CN101218413A - 旋转钻头杆、如此配备的旋转钻头及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于旋转钻头的杆构造，其用于使杆相对于钻头体定位。杆的锥形表面或特征可以构造和大小设置为与钻头体的互补形状的表面或特征配合地接合，从而以所述钻头体为中心或相对于其定位。可变形元件可以设置在杆和钻头体之间。同样，杆可以包括具有小于大约0.35％的碳当量的材料。可以使用多道焊缝工艺以使杆和钻头体彼此固定，其中焊缝可以形成，使得一个焊缝起始于周向位置，所述周向位置与其前一焊缝的周向起始位置隔开至少大约90°。另外，在多道焊缝中产生应力状态。本发明还公开了一种制造方法。

Description

旋转钻头杆、如此配备的旋转钻头及制造方法

技术领域

本发明通常涉及用于钻进地下岩层的旋转钻头的钻头杆，以及如此配备的旋转钻头。

背景技术

典型的旋转钻头包括固定到硬化钢杆上的钻头体和包括表面区域的冠部，所述硬化钢杆具有用于将钻头连接到钻柱上的螺纹销连接，所述表面区域支承用于切入地层的切削结构。通常，如果钻头是固定切削刃或所谓的“刮刀”钻头或钻头，切削结构包括多个切削元件，其至少部分地由超耐磨材料，例如聚晶金刚石形成。使用聚晶金刚石复合(PDC)片的旋转刮刀钻头已经使用了几十年。典型地，钻头体可以由钢，或者渗透有粘合料(通常为铜合金)的硬质颗粒材料(例如碳化钨(WC))的基体形成。

在钢体钻头的情况下，钻头体典型地由圆钢机加工到希望的形状。径向和纵向延伸的刀翼、用于将钻孔液传送至钻头面的内部水路以及界定在钻头面上的精确位置处的外貌特征可以利用计算机控制的多轴机床在钻头体中机加工而成。用于在钻孔期间耐磨的表面硬化通常施加到钻头面上并且施加到钻头外部的其它关节区域上，并且切削元件通常通过将其近端插入在内部机加工而成的切削元件凹窝(pockets)中而固定到位于钻头面上的刀翼上。在机加工和表面硬化之后，钻头体可以固定到具有螺纹销连接的硬化钢杆上，所述螺纹销连接用于将钢体旋转钻头固定到向下钻进电机的驱动轴上，或者直接固定到位于钻柱远端的钻环上，其中所述钻柱通过回转工作台或顶部驱动装置在地面上旋转。

另一方面，基体型钻头包括钻头体，所述钻头体由包含在石墨模型内和并渗透有粘合料(通常为铜合金)的硬质颗粒材料(例如，碳化钨)的基体形成。可以使用铸造树脂复模砂、石墨位移或(在一些情况下)柔性聚合粘合料中的碳化钨颗粒以界定内部水路和通道，用于将钻孔液输送到钻头面、切削元件插口或凹窝、脊部、台肩(land)、喷嘴孔、排屑槽及基体型旋转刮刀钻头的其它外部外貌特征。但是，因为基体材料包括碳化钨或基本上不能进行机加工的其它相对硬质颗粒，可机加工的钢坯典型地在基体材料渗透之前放置到钻头模型中，所述钢坯在渗透剂硬化时形成基体型旋转刮刀钻头体的一部分，所述渗透剂固定位于内部的坯件。以类似于制造钢体钻头的方式，基体型钻头体通过可机加工坯件可固定到具有螺纹销连接的硬化钢杆上，所述螺纹销连接用于将钻头固定到向下钻进电机的驱动轴上或者直接固定到位于钻柱远端的钻环上，所述钻柱通过回转工作台或顶部驱动装置在地面上旋转。

因此，在钢体或基体型旋转钻头中，钻头体和硬化杆之间的定位是关键的，因为包括螺纹销连接的杆可以确定钻头的旋转轴线。旋转轴线相对于切削元件的定位设计在旋转刮刀钻头工作过程中显然是极为重要的，因为旋转钻头设计的方面至少部分地建立在切削元件位置以及作用于其上的预计作用力的基础上。例如，所谓的“防转”设计利用指向缓冲垫(pad)的优选横向力，所述缓冲垫设计成能支撑在地层上以便稳定旋转刮刀钻头。通常，在基体型钻头体和硬化杆之间使用螺纹连接，如下文详细描述的那样。

图1A和1B显示了通常根据上述说明形成的传统基体型钻头10。传统的基体型钻头10包括中心纵轴线3和贯穿孔12，所述贯穿孔用于在钻孔操作期间将钻孔液输送至钻头面。切削元件5和7(典型地金刚石，最通常的为合成聚晶金刚石复合片或PDC)可以在钻头体渗入期间(如果使用热稳定PDC，通常称作TSP)结合到钻头面上，或者通过铜焊、粘合或机械固定结合到其上。

包括相对韧性钢的传统的预先形成的所谓坯件14也可以提供钻头体基体19的内部加固。坯件14典型地由相对韧性钢组成，因为胚件在渗入期间经受的高温通常使大多数钢材料退火。坯件14可以包括圆柱形或管状形状，或者可以在结构上相当复杂并且包括与钻头面上的刀翼、翼片或其它特征相对应的突起部。突起部或指状物通常可以焊接到形成于坯件14的管状部分内部的纵向槽中。如上所述的坯件14或其它预先形成件可以位于石墨模型内部的适当位置处，所述石墨模型用于铸造钻头体。在碳化钨与粘合料一起在熔炉中发生渗透之后，坯件14可以在钻头体冷却时固定到钻头体基体19上，并且另一预先形成件在基体冷却时取出。坯件14可以通过螺纹连接15和焊缝20机加工或固定到杆16上。通常，连续焊缝可以形成在杆16和坯件14之间。杆16典型地由AISI 4140钢，具有高于大约0.35％的碳当量的材料制成，这要求杆16和坯件14在焊接之前预先加热。杆16包括加工在其上部的锥形螺纹17，以便将传统的基体型钻头10连接到一系列钻管(未显示)上。机加工螺纹17在杆16连接到坯件14上之前形成；因此杆16与坯件14的正确定位是关键的。

图1C显示了具有传统杆16的传统的基体型钻头11，并且图解说明了杆16和钻头体23之间的接触面。传统的基体型钻头11包括内孔12，该内孔通常以其中心纵轴3为中心。杆16包括用于连接到钻柱(未显示)上的锥形螺纹17和用于旋松和拧紧基体钻头11和钻柱(未显示)之间的锥形螺纹连接的“钻头装卸器”表面21。杆16可以通过螺纹连接15和焊缝20固定到钻头体23上。当然，钻头体23包括坯件(未显示)，其提供钻头体23和杆16之间的接合表面。

图1D显示了传统的钢体钻头30，其包括钻头体44和通常以中心轴线33为中心的内孔32。如图1D所示，传统的钢体旋转钻头30包括具有用于连接到钻柱上的螺纹连接37的杆36，其中杆36通过焊缝40固定到钻头体44上。钻头体44还可以支承具有切削元件38的刀翼42，用于在地下钻进期间去除地层。

如图1C和1D所示，在制造基体型或钢体旋转钻头的过程中，杆固定到钻头体上。另外，在杆传统地焊接到旋转钻头的钻头体上时，杆可以包括具有高于大约0.35％的碳当量的材料，例如，AISI 4140钢。因此，杆和钻头体优选地在焊接开始之前加热到大约371摄氏度(700华氏度)。另外，传统的焊接工艺可以表示，当杆焊接到钻头体上时，如果杆温度达到482摄氏度(900华氏度)，焊接工艺可以中断，直至温度降低。当传统的焊接工艺在由于杆过热或不充分加热引起的延迟之后重新开始时，焊接可以在延迟开始时从大体上相同的周向位置继续。

在讨论现有技术的钢体钻头时，美国专利No.6,116,360公开了焊接到从内部伸出的钢制钻头体上的杆。但是，杆和钢钻头体之间的配合表面不成锥形。

另外，授权给Hill的美国专利No.5,150,636公开了切削头和杆之间的收缩配合。另外，Hill公开了杆尖端可以具有略微倒置的锥部以更好地保持切削头。

在这里，发明人观察到，杆和坯件之间的传统螺纹连接可能在螺纹接头和紧邻的焊接接头内产生不希望的应力。另外，传统的螺纹连接可能使杆和钻头体之间产生错位。另外，已经观察到，坯件和杆之间的传统单道焊可以允许乃至促进其间的变形和错位。因此，有利地是取消在将杆焊接到钻头体之前预先加热杆的必要，并且存在对使用于制造旋转钻头中的改进的杆结构的需要。

发明内容

本发明提供了尤其适用于旋转钻头的合乎逻辑的、实践中可实现的杆结构，所述结构可以适应特定的钻头尺寸和布置。在本发明的杆结构中，杆可以包括具有小于大约0.35％的碳当量的材料，例如，AISI4130钢或AISI 4130MOD钢。这种结构能够取消焊接之前的预热，所述预热典型地为传统杆材料所需，所述材料例如为AISI 4140钢，并且本发明考虑并包括在无需预先加热杆结构的情况下，将杆结构焊接到钻头体的一部分上的方法。

同样根据本发明，杆相对于钻头体的定位可以通过其锥形表面的接合实现。例如，杆的锥形表面或特征可以构造和大小设置成与例如在基体型钻头情况下位于坯件的一部分上、或者在钢体钻头的情况下钻头体的任何适当部分上的钻头体的互补成形的表面或特征相配合，从而以钻头体为中心或相对其定位。本发明不局限于任何特定的锥形表面，因为许多布置可以提供这种定位，并且可以使用一个以上的锥形表面。锥形表面或特征构造可以提高坯件相对于杆的定位，并且还可以取消其间传统的螺纹加工。用于执行本发明的易于形成的示例性渐缩、互补表面包括但不限于回转面，例如截头圆锥形表面，其中这种回转面可以机加工形成。

另外，可以使用多道焊接工艺，其中多个单独的周向焊缝起始于不同的周向位置。这种焊接工艺和构造可以通过补偿由传统焊接工艺造成的变形或使其减至最小而使杆与钻头体的焊接组件定位或保持对准。采用另一方式，可以形成多道焊缝，其中，后续的焊缝起始周向位置与前一焊缝起始周向位置偏移。

例如，第一焊缝起始于第一位置，并且围绕焊缝凹槽的周边延伸到第二位置。随后形成第二焊缝，其起始于与第一焊缝的周向起始点大体上不同的周向位置。类似地，形成后续焊缝，使得每个后续焊缝起始于与其前一个焊缝起始位置不同的周向位置。在一个实施例中，用于后续焊缝的起始位置可以与其前一焊缝的周向起始位置相差大约90°到大约180°。

特别考虑的是，根据本发明的坯件和杆构造可以应用于核心钻头、双心钻头、偏心钻头、扩孔工具及其它钻孔结构，以及应用于全孔钻头。当在此使用时，术语“钻头”包括所有前述钻孔结构，不管钢制还是基体型。此外，本发明不局限于钢制或基体型旋转刮刀钻头的任何特定结构，并且可以应用于由各种方法制造的旋转刮刀钻头。进一步考虑的是，根据本发明的坯件和杆构造可以应用于滚锥钻头的制造，并且在此使用的术语“钻头”包括这种组件。

附图说明

图1A是传统的基体型旋转刮刀钻头的透视图；

图1B是图1所示传统的基体型旋转刮刀钻头的局部示意性侧部剖视图；

图1C是传统的基体型旋转刮刀钻头的杆和钻头体的局部侧向剖视图；

图1D是传统的钢体旋转钻头的侧向剖视图；

图2A是本发明的杆和旋转钻头体的局部侧向剖视图；

图2B是本发明的杆和钻头体的局部侧向剖视图和局部侧视图；

图2C-2D是本发明的多道焊缝和焊接工艺的示意性顶视图；

图3A-3G是本发明的钻头体和杆之间的接触面构造的不同实施例的局部示意性侧向剖视图；

图4是根据本发明的旋转钻头的侧视图；

图5A是本发明的旋转钻头的透视图；和

图5B是图5A所示杆和钻头体的局部顶部剖视图。

具体实施方式

图2A显示了根据本发明的基体型旋转刮刀钻头110的局部剖视图。旋转刮刀钻头110包括中心纵轴103，孔112通常围绕所述中心纵轴布置。杆116可以由具有小于大约0.35％碳当量的材料制成，所述材料例如但不限于AISI 4130钢或AISI 4130MOD钢，并且可以包括本领域已知的用于连接到钻柱(未显示)上的螺纹销连接部117和用于分别装配到所述钻柱上或由其上拆下的钻头装卸器表面121。希望的是，杆材料的碳当量甚至小于大约00.35％，例如小于大约0.30％。本领域的普通技术人员应当认识到，为杆116选择的材料例如呈现出适合于利用旋转刮刀钻头110钻孔期间所遇情况的至少最小屈服极限、最小极限抗拉强度和最小冲击强度。上述AISI 4130和AISI4130MOD钢具有这种希望的机械性能。

通常，碳当量是以重量百分比为单位的经验值，其使制造例如钢的金属合金中所用不同合金元素的综合影响与碳当量数相关，作为焊接性能或对焊缝破裂敏感性的指标。碳当量可用于可硬化的碳和合金钢，不存在限制。另外，从下列公式可以看出，材料包括碳以具有非零碳当量是不必要的。如本领域已知，已经研究了用于计算材料碳当量的不同公式。本发明考虑使用用于计算碳当量的不同的经验公式。例如，由美国金属学会出版、1995年第8次印刷、金属手册_，DeskEdition给出了一个用于给定材料碳当量的公式，如下。

$\mathrm{CE}=\%C+\frac{\%\mathrm{Cr}+\%\mathrm{Mo}+\%V}{5}+\frac{\%\mathrm{Si}+\%\mathrm{Ni}+\%\mathrm{Cu}}{15}$

其中：

CE是以重量百分比为单位的碳当量；

％C是材料中碳的重量百分比；

％Cr是材料中铬的重量百分比；

％Mo是材料中钼的重量百分比；

％V是材料中钒的重量百分比；

％Si是材料中硅的重量百分比；

％Ni是材料中镍的重量百分比；和

％Cu是材料中铜的重量百分比。

因此，应当理解，对于在实施本发明中的适合性来说，在杆116中使用的具有希望机械性能的材料可以根据碳当量容易地鉴定。

另外，杆116还可以包括配置为与钻头体123的互补锥形表面161相配合的锥形表面160，从而使杆116相对于钻头体123定位，并与钻头体123的锥形表面141共同形成焊槽139。只是作为实例，并且适合于本发明的这个或其它图示实施例，所参考的锥形表面不一定必须实现为截头圆锥形表面。杆116的竖直面150可以在钻头体123内部沿钻头体123的竖直面151延伸，但是可以与锥形表面160一起配置为使杆116相对于钻头体123定位。图2A还显示出，锥形表面160的径向向内的水平面140可以与钻头体123的水平面152以间隙111隔开，从而防止其间的接触，因为这种接触可能影响杆116相对于钻头体123的定位，但锥形表面160和锥形表面161的相互接触除外。如上所述，锥形表面160和锥形表面161的径向最外侧部分共同界定了环焊缝道139，其中可以形成例如根据本发明的多道焊缝的焊缝170。

图2B显示了在根据本发明的焊接之前，旋转钻头310的局部侧向剖视图(图左侧)，和旋转钻头310围绕其纵轴333的局部侧视图(图右侧)。旋转钻头310通常可以包括钻头体323，其包括多个其间界定有排屑槽316的纵向延伸的刀翼314。每个刀翼314可以界定引导或切削面318，其沿着围绕旋转钻头310的远端315的钻头面径向延伸，并且可以包括多个切削元件凹窝319，其形成在钻头体323内并且使固定在其中的切削元件320定向为在旋转钻头310旋转时切削地下岩层。切削元件320只是出于图解说明之用，因为它们可以在杆334焊接到钻头体323上之后固定到切削元件凹窝319上。根据本发明的杆334可以包括具有小于大约0.35％的碳当量的材料，例如AISI4130钢或AISI 4130MOD钢。每个刀翼314可以包括与每个刀翼314的保径312相对应的纵向延伸的保径部分322，其尺寸根据旋转钻头310的大致最大直径部分设计，从而典型地只略微小于要通过旋转钻头310进行钻进的孔的直径。旋转钻头310的纵向上端317包括螺纹部分或销325以将旋转钻头310螺纹附接到钻环或向下钻进电机上，如本领域已知的那样。另外，腔室(plenum)329或孔在旋转钻头310内部纵向延伸，从而将其中的钻孔液通过从腔室329延伸到喷嘴336的通道(未显示)输送到布置在旋转钻头310表面上的喷嘴336。螺纹部分325可以像钻头装卸器表面321那样在杆334的纵向上端317上直接机加工而成，用于在安装到钻柱中时且杆334与旋转钻头310的钻头体323在其远端接合时松开和拧紧旋转钻头310的锥形螺纹部分325，如剖视图所示。

还是如图2B所示，杆334的锥形表面350可以与钻头体323的锥形表面351配合，以便使杆334相对于钻头体323定位。当然，杆334的竖直面360可以与竖直面361结合(如图2B所示，竖直面360和361不一定具有螺纹)，并且杆334的水平面360与水平面371根据其间的实际间隙可以结合或者可以不结合，迄今为止，间隙的需要程度参照图2A进行描述。焊槽339可以由杆334的锥形表面350和钻头体323的锥形表面352形成。

如下文所述，本发明的多道焊缝通常可以形成和布置在焊槽339内。如上所述，杆334可以包括具有小于大约0.35％的碳当量的材料，例如AISI 4130钢，AISI 4130MOD钢，或等效材料。因此，在开始焊接工艺之前预热杆334不是必需的。作为进一步的优点，可以完成相对于钻头体323定位杆334，随后将组件点焊在一起。图2C显示了与图2B所示焊槽339的内顶或尖端340相关的本发明多道焊缝401的顶部横截面视图。更特别地，图2C是由尖端340界定的焊槽339的内边界，以及焊缝410、420、430和440的顶视图。焊缝410、420、430和440描述为直径逐渐增大的同心环或圆，并且显示为彼此隔开。但是，图2C仅是示意性的，焊缝410、420、430和440仅出于清楚目的进行描述。根据上述焊道的尺寸和焊槽339的尺寸，焊缝410、420、430和440通常可以布置在焊槽339内的任何位置。当然，本发明中所有焊缝的纵向位置可以改变以相对均匀地充满焊槽。

如图2C所示，第一焊缝410或“根”焊缝可以沉积在焊槽339内部，或者更特别地，沿着由杆334和钻头体323的面向表面350和352之间的接触面形成的焊槽339的尖端340的周边定位。第一焊缝410可以围绕焊槽339的尖端340的周边延伸。如图2C所示，第一焊缝410可以起始于周向位置409，并且也可以终止于此。可选地，第一焊缝410可以起始于第一周向位置，并且可以终止于第二周向位置。如图2C所示，第二焊缝420可以起始于周向位置419，并且可以终止于此。可选地，第二焊缝420可以起始于与第一焊缝410的周向起始位置相隔至少大约90°的第一周向位置，并且可以终止于第二周向位置。

因此，周向位置409可以与周向位置419相隔至少大约90°，该角度是相对于钻头310的纵轴333沿顺时针或逆时针方向测得。如图2C所示，夹角θ显示了周向位置409和周向位置419之间的测量结果。另外，第二焊缝420可以起始于与前一个焊缝的初始周向位置相隔至少大约90°的第一周向位置，并且可以终止于第二周向位置。另外，第二焊缝420可以围绕纵轴333沿圆周方向(顺时针或逆时针方向)形成，所述圆周方向与形成首个焊缝410的方向相反或相同。

如图2C所示，第三焊缝430起始于周向位置429并终止于此。一般地说，第三焊缝430可以起始于与前一个焊缝的初始周向位置相隔至少大约90°的第一周向位置，并且可以终止于第二周向位置。如图2C所示，第四焊缝440起始于周向位置439并也终止于此。类似地，第四焊缝440可以起始于与前一个第三焊缝430的初始周向位置相隔至少大约90°的第一周向位置，并且可以终止于第二周向位置。还是如图2C所示，周向起始位置409、419、429和439可以大体上对称地围绕焊槽339的尖端340的周边分布。

当然，前一焊缝的起始位置和后一焊缝的起始位置之间的分开程度可以相对于其间的周向距离进行测量。例如，周向位置409和周向位置419之间的周向间距可以至少为表示焊槽尖端340的圆周长的大约四分之一。

因此，本发明的多道焊缝可以包括起始于第一周向位置并终止于第二周向位置的首个焊缝，和起始于与第一焊缝的第一位置相隔至少大约90°或者焊槽339的尖端340的周长的至少大约四分之一的周向位置的第二焊缝。随后的焊缝可以起始于各自的周向位置，其与它们的前一焊缝的周向起始位置相隔至少大约90°或者相隔焊槽339的尖端340的周长的至少大约四分之一。周向位置至多只能相隔180°，因为这种定位将位于从周边的一个边缘通过中心到周边的另一边的直线的相对侧上。因此，随后的焊缝可以起始于从根据本发明的前一焊缝的起始位置开始的各自的周向位置，其与前一焊缝的起始位置相隔大约90°到180°。这种焊缝构造可以减少、平衡组装的杆334和钻头杆323之间的变形或错位或使其减至最小。

作为本发明的多道焊缝的进一步实例，并且没有任何限制，图2D显示了与图2B所示焊槽339的尖端340相关的多道焊缝402的顶部横截面视图。焊缝452、454、456、458、460和462可以围绕焊槽339的尖端340的周边形成并延伸。第一焊缝452可以起始于周向位置453，并且也可以终止于此。第二焊缝454可以起始于周向位置455，并且也可以终止于此。第三焊缝456可以起始于周向位置457，并且也可以终止于此。第四焊缝458可以起始于周向位置459，并且也可以终止于此。第五焊缝460可以起始于周向位置461，并且也可以终止于此。第六焊缝462可以起始于周向位置463，并且也可以终止于此。

可选地，并且更一般地，每个焊缝452、454、456、458、460和462可以起始于与其前一个焊缝的周向起始位置偏移或隔开的第一周向位置。因此，随后的焊缝454、456、458、460和462(即在前一个焊缝之后产生的焊缝)可以起始于与前一个焊缝的起始周向位置相隔至少大约90°或者焊缝尖端340的周长的至少大约四分之一的周向位置。例如，如图2D所示的夹角θ显示了周向位置459和周向位置463之间大约120°的测量结果。采用另一方式，如图2D所示的周向位置459和周向位置463之间的间距大约为表示焊槽尖端340的圆周长的三分之一。另外，焊缝452、454、456、458、460和462可以围绕纵轴333沿任何圆周方向(顺时针或逆时针方向)形成。

因此，本发明的多道焊缝不局限于任何特定数量的不连续焊缝，而是包括一个以上的焊缝，其中前一个焊缝和随后的焊缝的起始位置相隔至少大约90°或者焊槽尖端周长的至少大约四分之一。另外，焊缝可以周向延伸或可以不周向延伸，或者完全不周向延伸。例如，焊缝通过以下方式形成，即，施加热源并将介质焊接到特定位置上形成焊缝，随后定位热源并将介质焊接到第二位置上并形成另一焊缝。因此，焊缝可以形成在处于不连续位置的焊槽内。另外，前一焊缝和后一焊缝之间的起始周向位置之间的间隔可以改变。例如，对于第二焊缝、第三焊缝和第四焊缝来说，夹角θ可以分别为大约90°，随后大约135°，随后大约180°，但不限于此。另外，焊缝的起始位置可以形成大体上对称的图案，或者可以形成不对称的图案。

图3A显示了与以旋转刮刀钻头(其余部分未显示)的中心轴203为中心的孔212相关的杆216和钻头体223之间的接触面200的局部剖视图。杆216可以包括具有小于大约0.35％的碳当量的材料，并且可以包括锥形表面260、锥形表面250和水平面253。杆216的锥形表面250可以构造为与钻头体223的锥形表面251相配合以使杆216相对于钻头体223定位。另外，间隙211可以使杆216的水平面253与钻头体223的水平面252隔开，从而防止其间接合，这种接合可能影响杆216的锥形表面250和钻头体223的锥形表面251之间的正确配合。焊槽239可以通过使杆216的锥形表面260与钻头体223的锥形表面241相交形成。如图3A中进一步显示的，钻头体223的锥形表面251和水平面252可以形成使杆216的纵向下端装于其中的腔室。这种构造对分配在旋转刮刀钻头工作期间通过杆216传递的应力来说是有利的。

可选地，间隙211可以通过施加使钻头体223和杆216彼此压靠在一起的纵向力而减小或消除。换句话说，希望构造杆216的锥形表面250和钻头体223的锥形表面251，使得足够大的压紧力造成其间的滑动，减小间隙211或造成杆216的水平面253与钻头体223的水平面252接合。这种压紧力可以在杆216焊接到钻头体223上之前或期间施加，或者两个阶段都施加，并且希望在多道焊缝(图2C和2D)内部产生残余拉应力，其由钻进期间经受的压紧力平衡。这种构造可以减小钻进期间在焊缝中产生的应力。作为进一步的可选方案，通过设置杆和钻头体的尺寸可以消除间隙211。

图3B显示了与以旋转刮刀钻头(其余部分未显示)的中心轴203为中心的孔212相关的杆216和钻头体223之间的接触面201的另一实施例的局部剖视图。杆216可以包括具有小于大约0.35％的碳当量的材料，例如AISI 4130钢或AISI 4130MOD钢，并且可以包括锥形表面260、锥形表面250和水平面253。杆216的锥形表面250和260可以构造为与钻头体223的锥形表面251和261分别配合以使杆216相对于钻头体223定位。这种双锥形构造对于使杆216相对于钻头杆223定位来说是有利的。

另外，间隙211可以使杆216的水平面253与钻头体223的水平面252隔开，从而防止其间接合，这种接合可能影响杆216的锥形表面250和260分别与钻头体223的锥形表面251和261之间的正确配合。焊槽239可以通过使杆216的锥形表面260与钻头体223的锥形表面241接合形成。如图3B中进一步显示的，钻头体223的锥形表面251和水平面252可以形成使杆216的纵向下端装于其中的腔室。这种构造对分配在旋转刮刀钻头(未显示)工作期间通过杆216传递的应力来说是有利的。

图3C是本发明另一实施例的局部剖视图，显示了与以旋转刮刀钻头(未显示)的中心轴203为中心的孔212相关的杆216和钻头体223之间的接触面202。如图3C所示，杆216的锥形表面270可能沿径向向内路径纵向向下地倾斜，并且可以与钻头体223的锥形表面271配合地接合，所述锥形表面271可以沿径向向外路径纵向向上地倾斜。杆216的锥形表面270和钻头体223的锥形表面271之间的配合接合可以使杆216相对于钻头体223定位。焊缝间隙239可以大体上通过使钻头体223的锥形表面241与杆216的锥形表面270相交而形成。当然，相邻表面之间边界处的倒角和半径可以按照工程设计进行设置，从而促进杆216的锥形表面270和钻头体223的锥形表面271之间的正确接合。还是如图3C所示，钻头体223的锥形表面271可以形成使杆216的纵向下端装入其中的腔室。这种构造对分配在旋转刮刀钻头(未显示)工作期间的应力来说是有利的。另外，杆216可以包括具有小于大约0.35％的碳当量的材料，以便取消在将杆216焊接到钻头体223上之前进行预加热的需要。

图3D是本发明又一实施例的局部剖视图，显示了与以旋转刮刀钻头(其余部分未显示)的中心轴203为中心的孔212相关的杆216和钻头体223之间的接触面204。如图3D所示，杆216的锥形表面280可能沿径向向内路径纵向向上地倾斜，并且可以与钻头体223的锥形表面281配合地接合，所述锥形表面281可以沿径向向外路径纵向向下地倾斜。因此，杆216的锥形表面280和钻头体223的锥形表面281之间的配合地接合可以使杆216相对于钻头体223定位。

焊缝间隙239可以大体上通过使钻头体223的锥形表面282与杆216的锥形表面280相交而形成。杆216可以包括具有小于大约0.35％的碳当量的材料，例如AISI 4130钢，AISI 4130MOD钢，或等效材料，从而取消在将杆216和钻头体223彼此焊接在一起之前进行预加热的需要。这种构造可以允许杆216和钻头体223搭焊在一起以便在形成如上所述的多道焊缝之前保持相对定位，并取消在焊接期间传统的预加热。

图3E显示了本发明的另一实施例，描绘了杆216和钻头体223之间的接触面205的剖视图。如上所述，杆216可以包括具有小于大约0.35％的碳当量的材料。杆216和钻头体223相对于孔203进行显示，所述孔以旋转刮刀钻头(剩余部分未显示)的中心轴212为中心。杆216的锥形表面292可以与钻头体223的锥形表面293配合地接合以使杆216相对于钻头体223定位。同样，杆216的水平面300可以与钻头体223的水平面295配合地接合，从而使杆216相对于钻头体223竖直定位。在杆216的锥形表面290和钻头体223的锥形表面297之间具有间隙299。间隙299可以提供将杆216和钻头体223装在一起的间隙。焊槽239可以大体上通过杆216的锥形表面290和钻头体223的锥形表面291形成。

图3F和3G显示了位于杆216和钻头体223之间的根据本发明的接触面206的剖视图。更具体地，可变形元件302可以位于杆216和钻头体223之间。如图3F和3G所示，可变形元件302可以位于杆216的水平面304和钻头体223的水平面305之间。最初在杆216的锥形表面306和钻头体223的锥形表面307之间存在间隙311。另外，钻头体223的锥形表面303可以与杆216的锥形表面308接合，或者，可选地，在其间存在小间隙。但是，如图3G所示，杆216可以移动，从而使可变形元件302变形并使杆216的锥形表面306定位以与钻头体223的锥形表面307配合地接合，因此大体上消除间隙311。这种构造可优选地通过压紧力使杆216相对于钻头体223定位。这种压紧力可以在杆216焊接到钻头体223上之前和/或期间施加，并且希望在多道焊缝(图2C和2D)内部产生残余拉应力以减小钻孔期间在焊缝中产生的应力。同样，如图3F和3G所示，焊槽339可以大体上由杆216的锥形表面306和钻头体223的锥形表面301形成。示例性可变形元件302包括高温弹性环、环形片簧和贝氏弹簧，以及非弹性的可变性材料，其可以在间隙311消除时压碎。可变形元件302的变形、弹性或非弹性可以在其接合钻头体223时提供杆216受控的向下运动。

图4显示了根据本发明的示例性旋转刮刀钻头500，其中如上所述的接触面和多道焊缝将钢体或基体型钻头体323完全固定到杆334上。杆334可以包括钻头装卸器表面或平面321，用于在安装到钻柱中时使旋转刮刀钻头500的锥形螺纹部分325松开和拧紧。旋转刮刀钻头500可以包括径向和纵向延伸的刀翼314，其中每个刀翼314可以界定引导或切削面318，并且可以包括多个切削元件320，所述切削元件固定到所述刀翼上并且在内部定位成在旋转钻头500旋转时切削地下岩层。喷嘴336的尺寸和位置设置成将来自旋转刮刀钻头500的内部的钻孔液输送倒切削元件320和刀翼314以清洗由此产生的切屑。当多道焊缝(未显示)完成时，外部的径向向外的表面可以加工成与钻头体323的外表面齐平。另外，应当理解，本发明不局限于通过任何特征方法制造的旋转钻头，相反，本发明可以利用由任何方法制造的旋转钻头进行实施。

通常，本发明的锥形表面的布置和构造可以提供有效的机构以使杆相对于钻头体定位，从而为其间的焊接做准备。另外，纵向、通常轴向力可以施加到如上所述的杆或钻头体上，从而在有或没有位于其间的可变性元件的情况下促进杆相对于钻头体的定位或定中心。同样，可以施加纵向力以在与焊接杆到钻头体上相关的组件中产生希望的应力状态。纵向力可以通过柱塞或其它力产生装置由外部施加。另一方面，只相对于定位而言，杆和钻头体的锥形表面可以如此构造和设置尺寸，使得杆的重量(在其纵向布置在钻头体上面时)促进其相对于钻头体(在其下降时)的定位和定中心。在这种构造中，杆可以是“自动定心的”。

另外，尽管上述说明描述了剖视图形式的“锥形表面”，这意味着连续的环形表面，例如截头圆锥形表面，本发明考虑锥形表面可以包括更一般地逐渐减小的特征，其可以是或可以不是连续的，并且在横截面中可以为或可以不为直线性的。同样地，尽管上述说明和描述意味着环形焊槽，但是本发明可以考虑许多可选方案。例如，本发明的多道焊缝可以通常与构造为在杆和钻头体之间形成焊接连接的区域相关地形成，而没有什么限制。

更具体地，本发明考虑互补的纵向凹槽可以在杆和钻头体两者的配合端部上形成以彼此焊接在一起。换句话说，杆和钻头体两者的纵向配合端部可以包括花键，其可以定位以形成纵向焊槽。在这种构造中，各自的焊缝可以形成在每个对准的纵向焊槽中。但是，在这种构造中，本发明的多道焊缝可以形成在纵向焊槽内。更具体地，在这种构造中，第一焊缝可以起始于第一周向位置，第二焊缝可以起始于与第一周向位置隔开的周向位置。随后的每个焊缝可以起始于各自的周向位置，其与前一焊缝的起始位置相隔至少大约90°。

图5A显示了在进行根据本发明的焊接之前的旋转钻头610的透视图。旋转钻头610通常可以包括钻头体623，其包括多个纵向延伸的刀翼614，所述刀翼614界定位于其间的排屑槽616并具有沿旋转钻头610的钻头面径向延伸的引导或切削面618。钻头体623可以包括多个固定到其上的切削元件620，以在旋转钻头610旋转时切削地下岩层。切削元件620只作为图解说明之用，因为它们可以按照传统的方式在杆634焊接到钻头体623上之后固定到钻头体623上。根据本发明，杆634可以包括具有小于大约0.35％的碳当量的材料。例如，可以使用AISI 4130钢、AISI 4130MOD钢或具有小于大约0.35％的碳当量的任何材料，但不限于此。每个刀翼614可以界定与每个刀翼614的保径612相对应的纵向延伸的保径部分622，根据旋转钻头610的大致最大直径部分设置所述保径部分的尺寸。旋转钻头610的纵向上端617包括螺纹部分或销625以将旋转钻头610螺纹附接到钻柱上，如本领域已知的那样。另外，钻孔液可以通过设置在旋转刮刀钻头610表面上的喷嘴636输送。

杆634包括与钻头体623的纵向凹槽660相对应的纵向凹槽650。另外，杆634可以包括锥形特征670，其可以根据图2A、2B和3A-3G中描述的任何一个实施例构造，并且只是出于方便目的，所述锥形特征称作突起部。当然，钻头体623可以包括互补的锥形特征(未显示)，只是出于方便目的，所述互补的锥形特征可以称作凹槽。当杆634和钻头体623装配时，杆634的纵向凹槽650和钻头体623的纵向凹槽660可以周向定位。图5B显示了杆634的纵向凹槽650和钻头体623的纵向凹槽660的局部顶部剖视图，其中纵向凹槽650和660竖向重叠和周向定位。这种定位可以形成焊槽655，如图5B所示。

另外，根据本发明，多道焊缝可以形成在焊槽655内。第一焊缝680在图5B中显示为处于周向起始位置682，并且可以在对准的纵向凹槽650和660内纵向延伸。第二焊缝681可以形成在周向起始位置683，其与第一焊缝680的周向起始位置683隔开至少90°，如相对于纵轴661的夹角θ所示。随后的焊缝(未显示)可以如此定位，使得每个随后的周向起始位置与前一个焊缝的周向起始位置隔开。

本发明考虑和包括许多可选的实施方案。例如，通过使杆和/或钻头体中的螺旋形花键或凹槽对准而形成焊缝区域。另外，尽管本发明的多道焊缝可以根据前一和后一焊缝进行描述，如上文所述，但是可以考虑，本发明的一个或多个焊缝可以大体上通过施加多个热源和将焊接材料放置在焊缝区域内的一个以上的位置处而同时形成。在这种构造中，同时形成的焊缝可以相对于与其同时形成的任何其它焊缝作为后一或前一焊缝，而没有什么限制。例如，无限制地，本发明考虑两个焊缝可以大体上同时形成，以至少大约90°的夹角隔开。另外，例如，无限制地，本发明考虑三个焊缝可以大体上同时形成，其中三个焊缝中的至少两个焊缝以至少大约90°隔开。这种构造可以提高焊接设备的成本，但是还可以提高焊接工艺的速度或性能，并且进一步减少可能由焊接引起的杆和钻头体错位的任何趋势。

尽管本发明已经相对于特定的优选实施例在此进行了描述，但是本领域的普通技术人员应当考虑和认识到本发明不限于此。相反，在不脱离如下文要求保护的本发明范围的情况下，可以对优选实施例进行多种增加、删除和改变。另外，一个实施例的特征可以与另一个实施例的特征结合，但仍然处于由本发明人考虑的发明范围内。另外，本发明在具有不同和各种钻头外形及切削刃类型的钻头和核心钻头中具有实用性。

Claims (31)

1.一种用于钻进地下岩层的旋转钻头，包括：

钻头体，其具有中心线并包括用于在钻进期间接触地层的前端；杆结构，包括：

至少一个锥形特征，其与钻头体的至少一个互补特征配合地接合并且至少部分地使所述杆结构相对于所述钻头体定位；和

后端，其具有与其相关、用于将旋转钻头连接到钻柱上的结构；

焊缝区域，其大体上由所述杆结构的至少一个表面和所述钻头体的至少一个表面形成；

多道焊缝，其将所述杆结构固定到大体布置在所述焊缝区域内的钻头体上，包括：

第一多个焊缝，包括：

起始于第一周向位置的第一焊缝；和

起始于第二周向位置的第二焊缝；

其中，所述第二周向位置和第一周向位置相对于所述钻头体的中心线隔开至少大约90°；和

固定到所述钻头体上的至少一个切削元件。

2.如权利要求1所述的旋转钻头，其中，所述杆结构包括具有小于大约0.35％的碳当量的材料。

3.如权利要求1所述的旋转钻头，其中，所述多道焊缝呈现一应力状态，其至少部分地响应于在多道焊缝形成期间施加在所述杆结构的至少一个锥形特征和所述钻头体的至少一个互补特征之间的作用力。

4.如权利要求1所述的旋转钻头，其中，所述焊缝区域包括大体上环形槽。

5.如权利要求4所述的旋转钻头，其中，所述第一焊缝和第二焊缝周向延伸。

6.如权利要求1所述的旋转钻头，其中，所述焊缝区域包括多个焊槽，其通过杆结构的纵向凹槽和钻头体的纵向凹槽的周向对准而形成。

7.如权利要求6所述的旋转钻头，其中，所述第一焊缝和第二焊缝在所述杆结构和钻头体的相应的、周向定位的纵向凹槽内纵向延伸。

8.如权利要求1所述的旋转钻头，其中，所述杆结构的一部分布置在形成于所述钻头体内的腔室中。

9.如权利要求8所述的旋转钻头，其中，所述钻头体的至少一个互补特征形成所述腔室的至少一部分。

10.如权利要求1所述的旋转钻头，还包括至少一个其它焊缝，其中，所述至少一个其它焊缝的周向起始位置与所述第二焊缝的第二周向位置隔开至少大约90°。

11.如权利要求10所述的旋转钻头，其中，所述至少一个其它焊缝包括

第二多个焊缝；

其中，第二多个焊缝中的每一个分别包括周向起始位置；并且

其中，第二多个焊缝中的每一个的周向起始位置与其前一个焊缝的周向起始位置隔开至少90°。

12.如权利要求11所述的旋转钻头，其中，所述第一多个焊缝中的焊缝的周向起始位置和第二多个焊缝的焊缝的周向起始位置相对于焊缝区域的周边大体上对称地定位。

13.如权利要求1所述的旋转钻头，还包括布置在杆结构和钻头体之间的可变形元件。

14.如权利要求13所述的旋转钻头，其中，所述可变形元件具有产生于所述杆结构的一个或多个表面和所述钻头体的一个或多个表面之间的压紧力。

15.如权利要求13所述的旋转钻头，其中，所述多道焊缝具有一应力状态，其至少部分地响应于产生在所述杆结构的一个或多个表面和所述钻头体的一个或多个表面之间的应力。

16.如权利要求1所述的旋转钻头，其中，所述钻头体的至少一个互补特征形成位于内部的腔室。

17.如权利要求16所述的旋转钻头，其中，所述杆结构的一部分布置在形成于所述钻头体内的腔室中。

18.一种制造旋转钻头的方法，包括：

提供杆结构，用于将旋转钻头附接到钻柱上，所述钻柱构造有用于定位所述杆结构的至少一个锥形特征；

提供具有端部的钻头体，所述端部构造为钻进地下岩层，所述钻头体包括用于使所述杆结构相对于钻头体定位的至少一个互补特征；

通过使所述杆结构的至少一个锥形特征与所述钻头体的至少一个互补特征配合地接合，以及界定位于所述杆结构和所述钻头体之间的焊缝区域以使所述杆结构定位；

形成第一焊缝，其起始于所述焊缝区域内的第一周向位置；

形成至少第二焊缝，其起始于所述焊缝区域内的第二周向位置；

其中，所述第二周向位置和第一周向位置相对于所述钻头体中心线隔开至少大约90°。

19.如权利要求18所述的制造旋转钻头的方法，其中，提供杆结构包括提供由具有小于大约0.35％的碳当量的材料制成的杆结构。

20.如权利要求18所述的制造旋转钻头的方法，其中，形成第一焊缝和形成至少第二焊缝包括大体上同时形成第一焊缝和至少第二焊缝。

21.如权利要求18所述的制造旋转钻头的方法，还包括在形成第一焊缝时，在所述杆结构的至少一个锥形特征和所述钻头体的至少一个互补特征之间施加压紧力。

22.如权利要求18所述的制造旋转钻头的方法，其中，所述钻头体的至少一个互补锥形特征形成位于内部的腔室。

23.如权利要求22所述的制造旋转钻头的方法，还包括将所述杆结构的一部分布置在形成于所述钻头体内的腔室中。

24.如权利要求18所述的制造旋转钻头的方法，还包括将焊缝区域构造为大体上环形槽。

25.如权利要求18所述的制造旋转钻头的方法，其中，形成至少第二焊缝包括形成一个以上的焊缝，其中，一个以上的焊缝中的每一个分别包括周向起始位置；和

使一个以上的焊缝中每一个的起始位置选择为与其前一焊缝的周向起始位置隔开至少大约90°。

26.如权利要求25所述的制造旋转钻头的方法，其中，形成第一焊缝和一个以上焊缝中的每一个包括形成周向延伸的焊缝。

27.如权利要求18所述的制造旋转钻头的方法，其中，通过使所述杆结构的至少一个锥形特征与所述钻头体的至少一个互补特征配合地接合而使所述杆结构定位包括使位于杆结构和钻头体之间的可变形元件变形。

28.如权利要求18所述的制造旋转钻头的方法，还包括在无需使至少杆结构预先加热的情况下形成第一焊缝和至少第二焊缝。

29.一种制造旋转钻头的方法，包括：

提供用于将旋转钻头附接到钻柱上的杆结构；

提供钻头体，其具有构造为钻进地下岩层的端部；

使所述杆结构定位成与钻头体接触并且界定位于杆结构和钻头体之间的焊缝区域；和

在不对至少杆结构进行预先加热的情况下，在所述焊缝区域内形成至少一个焊缝。

30.一种用于钻进地下岩层的旋转钻头，包括：

钻头体，其具有中心线并包括用于在钻进期间接触地层的前端；

杆结构，包括与钻头体的互补的截头圆锥形特征配合地接合的至少一个截头圆锥形特征；

焊槽，其大体上由所述杆结构的至少一个表面和所述钻头体的至少一个表面形成；

至少一个焊缝，其将所述杆结构固定到大体布置在所述焊槽内的钻头体上；和

固定到所述钻头体上的至少一个切削元件。

31.一种用于旋转钻头的杆结构，包括：

用于接合钻头体的互补特征的至少一个特征；

后端，其具有与其相关、用于将旋转钻头连接到钻柱上的结构；并且

其中，所述杆结构包括具有小于大约0.35％的碳当量的材料。

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