和382表示与切削元件360f相关的前方和后方。对于其它应用，较硬材料设置在切削元件360f的后部上，前部由较软材料形成。
本发明的技术效果包括确定切削元件的方向以最佳地移除岩层材料或者最佳地穿透岩层以及尽可能减少该切削元件的磨损。对于一些类型的岩层，优选用与切削元件的后缘相比较硬的材料形成该切削元件的前部。对于其它应用，优选用较软材料形成切削元件的前部以及用较硬材料形成后部。这种布置使相关切削元件自动磨锐。
尽管已对本发明及其优点进行了详细描述，但应认识的是可做出各种变化、替换和变更而不脱离由以下权利要求书所限定的本发明实质和范围。

Claims (22)

1.一种用于在地下岩层内形成井孔的牙轮钻头，包括：
钻体，具有至少一个自其起延伸的支臂；
相应牙轮组件，可转动地安装在每个所述支臂上，用于与所述岩层啮接以形成所述井孔；
每个所述牙轮组件具有至少一齿圈的切削元件；
每个所述切削元件具有自所述相应牙轮组件起延伸的用于与附近的所述岩层部分啮接的牙顶；
每个所述牙轮组件以及相关的切削元件具有用于最佳地移除所述岩层物质的相关的最佳刮削方向；
位于至少一个齿圈内的所述切削元件的所述牙顶设置成第一切削元件的牙顶定向为垂直于所述相关的最佳刮削方向，以通过所述第一切削元件最优量地移除所述岩层物质；
第二切削元件，位于所述至少一个齿圈内且设置在所述第一切削元件附近；
所述第二切削元件的牙顶定向为垂直于所述第一切削元件的牙顶，以通过所述第二切削元件最佳地穿透所述岩层；以及
所述至少一个齿圈内的其余切削元件按照这样一种交错图案布置，其中，一个切削元件的所述牙顶定位用于最优量地移除所述岩层物质，相邻切削元件的所述牙顶定位用于最佳地穿透所述岩层。
2.权利要求1所述的钻头，还包括：
至少一个牙轮组件具有相互隔开的至少保径齿圈切削元件、第二齿圈切削元件以及第三齿圈切削元件；
位于所述至少一个牙轮组件的所述保径齿圈切削元件内的切削元件的各自牙顶以一种交错图案布置，所述交错图案部分地由定向为垂直于所述相关的最佳刮削方向的一个所述切削元件的牙顶以及定向为平行于所述相关的最佳刮削方向的相邻切削元件的牙顶限定；
位于所述至少一个牙轮组件的所述第二齿圈切削元件内的切削元件的各自牙顶以一种交错图案布置，所述交错图案部分地由定向为垂直于所述相关的最佳刮削方向的一个所述切削元件的牙顶以及定向为平行于所述相关的最佳刮削方向的相邻切削元件的牙顶限定；以及
位于所述至少一个牙轮组件的所述第三齿圈切削元件内的切削元件的各自牙顶以一种交错图案布置，所述交错图案部分地由定向为垂直于所述相关的最佳刮削方向的一个所述切削元件的牙顶以及定向为平行于所述相关的最佳刮削方向的相邻切削元件的牙顶限定。
3.权利要求1所述的钻头，还包括：所述第一切削元件和所述第二切削元件相互协作以在附近岩层内形成一系列T形的空穴。
4.权利要求1所述的钻头，还包括：所述第一切削元件和所述第二切削元件相互协作以在附近岩层内形成一系列十字形的空穴。
5.权利要求1所述的钻头，还包括：
第一齿圈的切削元件相互协作以在附近的岩层内形成一系列相互搭接且为十字形的空穴；
第二齿圈的切削元件相互协作以在附近的岩层内形成一系列相互搭接且为十字形的空穴；以及
由所述第一齿圈的切削元件形成的所述十字形空穴偏离由所述第二齿圈的切削元件形成的所述十字形空穴。
6.权利要求1所述的钻头，还包括：至少一个切削元件具有由硬质材料形成的第一部分和由较软材料形成的第二部分。
7.权利要求1所述的钻头，还包括：至少一个切削元件具有由硬质材料形成的前部和由较软材料形成的后部。
8.权利要求1所述的钻头，还包括：至少一个切削元件具有由软质材料形成的前部和由较硬材料形成的后部。
9.权利要求1所述的钻头，还包括：至少一个齿圈的切削元件相互协作以在附近的岩层内形成一系列相互搭接的T形空穴。
10.权利要求1所述的钻头，还包括：至少一个齿圈的切削元件相互协作以在附近的岩层内形成一系列十字形的空穴。
11.权利要求1所述的钻头，还包括：
第一齿圈的切削元件相互协作以在附近的岩层内形成一系列相互搭接且为T形的空穴；
第二齿圈的切削元件相互协作以在附近的岩层内形成一系列相互搭接且为T形的空穴；以及
由所述第一齿圈的切削元件形成的所述T形空穴偏离由所述第二齿圈的切削元件形成的所述T形空穴。
12.权利要求1所述的钻头，还包括：所述切削元件自包括嵌件和铣成齿的组中选出。
13.一种可操作用于在地下岩层内形成井孔的牙轮钻头，包括：
钻体，具有至少一个自其起延伸的支臂；
相应牙轮组件，可转动地安装在每个所述支臂上，用于与所述岩层啮接以形成所述井孔；
每个所述牙轮组件具有相互隔开的至少保径齿圈切削元件、第二齿圈切削元件以及第三齿圈切削元件；
每个所述切削元件具有自所述相应牙轮组件起延伸的用于与附近的岩层部分啮接的牙顶；
位于所述至少一个牙轮组件的所述保径齿圈内的所述切削元件的各自牙顶设置为垂直于相关的最佳刮削方向；
位于所述至少一个牙轮组件的所述第二齿圈切削元件内的所述切削元件的各自牙顶设置为平行于所述相关的最佳刮削方向；以及
位于所述第三齿圈切削元件内的所述切削元件的各自牙顶定向为垂直于所述相关的最佳刮削方向。
14.权利要求13所述的钻头，还包括：
所述支臂包括三个自所述钻体起延伸的支臂；
第一、第二和第三牙轮组件，可转动地安装在相应的所述支臂上；
位于所述第一牙轮组件的所述保径齿圈内的每个所述切削元件的各自牙顶定向为垂直于所述相关的最佳刮削方向；
位于所述第二牙轮组件的所述保径齿圈内的每个所述切削元件的各自牙顶定向为平行于所述相关的最佳刮削方向；以及
位于所述第三牙轮组件的所述保径齿圈内的每个所述切削元件的各自牙顶按照一种交错图案布置，所述交错图案部分地由定向为垂直于所述相关的最佳刮削方向的一个所述切削元件的牙顶和定向为平行于所述相关的最佳刮削方向的相邻切削元件的牙顶限定。
15.一种牙轮钻头，包括：
钻体，具有至少一个自其起延伸的支臂；
相应牙轮组件，可转动地安装在每个所述支臂上，用于与地下岩层啮接以形成井孔；
每个所述牙轮组件具有至少第一齿圈切削元件和第二齿圈切削元件；
每个所述切削元件具有自所述相应牙轮组件起延伸的用于与附近的岩层部分啮接的牙顶；
每个所述牙轮组件和相关的切削元件具有用于最佳地移除所述岩层物质的相应的最佳刮削方向；
位于所述第一齿圈内的所述切削元件的牙顶定向为垂直于所述最佳刮削方向，用于通过所述第一齿圈切削元件移除所述岩层物质；以及
位于所述第二齿圈内的所述切削元件的牙顶定向为平行于所述最佳刮削方向，用于通过所述第二齿圈内的切削元件移除所述岩层物质。
16.权利要求15所述的钻头，还包括：与用以形成所述第一齿圈内的所述切削元件的材料相比，所述第二齿圈内的所述切削元件由具有增强硬度的材料形成。
17.权利要求15所述的钻头，还包括：位于所述第一齿圈内的所述切削元件的牙顶的长度选择为比位于所述第二齿圈内的所述切削元件的牙顶长。
18.一种牙轮钻头，包括：
钻体，具有至少三个自其起延伸的支臂；
相应牙轮组件，可转动地安装在每个所述支臂上，用于与地下岩层啮接以形成井孔；
每个所述牙轮组件具有保径齿圈切削元件
每个切削元件具有自所述相应牙轮组件起延伸的用于与附近的岩层部分啮接的牙顶；
每个所述牙轮组件和相关的切削元件具有用于移除所述岩层物质的最佳刮削方向；
位于所述第一牙轮组件的所述保径齿圈内的所述切削元件的牙顶定向为垂直于所述最佳刮削方向，以通过所述第一牙轮组件的所述保径齿圈移除岩层物质；
位于所述第二牙轮组件的所述保径齿圈内的所述切削元件的牙顶定向为平行于所述最佳刮削方向，以通过所述第二牙轮组件的所述保径齿圈增强对所述岩层的穿透；
所述第三牙轮组件的所述保径齿圈的所述切削元件的牙顶设置有定向为垂直于所述最佳刮削方向以移除所述岩层物质的第一切削元件的所述牙顶以及近似垂直于所述第一切削元件的所述牙顶设置以增强对所述岩层的穿透且位于所述第三牙轮组件的所述保径齿圈内的第二切削元件的所述牙顶；以及
位于所述第三牙轮组件的所述保径齿圈内的其余切削元件按照一种交错图案布置，其中，一个切削元件的牙顶定位用于最佳地移除所述岩层物质，相邻切削元件的牙顶定位用于增强对所述岩层的穿透。
19.权利要求18所述的钻头，还包括：垂直于所述最佳刮削方向定向的所述切削元件具有比平行于所述最佳刮削方向定向的所述切削元件大的尺寸。
20.权利要求18所述的钻头，还包括：垂直于所述最佳刮削方向定向的所述切削元件具有比平行于所述最佳刮削方向定向的所述切削元件小的尺寸。
21.权利要求18所述的钻头，还包括：与用以形成平行于所述最佳刮削方向定向的所述切削元件的材料相比，垂直于所述最佳刮削方向定向的所述切削元件由具有增强硬度的材料形成。
22.权利要求18所述的钻头，还包括：与用以形成垂直于所述最佳刮削方向定向的所述切削元件的材料相比，平行于所述最佳刮削方向定向的所述切削元件由具有增强硬度的材料形成。
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